Name: an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles
Uploaded: 2020-08-25T13:15:00
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この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会(NSERC;) からのBDCへのディスカバリー助成金によって支えられている。RGPIN 311680) およびカナダ保健研究所 (CIHR;MOP-93796)。RAKはオンタリオ州の大学院奨学金によって支援され、ALCはNSERC CREATE助成金によって支援されました。この原稿に記載されている実験装置は、カナダイノベーション財団によって支援されました。カナダ・ファースト・リサーチ・エクセレンス・ファンド(BrainsCAN)からの追加支援が行なわれた。

すべての手順は、ウェスタンオンタリオ大学の健康科学研究倫理委員会によって承認されました。すべての参加者はインフォームド・コンセントを提供し、参加料を支払われ、いつでも自由に実験から撤退することができます。
1. 参加者の準備
注:健康な若い参加者の小さなサンプルが研究されました(3人の女性、2人の男性、平均年齢:26歳+/- 3.5)。す?...

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	<li>Veerman, M. M., Brenner, E., Smeets, J. B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+latency+for+correcting+a+movement+depends+on+the+visual+attribute+that+defines+the+target.">The latency for correcting a movement depends on the visual attribute that defines the target.</a> Experimental Brain Research. 187 (2), 219-228 (2008).</li><li>Soechting, J. F., Lacquaniti, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modification+of+trajectory+of+a+pointing+movement+in+response+to+a+change+in+target+location.">Modification of trajectory of a pointing movement in response to a change in target location.</a> Journal of Neurophysiology. 49 (2), 548-564 (1983).</li><li>Day, B. L., Lyon, I. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voluntary+modification+of+automatic+arm+movements+evoked+by+motion+of+a+visual+target.">Voluntary modification of automatic arm movements evoked by motion of a visual target.</a> Experimental Brain Research. 130 (2), 159-168 (2000).</li><li>Gaveau, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+online+control+of+motor+adjustments+in+reaching+and+grasping.">Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping.</a> Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).</li><li>Day, B. L., Brown, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evidence+for+subcortical+involvement+in+the+visual+control+of+human+reaching.">Evidence for subcortical involvement in the visual control of human reaching.</a> Brain A Journal of Neurology. 124, 1832-1840 (2001).</li><li>Pruszynski, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-locked+responses+on+human+arm+muscles+reveal+a+rapid+neural+pathway+linking+visual+input+to+arm+motor+output.">Stimulus-locked responses on human arm muscles reveal a rapid neural pathway linking visual input to arm motor output.</a> European Journal of Neuroscience. 32 (6), 1049-1057 (2010).</li><li>Corneil, B. D., Olivier, E., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+responses+on+neck+muscles+reveal+selective+gating+that+prevents+express+saccades.">Visual responses on neck muscles reveal selective gating that prevents express saccades.</a> Neuron. 42 (5), 831-841 (2004).</li><li>Wood, D. K., Gu, C., Corneil, B. D., Gribble, P. L., Goodale, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+visual+responses+reset+the+phase+of+low-frequency+oscillations+in+the+skeletomotor+periphery.">Transient visual responses reset the phase of low-frequency oscillations in the skeletomotor periphery.</a> European Journal of Neuroscience. 42 (3), 1919-1932 (2015).</li><li>Gu, C., Wood, D. K., Gribble, P. L., Corneil, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Trial-by-Trial+Window+into+Sensorimotor+Transformations+in+the+Human+Motor+Periphery.">A Trial-by-Trial Window into Sensorimotor Transformations in the Human Motor Periphery.</a> Journal of Neuroscience. 36 (31), 8273-8282 (2016).</li><li>Kozak, R. A., Kreyenmeier, P., Gu, C., Johnston, K., Corneil, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-locked+responses+on+human+upper+limb+muscles+and+corrective+reaches+are+preferentially+evoked+by+low+spatial+frequencies.">Stimulus-locked responses on human upper limb muscles and corrective reaches are preferentially evoked by low spatial frequencies.</a> eNeuro. 6 (5), (2019).</li><li>Kowler, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cognitive+expectations,+not+habits,+control+anticipatory+smooth+oculomotor+pursuit.">Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit.</a> Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).</li><li>Goonetilleke, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cross-species+comparison+of+anticipatory+and+stimulus-driven+neck+muscle+activity+well+before+saccadic+gaze+shifts+in+humans+and+nonhuman+primates.">Cross-species comparison of anticipatory and stimulus-driven neck muscle activity well before saccadic gaze shifts in humans and nonhuman primates.</a> Journal of Neurophysiology. 114 (2), 902-913 (2015).</li><li>Franklin, D. W., Reichenbach, A., Franklin, S., Diedrichsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+evolution+of+spatial+computations+for+visuomotor+control.">Temporal evolution of spatial computations for visuomotor control.</a> Journal of Neuroscience. 36 (8), 2329-2341 (2016).</li><li>Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implied+motion+from+form+in+the+human+visual+cortex.">Implied motion from form in the human visual cortex.</a> Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).</li><li>Gribble, P. L., Everling, S., Ford, K., Mattar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hand-eye+coordination+for+rapid+pointing+movements:+Arm+movement+direction+and+distance+are+specified+prior+to+saccade+onset.">Hand-eye coordination for rapid pointing movements: Arm movement direction and distance are specified prior to saccade onset.</a> Experimental Brain Research. 145 (3), 372-382 (2002).</li><li>Par&#233;, M., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Saccadic+reaction+time+in+the+monkey:+advanced+preparation+of+oculomotor+programs+is+primarily+responsible+for+express+saccade+occurrence.">Saccadic reaction time in the monkey: advanced preparation of oculomotor programs is primarily responsible for express saccade occurrence.</a> Journal of Neurophysiology. 76 (6), 3666-3681 (1996).</li></ol>

