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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Este trabalho é apoiado por uma Bolsa discovery para BDC do Conselho de Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC; RGPIN 311680) e bolsa operacional para BDC dos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (CIHR; MOP-93796). A RAK foi apoiada por uma bolsa de pós-graduação em Ontário, e a ALC foi apoiada por uma bolsa NSERC CREATE. O aparelho experimental descrito neste manuscrito foi apoiado pela Fundação Canadá para a Inovação. O apoio adicional veio do Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Todos os procedimentos foram aprovados pelo Conselho de Ética em Pesquisa em Ciência da Saúde da Universidade de Ontário Ocidental. Todos os participantes forneceram consentimento informado, foram pagos por sua participação e foram livres para se retirarem do experimento a qualquer momento.
1. Preparação do participante
NOTA: Foi estudada uma pequena amostra de participantes jovens e saudáveis (3 do sexo feminino, 2 do sexo masculino; média etária: 26 anos ...

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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>

Os seres humanos têm uma capacidade notável, quando necessário, de gerar ações rápidas e visualmente guiadas em latências que se aproximam de atrasos mínimos de condução diferentes e diferentes. Descrevemos anteriormente as respostas bloqueadas por estímulo (SLRs) no membro superior como uma nova medida para respostas rápidas de visuomotor6,9,10. Embora benéfico em fornecer um benchmark trial-by-trial para o primeir...

Quando notamos uma mensagem em nosso celular, somos solicitados a realizar um alcance visualmente guiado para pegar nosso telefone e ler a mensagem. Características visuais como a forma e o tamanho do telefone são transformados em comandos motores, permitindo-nos alcançar com sucesso o objetivo. Tais transformações visuomotor podem ser estudadas em condições laboratoriais, que permitem um alto grau de controle. No entanto, há cenários em que o tempo de resposta é importante, por exemplo, pegar o telefone se ele cair. Estudos laboratoriais de comportamentos rápidos de visuomotor muitas vezes dependem de paradigmas de alvo deslocados onde os movimentos em andamento são modificados no meio do voo após alguma mudança na posição alvo (por exemplo, ver ref.1,2). Embora tais correções on-line possam ocorrer em <150 ms3, é difícil determinar o tempo exato da saída rápida do visuomotor usando apenas cinemática devido às características de filtragem de baixo passe do braço, e porque a saída rápida do visuomotor substitui um movimento já no meio do voo. Tais complicações levam à incerteza sobre os substratos subjacentes às respostas rápidas do visuomotor (ver ref.4 para revisão). Alguns estudos sugerem que estruturas subcorticais como o coloiculus superior, em vez de áreas cortical fronto-parietal, podem iniciar correções on-line5.
Essa incerteza em relação aos substratos neurais subjacentes pode ser devido, pelo menos em parte, à falta de um biomarcador confiável para a saída do sistema visuomotor rápido. Recentemente, descrevemos uma medida de respostas rápidas de visuomotor que podem ser geradas a partir de posturas estáticas e registradas via eletromografia (EMG). As respostas bloqueadas por estímulo (SLRs) são rajadas de tempo travadas da atividade EMG que precedem o movimento voluntário6,7, evoluindo consistentemente ~100 ms após o início do estímulo. Como o nome indica, as SLRs são evocadas pelo início do estímulo, persistindo mesmo que um eventual movimento seja retido8 ou se mova na direção oposta9. Além disso, os SLRs evocados pelo deslocamento de destino em um paradigma dinâmico estão associados a correções on-line de latência mais curtas10. Assim, os SLRs fornecem uma medida objetiva para estudar sistematicamente a saída de um sistema visuomotor rápido envolvido em RTs de latência curta, pois eles podem ser gerados a partir de uma postura estática e analisados a partir de outros sinais EMG não relacionados à fase inicial da resposta rápida do visuomotor.
O objetivo do presente estudo é apresentar um paradigma de alcance visualmente guiado que provoque robustamente as SLRs. Estudos anteriores que investigam o SLR relataram menos de 100% de taxas de detecção entre os participantes, mesmo quando se utilizava gravações intramusculares mais invasivas6,8,9. Baixas taxas de detecção e dependência de gravações invasivas limitam a utilidade das medidas de SLR em investigações futuras sobre o sistema de visuomotor rápido em doenças ou em toda a vida útil. Embora alguns sujeitos possam simplesmente não expressar SLRs, os estímulos e paradigmas comportamentais usados anteriormente podem não ter sido ideais para evocar o SLR. Relatórios anteriores de SLRs têm normalmente usado paradigmas em que os participantes geram alcances visualmente guiados em direção à estática, aparecendo repentinamente as metas6,9. No entanto, um sistema visuomotor rápido é o mais provável em cenários onde é preciso interagir rapidamente com um objeto em queda ou voador, levando-se a se perguntar se mover-se em vez de estímulos estáticos pode evocar melhor SLRs. Portanto, adaptamos um paradigma de alvo móvel usado para estudar os movimentos oculares11, e combinamos com uma tarefa de alcance pró/anti visualmente guiada usada para examinar o SLR9. Quando comparados aos resultados de paradigmas utilizados anteriormente6,8,9, verificou-se que as SLRs no paradigma alvo emergente evoluíram mais cedo, atingiram magnitudes mais elevadas e foram mais prevalentes em nossa amostra participante. Em geral, o paradigma alvo emergente promove a expressão de respostas rápidas de visuomotor a tal ponto que medidas objetivas de EMG podem ser feitas de forma confiável com registros superficiais, potencializando o estudo dentro das populações clínicas e em toda a vida útil. Além disso, o paradigma de alvo emergente pode ser modificado de muitas maneiras diferentes, promovendo investigações mais aprofundadas sobre os fatores sensoriais, cognitivos e motores que promovem ou modificam respostas rápidas do visuomotor.

