Name: an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles
Uploaded: 2020-08-25T13:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles at JoVE.com

Dette arbeidet støttes av et Discovery Grant til BDC fra Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) og et driftsstipend til BDC fra Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK ble støttet av et Ontario Graduate Scholarship, og ALC ble støttet av et NSERC CREATE-stipend. Det eksperimentelle apparatet som er beskrevet i dette manuskriptet ble støttet av Canada Foundation for Innovation. Ytterligere støtte kom fra Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Alle prosedyrer ble godkjent av Health Science Research Ethics Board ved University of Western Ontario. Alle deltakerne ga informert samtykke, ble betalt for sin deltakelse, og var fri til å trekke seg fra eksperimentet når som helst.
1. Forberedelse til deltakere
MERK: Et lite utvalg av friske, unge deltakere ble studert (3 kvinner, 2 menn, gjennomsnittsalder: 26 år +/- 3,5). Alle deltakerne var høyrehendte og hadde normal eller korrigert til normal syn, uten nå...

<ol>
	<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>

Mennesker har en bemerkelsesverdig kapasitet, når det trengs, for å generere raske, visuelt veiledede handlinger ved latencies som nærmer seg minimale afferent og efferent ledningsforsinkelser. Vi har tidligere beskrevet stimulanslåste responser (speilreflekskameraer) på øvre lem som et nytt tiltak for raske visuomotoriske svar6,9,10. Mens gunstig i å gi en prøve-by-trial benchmark for det første aspektet av øvre lem m...

Når vi legger merke til en melding på mobiltelefonen vår, blir vi bedt om å utføre en visuelt veiledet rekkevidde for å hente telefonen vår og lese meldingen. Visuelle funksjoner som formen og størrelsen på telefonen blir forvandlet til motorkommandoer slik at vi kan nå målet. Slike visuomotoriske transformasjoner kan studeres under laboratorieforhold, noe som tillater høy grad av kontroll. Det er imidlertid scenarier der responstid er viktig, for eksempel å fange telefonen hvis den skulle falle. Laboratoriestudier av rask visuomotor atferd er ofte avhengig av fordrevne målparadigmer der pågående bevegelser endres midt i flyturen etter en viss endring i målposisjon (f.eks. se ref.1,2). Selv om slike online rettelser kan forekomme i <150 ms3, er det vanskelig å fastslå den nøyaktige tidspunktet for rask visuomotorutgang ved hjelp av kinematikk alene på grunn av armens lavpassfiltreringsegenskaper, og fordi rask visuomotorutgang erstatter en bevegelse som allerede er midt i flyturen. Slike komplikasjoner fører til usikkerhet om substrater underliggende raske visuomotoriske responser (se ref.4 for gjennomgang). Noen studier tyder på at subkortikale strukturer som den overlegne colliculus, i stedet for fronto-parietal kortikale områder, kan initiere online korreksjoner5.
Denne usikkerheten om de underliggende nevrale substrater kan skyldes, i hvert fall delvis, til mangelen på en pålitelig biomarkør for produksjonen av det raske visuomotorsystemet. Nylig har vi beskrevet et mål på raske visuomotoriske responser som kan genereres fra statiske stillinger og registreres via elektromyografi (EMG). Stimulus-låste svar (speilreflekskameraer) er tidslåste utbrudd av EMG-aktivitet som går forut for frivilligbevegelse 6,7, som utvikler seg konsekvent ~ 100 ms etter stimulansutbrudd. Som navnet tilsier, er speilreflekskameraer fremkalt av stimulans utbruddet, vedvarer selv om en eventuell bevegelse holdestilbake 8 eller beveger seg i motsattretning 9. Videre er speilreflekskameraer fremkalt av målforskyvning i et dynamisk paradigme forbundet med kortere ventetid online rettelser10. Speilreflekskameraer gir derfor et objektivt tiltak for systematisk å studere produksjonen av et raskt visuomotorisk system som er involvert i kort ventetids-RTs, da de kan genereres fra en statisk holdning og analyseres fra andre EMG-signaler som ikke er relatert til den innledende fasen av den raske visuomotoriske responsen.
Målet med den nåværende studien er å presentere et visuelt styrt paradigme som robust fremkaller speilreflekskameraer. Tidligere studier som undersøker slr har rapportert mindre enn 100% deteksjonsrater på tvers av deltakerne, selv når du bruker mer invasive intramuskulæreopptak 6,8,9. Lave deteksjonsrater og en avhengighet av invasive opptak begrenser nytten av speilreflekskamerattiltak i fremtidige undersøkelser av det raske visuomotoriske systemet i sykdom eller over hele levetiden. Mens noen kan rett og slett ikke uttrykke speilreflekskameraer, stimuli og atferdsparadigmer som brukes tidligere kan ikke ha vært ideelt for å fremkalle slR. Tidligere rapporter om speilreflekskameraer har vanligvis brukt paradigmer hvor deltakerne genererer visuelt veiledede når mot statisk, plutselig vises mål6,9. Et raskt visuomotorsystem er imidlertid det mest sannsynlige som trengs i scenarier der man raskt må samhandle med et fallende eller flygende objekt, noe som fører til at man lurer på om det å bevege seg i stedet for statiske stimuli bedre kan fremkalle speilreflekskameraer. Derfor har vi tilpasset et bevegelig målparadigme som brukes til å studere øyebevegelser11, og kombinert det med en pro / anti visuelt guidet nå oppgave som brukes til å undersøke SLR9. Sammenlignet med resultater fra paradigmer brukttidligere 6,8,9, ble det funnet at speilreflekskamerat i det nye målet paradigme utviklet seg tidligere, oppnådd høyere størrelser, og var mer utbredt på tvers av våre deltaker utvalg. Samlet sett fremmer det fremvoksende målparadigmet uttrykket for raske visuomotoriske responser i en slik grad at objektive EMG-tiltak kan gjøres pålitelig med overflateopptak, forsterkende studie innen kliniske populasjoner og over hele levetiden. Videre kan det fremvoksende målparadigmet endres på mange forskjellige måter, noe som fremmer grundigere undersøkelser av sensoriske, kognitive og motoriske faktorer som fremmer eller endrer raske visuomotoriske responser.