人間は、必要に応じて、最小限の驚異的で効率的な伝導遅延に近づく遅延で迅速かつ視覚的に導かれた行動を生成する顕著な能力を持っています。我々は以前に、迅速なビスクオーター応答6、9、10の新しい尺度として上肢の刺激ロック応答(SL)を説明した。視覚刺激の影響を受ける上肢筋の募集の第1の側面のための試験ご...

携帯電話にメッセージが表示されたら、視覚的にガイド付きのリーチを実行して携帯電話を受け取り、メッセージを読むよう求められます。電話の形状やサイズなどの視覚的な機能は、私たちが正常に目標を達成できるように、モーターコマンドに変換されます。このようなビスオモケーター変換は、高度な制御を可能にする実験室の条件で研究され得る。ただし、応答時間が重要なシナリオがあります(例えば、電話が落ちる場合は電話をキャッチします)。高速バイビオーター挙動の実験室研究は、多くの場合、目標位置のいくつかの変更に続いて飛行中にオンゴーイングの動きが変更される変位ターゲットパラダイムに依存しています(例えば、ref.1,2を参照)。このようなオンライン補正は<150 ms3で発生する可能性がありますが、アームのローパスフィルタリング特性により運動学単独で高速ビスクオーター出力の正確なタイミングを確認することは困難であり、高速visuomotor出力は飛行中に既に動きを置き換えるためです。このような合併症は、高速ビスクオーター応答の基となる基質に関する不確実性を引き起こす(レビューについてはref.4を参照)。いくつかの研究は、前頭側頭頂皮質領域ではなく、上側の口蓋のような皮質下構造がオンライン補正を開始する可能性を示唆している5.
基礎となる神経基質に関するこの不確実性は、少なくとも部分的には、高速ビスオーモエータ系の出力のための信頼できるバイオマーカーの欠如による可能性がある。最近では、静的な姿勢から生成され、電図(EMG)を介して記録される可能性のある高速ビスクオータ応答の尺度について説明しました。刺激ロック応答(SL)は、自発的な動き6、7に先行するEMG活動の時間ロックバーストであり、刺激の発症後一貫して〜100 ms進化する。名前が示すように、SLAは刺激の発症によって呼び起こされ、最終的な動きが8を差し控えられたり、反対方向に移動したりしても持続する9。さらに、動的パラダイムにおけるターゲット変位によって誘発されるSLは、短い待ち時間のオンライン補正10と関連している。したがって、SLは、短い待ち時間のRTに関与する高速ビスオーモエータシステムの出力を体系的に研究するための客観的な尺度を提供し、静的な姿勢から生成され、高速バイビオータ応答の初期段階とは無関係の他のEMG信号から解析される可能性がある。
現在の研究の目的は、SLAを堅牢に引き出す視覚的に導かれた到達パラダイムを提示することです。一眼レフを調査する以前の研究は、より侵襲的な筋肉内録音6、8、9を使用する場合でも、参加者全体で100%未満の検出率を報告している。低検出率と侵襲的記録への依存は、病気または寿命を超えて高速ビスオーモエータシステムに対する将来の調査における一眼レフ対策の有用性を制限する。一部の被験者は単にSRRを発現しないかもしれないが、以前に使用された刺激および行動パラダイムは、一眼レフを呼び起こすのに理想的ではなかったかもしれない。SLの過去の報告は、通常、参加者が静的な、突然出現するターゲット6、9に向かって視覚的にガイドされた到達を生成するパラダイムを使用してきました。しかし、高速ビスオーモエータシステムは、落下物体や飛行物体と迅速に相互作用しなければならないシナリオで最も必要とされ、静的刺激ではなく移動がSLを呼び起こす可能性があるかどうか疑問に思う。そこで、眼球運動11を研究するために用いられる移動対象パラダイムを適応させ、それをSLR9を調べるために使用されるプロ/アンチの視覚誘導到達タスクと組み合わせた。以前に使用したパラダイムの結果と比較すると、新たな目標パラダイムのSLはより早く進化し、より大きさが高くなり、参加者サンプル全体でより一般的であることがわかりました。全体的に見て、新たなターゲットパラダイムは、客観的なEMG測定が表面記録で確実に行うことができる程度に対する高速バイスオーバレーター応答の発現を促進し、臨床集団内および寿命を通じて研究を増強する。さらに、新たなターゲットパラダイムは、さまざまな方法で変更することができ、高速バイスオモケーター応答を促進または変更する感覚、認知、運動因子に対するより徹底的な調査を促進します。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Bagnoli-8 Desktop Surface EMG System</td>
			<td>Delsys Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Another reaching apparatus may be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kinarm End-Point Robot</td>
			<td>Kinarm, Kingston, Ontario, Canada</td>
			<td></td>
			<td>Another reaching apparatus may be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB (version R2016a) Stateflow and Simulink applications</td>
			<td>The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PROPixx projector</td>
			<td>VPIXX Saint-Bruno, QC, Canada</td>
			<td></td>
			<td>This is a custom built addon for the Kinarm. Other displays may be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Resolution: 1920 x 1080. Standard viewing monitors may also be used.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles

見た目のオブジェクトに到達するには、視覚情報をモーターコマンドに変換する必要があります。オブジェクトの色、形状、サイズなどの視覚情報は、多数の脳領域内で処理され、統合され、最終的には運動周辺に中継されます。場合によっては、可能な限り迅速に反応が必要です。これらの高速バイスオモター変換とその基礎となる神経学的基質は、信頼性の高いバイオマーカーを欠いなかったため、ヒトでは十分に理解されていません。刺激ロック応答(SL)は、視覚刺激提示の影響を受ける筋肉のリクルートの第一波を表す筋筋(EMG)活動の短い待ち時間(<100 ms)バーストである。SDRは、迅速なビスオーモエータ変換の定量可能な出力を提供するが、SRSは過去の研究ですべての被験者で一貫して観察されていない。ここでは、堅牢なSLを一貫して呼び起こす障害物の下に移動するターゲットの突然の出現を特徴とする新しい行動パラダイムを説明します。静的刺激を用いてSLを調査した以前の研究と比較して、この新たな標的パラダイムで呼び起こされるSLはより大きく、より早く進化し、すべての参加者に存在していた。リーチ反応時間(RT)も、新たなターゲットパラダイムで迅速化された。このパラダイムは、高速バイスオーモター応答に対する様々な感覚、認知、運動操作の影響の体系的な研究を可能にする修正のための多くの機会を提供します。全体として、我々の結果は、新たなターゲットパラダイムが、高速ビスオーモエータシステム内で一貫して堅牢に活動を呼び起こすことができることを示している。

刺激ロック応答(SL)は、運動開始に関連する筋肉募集のより大きなボレーの前によく進化する刺激発症にロックされた筋肉活動時間の短いバーストである。一眼レフの時間ロックされた性質は、反応時間(RT)のためにソートされたすべての試験を見たときに〜100ミリ秒で見える筋肉活動の「バンディング」を生成しました(図1aは灰色のボックスで強調表示されています)。<...

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An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles

ここで提示される行動パラダイムは、視覚的に導かれた到達の間に人間の上肢の筋肉に対する堅牢な高速バイビオータ応答を引き出す。

人間の上肢筋肉に対する高速ビスオモター応答を呼び起こす新たな標的パラダイム

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, ...