<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

Para alcançar um objeto visto, a informação visual precisa ser transformada em comandos motores. Informações visuais como a cor, forma e tamanho do objeto são processadas e integradas em inúmeras áreas cerebrais, em última análise retransmitidas para a periferia motora. Em alguns casos, uma reação é necessária o mais rápido possível. Essas transformações rápidas de visuomotor, e seus substratos neurológicos subjacentes, são mal compreendidas em humanos, pois não têm um biomarcador confiável. As respostas bloqueadas por estímulo (SLRs) são rajadas de latência curtas (<100 ms) de atividade eletromiográfica (EMG), representando a primeira onda de recrutamento muscular influenciada pela apresentação de estímulo visual. Os SLRs fornecem uma saída quantificável de transformações rápidas de visuomotor, mas as SLRs não têm sido consistentemente observadas em todos os sujeitos em estudos anteriores. Aqui descrevemos um novo paradigma comportamental com o surgimento repentino de um alvo em movimento abaixo de um obstáculo que evoca consistentemente SLRs robustos. Os participantes humanos gerados visualmente guiados alcançam alcances visualmente guiados em direção ou longe do alvo emergente usando um manipulador robótico enquanto eletrodos superficiais registravam a atividade EMG do músculo principal peitoral. Em comparação com estudos anteriores que investigaram as SLRs utilizando estímulos estáticos, as SLRs evocadas com esse paradigma alvo emergente foram maiores, evoluíram anteriormente e estiveram presentes em todos os participantes. Os tempos de reação de alcance (RTs) também foram acelerados no paradigma alvo emergente. Esse paradigma oferece inúmeras oportunidades de modificação que poderiam permitir um estudo sistemático do impacto de várias manipulações sensoriais, cognitivas e motoras em respostas rápidas de visuomotor. No geral, nossos resultados demonstram que um paradigma alvo emergente é capaz de evocar de forma consistente e robusta a atividade dentro de um sistema visuomotor rápido.

As respostas bloqueadas de estímulo (SLRs) são breves rajadas de tempo de atividade muscular travadas ao início do estímulo que evolui bem antes da maior onda de recrutamento muscular associada ao início do movimento. A natureza bloqueada do tempo do SLR produziu uma "banda" de atividade muscular visível a ~100 ms ao visualizar todos os ensaios classificados para o tempo de reação (RT) (Figura 1a, destacado por caixas cinza). Como mostrado na Figura 1a,a...

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

Apresentado aqui é um paradigma comportamental que provoca respostas robustas e rápidas de visuomotor nos músculos dos membros superiores humanos durante alcances visualmente guiados.

Um paradigma de alvo emergente para evocar respostas rápidas do visuomotor sobre músculos dos membros superiores humanos

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, ...

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JoVE Journal

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