<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

For å nå mot et sett objekt, må visuell informasjon omdannes til motorkommandoer. Visuell informasjon som objektets farge, form og størrelse behandles og integreres i mange hjerneområder, og deretter til slutt videresendt til motor periferien. I noen tilfeller er det nødvendig med en reaksjon så fort som mulig. Disse raske visuomotoriske transformasjonene, og deres underliggende nevrologiske substrater, er dårlig forstått hos mennesker som de har manglet en pålitelig biomarkør. Stimulus-låste responser (speilreflekskameraer) er kort ventetid (<100 ms) utbrudd av elektromyografisk (EMG) aktivitet som representerer den første bølgen av muskelrekruttering påvirket av visuell stimulanspresentasjon. Speilreflekskameraer gir en kvantifiserbar effekt av raske visuomotoriske transformasjoner, men speilreflekskameraer har ikke blitt konsekvent observert hos alle forsøkspersoner i tidligere studier. Her beskriver vi et nytt atferdsparadigme med den plutselige fremveksten av et bevegelig mål under et hinder som konsekvent fremkaller robuste speilreflekskameraer. Menneskelige deltakere generert visuelt veiledet når mot eller bort fra det nye målet ved hjelp av en robotmanipulandum mens overflateelektroder registrerte EMG-aktivitet fra pectoralis store muskler. Sammenlignet med tidligere studier som undersøkte speilreflekskameraer ved hjelp av statiske stimuli, fremkalte speilreflekskameraene med dette fremvoksende målparadigmet større, utviklet seg tidligere og var tilstede hos alle deltakerne. Reach reaksjonstider (RTs) ble også fremskyndet i det fremvoksende målparadigmet. Dette paradigmet gir mange muligheter for modifikasjon som kan tillate systematisk studie av virkningen av ulike sensoriske, kognitive og motoriske manipulasjoner på raske visuomotoriske responser. Samlet sett viser våre resultater at et fremvoksende målparadigme er i stand til konsekvent og robust fremkallende aktivitet innenfor et raskt visuomotorisk system.

Stimulus låste svar (SlRs) er korte utbrudd av muskelaktivitet tid låst til stimulans utbruddet som utvikler seg i god tid før større volley av muskel rekruttering forbundet med bevegelse utbruddet. Den tidslåste naturen til slr produserten en "banding" av muskelaktivitet synlig på ~ 100 ms når du ser alle forsøk sortert for reaksjonstid (RT) (Figur 1a, uthevet av grå bokser). Som vist i figur 1avar speilreflekskameraer avhengig av målplassering, med s...

Watch this Scientific Journal Video about An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles at JoVE.com

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

Presentert her er et atferdsparadigme som fremkaller robuste raske visuomotoriske responser på menneskelige øvre lem muskler under visuelt guidede når.

En emerging target paradigme å fremkalle rask visuomotoriske svar på menneskelige øvre lem muskler

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, ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Recording Behavioral Responses to Reflection in Crayfish

Social behavior depends on sensory input from the visual, mechanical and olfactory systems.  One important issue concerns the relative roles of each ...

Vibrodissociation of Neurons from Rodent Brain Slices to Study Synaptic Transmission and Image Presynaptic Terminals

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of ...

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

Samkjøre Behavioral Responses til fMRI Signaler fra Menneskelig prefrontal cortex: Undersøke kognitive prosesser Bruke Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar ...

Preparation of an Awake Mouse for Recording Neural Responses and Injecting Tracers

Utarbeidelse av en våken Mouse for opptak Neural Responses og injisere Sporingsstoffer

It is well known that anesthesia alters neural response properties in various regions of the brain.13.  In the auditory system, fundamental response ...

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

En skade Paradigm for å etterforske Central Nervous System Repair i<em&gt; Drosophila</em

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

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Elektro Metode for opptak Intracellulær spenningsreaksjoner av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreseptorer og interneurons til lys stimuli<em&gt; I Vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

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

En datastyrt testbatteri å studere Farmakodynamiske effekter på sentralnervesystemet Cholinergic stoffer i tidlig fase utviklingen

Investigating potential pharmacodynamic effects in an early phase of central nervous system (CNS) drug research can provide valuable information for ...

An In Ovo Model for Testing Insulin-mimetic Compounds

An In Ovo Model for Testing Insulin-mimetic Compounds

En i Ovo modell for Testing Insulin-mimetic forbindelser

Elevated blood glucose levels in type 2 diabetes mellitus (T2DM), a complex and multifactorial metabolic disease, are caused by insulin resistance and ...

Isolation of Cerebral Capillaries from Fresh Human Brain Tissue

Isolering av Cerebral kapillærer fra friske menneskelige hjernevev

Understanding blood-brain barrier function under physiological and pathophysiological conditions is critical for the development of new therapeutic ...