We are interested in how the brain can rapidly translate visual input into motor output. And here, we describe the emerging target paradigm, which elicits quantifiable and reliable fast visuomotor responses. The fast visuomotor responses listed by the paradigm include stimulus-locked responses, which are short bursts of muscle activity tied to visual stimulus onset.Having a paradigm that reliably elicits fast visuomotor responses potentiates the study of the underlying neural mechanisms across the lifespan and in neurological disorders like Parkinson's disease. Many aspects of the emerging target paradigm could be modified to better understand the sensory, cognitive, and motor factors which influence the fast visuomotor system. Begin by applying electromyography or EMG sensors to the targeted upper limb muscle involved in the reaching movement being studied.Visualize the target muscle by requesting an action known to recruit the muscle of interest. For the clavicular head of the pectoralis major muscle, ask the participant to relax their elbows at their sides and push their palms together. If it is difficult to visualize the target muscle, palpate the area of interest while having the participant repeatedly perform the requested action.Target areas with notable changes in the muscle for electrode placement. Use alcohol swabs to clean the skin areas where electrodes will be located and apply adhesives and electrode gel to the surface sensors. Ask the participant to perform the action associated with the muscle recruitment again and adhere sensors over the muscle belly, positioning them to lie in parallel with the direction of the fibers of the targeted muscle.Place the ground electrode on the clavicle contralateral to the reaching arm, then secure sensors and ground electrodes to the surrounding skin with medical tape. Turn on the EMG system to allow for EMG collection throughout the experiment. Check the quality of the EMG signal with a desktop monitor or oscilloscope connected to the system.Have the participant perform a reaching movement into or opposite from the preferred direction of the muscle of interest and ensure that the EMG activity increases or decreases respectively. Next, set up the participant in a robotic reaching apparatus that allows reaching movements in a horizontal plane and the application of force to the manipulandum. Seat the participant in the experimental chair, maximizing their comfort to minimize changes of posture throughout the experiment.Click start on the associated software which initiates the first trial and force generated by the robotic reaching apparatus applied to the participant's upper limb. Verbally instruct the participant to start the first trial by bringing the real-time cursor or RTC into the start position for a duration of one to 1.5 seconds. The occluder changes color to instruct the subject that the upcoming trial requires a pro or anti-reach.Determine if the participant is able to generate a visually-guided reach depending on the color of the occluder. When the occluder is green, the participant intercepts the moving target with the RTC. When the occluder is red, the participant moves the RTC away from the target.Ensure that the moving target, which was stationary and visible to the participant at the top of the inverted Y, begins moving towards the participant along the path of the inverted Y.When the moving target moves behind the occluder, it should move at a constant speed of 30 centimeters per second along the y-axis and should be invisible to the participant. During this interval, the participant should maintain the hand position at the imagined start position. Once the moving target reaches half the length of the occluder, it bifurcates along one of the inverted Y outputs with an additional X velocity component.The target vanishes for a constant delay of approximately half a second, with the delay depending on the size of the occluder and the speed of the target. When the moving target reaches the edge of the occluder, make sure that the software keeps it invisible until the full target has emerged and only then presents it to the participant. The target should be presented to a randomized side at one of the inverted Y paths while the participant's hand remains at the starting position.The exact time of target emergence must be known to ensure accurate measurement of fast visuomotor responses. Here, we present another visual stimulus, which is not seen by the participant, to a photodiode located in the corner of the screen at the exact time of target emergence. This photodiode provides an analog signal for alignment of muscle activity and reaction times.Depending on the participant's reaching behavior, this software provides feedback as text written on the occluder during the inter-trial interval. The feedback says hit for correct interception, wrong way for incorrect direction of reach, or miss for neither correct nor incorrect responses detected during the inter-trial interval. The moving target and the starting position reappear at their respective original locations 200 milliseconds after the participant's reach behavior is completed.Start the next trial when the participant brings the RTC to the starting position. Minimize the participant's movement between each block to ensure consistency of recordings. After verbal confirmation that the participant is ready to begin the next block, initiate the next block and continue to monitor participant performance and EMG output.Stimulus-locked responses or SLRs depended on target location, with SLRs on the right pectoralis major consisting of an increase or decrease in muscle recruitment following leftward or rightward target presentation respectively. To detect SLRs, separate time series receiver operating characteristic analyses were performed on trials with earlier or later than average reaction times. This analysis indicated whether electromyography onset was invariant to stimulus or movement onset, which was determined by the slope of the line connecting early and late discrimination times plotted as a function of reaction time.Data from two subjects reaching toward a stationary object or moving target is shown here. Participant one does not exhibit an SLR in the static paradigm, but a clear SLR can be seen in the emerging target paradigm. The SLR was also apparent in the mean electromyography traces for participant one in the emerging target paradigm.While participant two exhibited an SLR in both the static and emerging target paradigms, the magnitude of the SLR was much greater in the emerging target paradigm. On average, SLR magnitude was considerably larger in the emerging target versus the static paradigm. In contrast, the latency of detected SLRs did not differ between the two paradigms.SLRs were detected in all five participants in the emerging target paradigm, but only in three participants in a paradigm with static targets. SLR magnitudes in the anti-reach condition were muted compared to that in the pro-reach condition. The paradigm could be varied to better understand the sensory, cognitive, or motor factors that influence fast visuomotor responses.Future experiments could vary target speed, alter the time behind the occluder, or require participants to choose which hand to move. We've started to use reliable responses elicited by the emerging target paradigm to study the fast visuomotor system in elderly participants and in patients with Parkinson's disease.

Research

JoVE Journal

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シナプス伝達とイメージシナプス前終末を研究するために齧歯類の脳スライスからの神経細胞のVibrodissociation

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An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. ...

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A Computerized Test Battery to Study Pharmacodynamic Effects on the Central Nervous System of Cholinergic Drugs in Early Phase Drug Development

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