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

Detta arbete stöds av en Discovery Grant till BDC från Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) och ett driftsbidrag till BDC från Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK stöddes av en Ontario Graduate Scholarship, och ALC stöddes av en NSERC CREATE bidrag. Den experimentella apparatur som beskrivs i detta manuskript stöddes av Canada Foundation for Innovation. Ytterligare stöd kom från Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Alla förfaranden godkändes av Health Science Research Ethics Board vid University of Western Ontario. Alla deltagare lämnade informerat samtycke, betalades för deras deltagande, och var fria att dra sig ur experimentet när som helst.
1. Förberedelse av deltagare
OBS: Ett litet urval av friska, unga deltagare studerades (3 kvinnliga, 2 manliga; medelålder: 26 år +/- 3,5). Alla deltagare var högerhänta och hade normala eller korrigeras till normala vision, med...

<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>

Människor har en anmärkningsvärd kapacitet, när det behövs, att generera snabba, visuellt guidade åtgärder vid latenser som närmar sig minimal afferent och efferent överledning förseningar. Vi har tidigare beskrivit stimulans-låst svar (SLRs) på den övre delen som ett nytt mått för snabba visuomotor svar6,9,10. Medan fördelaktigt i att tillhandahålla en trial-by-trial riktmärke för den första aspekten av övr...

När vi märker ett meddelande på vår mobiltelefon, uppmanas vi att utföra en visuellt guidad räckvidd för att plocka upp vår telefon och läsa meddelandet. Visuella funktioner som formen och storleken på telefonen omvandlas till motorkommandon så att vi kan lyckas nå målet. Sådana visuomotoriska omvandlingar kan studeras i laboratorieförhållanden, som tillåter en hög grad av kontroll. Det finns dock scenarier där svarstiden är viktig, t.ex. Laboratoriestudier av snabba visuomotoriska beteenden förlitar sig ofta på fördrivna målparadigm där gående rörelser modifieras i mitten av flygningen efter viss förändring i målposition (t.ex. se ref.1,2). Även om sådana online-korrigeringar kan förekomma i <150 ms3, är det svårt att fastställa den exakta tidpunkten för snabb visuomotor utgång med hjälp av kinematik ensam på grund av låg-pass filtrering egenskaper armen, och eftersom snabb visuomotor utgång ersätter en rörelse redan i mitten av flygningen. Sådana komplikationer leder till osäkerhet om de substrat som ligger bakom snabba visuomotoriska svar (se ref.4 för granskning). Vissa studier tyder på att subkortikala strukturer som den överlägsna colliculus, snarare än fronto-parietal kortikala områden, kan inleda online korrigeringar5.
Denna osäkerhet beträffande de underliggande neurala substraten kan, åtminstone delvis, bero på att det saknas en tillförlitlig biomarkör för det snabba visuomotorsystemets produktion. Nyligen har vi beskrivit ett mått på snabba visuomotor svar som kan genereras från statiska ställningar och registreras via elektromyografi (EMG). Stimulus-låst svar (SLRs) är tid låsta skurar av EMG verksamhet som föregår frivillig rörelse6,7, utvecklas konsekvent ~ 100 ms efter stimulans inset. Som namnet antyder, systemkameror framkallas av stimulans inset, kvarstår även om en eventuell rörelse hållsinne 8 eller rör sig i motsatt riktning9. Vidare systemkameror framkallas av mål förskjutning i ett dynamiskt paradigm är förknippade med kortare latens online korrigeringar10. Således systemkameror ger en objektiv åtgärd för att systematiskt studera produktionen av en snabb visuomotor system som deltar i korta latens RTs, eftersom de kan genereras från en statisk hållning och parsed från andra EMG signaler som inte har samband med den inledande fasen av den snabba visuomotor svar.
Målet med den aktuella studien är att presentera ett visuellt styrt nå paradigm som robust framkallar systemkameror. Tidigare studier som undersöker SLR har rapporterat mindre än 100% detektionsfrekvens över deltagarna, även när du använder mer invasiva intramuskulära inspelningar6,8,9. Låga upptäcktshastigheter och en tillit till invasiva inspelningar begränsar nyttan av slr-åtgärder i framtida undersökningar av det snabba visuomotoriska systemet vid sjukdom eller under hela livslängden. Medan vissa ämnen kan helt enkelt inte uttrycka systemkameror, stimuli och beteendemässiga paradigm som används tidigare kanske inte har varit idealisk för att framkalla SLR. Tidigare rapporter om systemkameror har vanligtvis använt paradigm där deltagarna genererar visuellt guidade når mot statiska, plötsligt visas mål6,9. Men en snabb visuomotor system är den mest sannolika behövs i scenarier där man måste snabbt interagera med en fallande eller flygande objekt, vilket leder en att undra om rörliga snarare än statiska stimuli kan bättre framkalla systemkameror. Därför har vi anpassat ett rörligt målparadigm som används för att studera ögonrörelser11, och kombinerat det med en pro/anti visuellt guidad nå uppgift som används för att undersöka SLR9. Jämfört med resultat från paradigm som används tidigare6,8,9, konstaterades det att systemkameror i den framväxande målparadigmet utvecklats tidigare, uppnått högre magnituder, och var vanligare över våra deltagare prov. Sammantaget främjar det framväxande målparadigmet uttrycket av snabba visuomotoriska svar till en sådan grad att objektiva EMG-åtgärder kan göras tillförlitligt med ytinspelningar, potentierande studie inom kliniska populationer och under hela livslängden. Vidare kan det framväxande målparadigmet modifieras på många olika sätt, främja mer grundliga undersökningar av de sensoriska, kognitiva och motoriska faktorer som främjar eller ändrar snabba visuomotoriska svar.

<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

För att nå mot ett sett objekt, visuell information måste omvandlas till motorkommandon. Visuell information som objektets färg, form och storlek bearbetas och integreras inom många hjärnområden, och vidarebefordras slutligen till motorperity. I vissa fall behövs en reaktion så fort som möjligt. Dessa snabba visuomotor transformationer, och deras underliggande neurologiska substrat, är dåligt förstås hos människor eftersom de har saknat en tillförlitlig biomarkör. Stimulus-låst svar (SYSTEMR) är korta latens (<100 ms) skurar av electromyographic (EMG) verksamhet som representerar den första vågen av muskel rekrytering påverkas av visuell stimulans presentation. Systemkameror ger en kvantifierbar produktion av snabba visuomotor transformationer, men systemkameror har inte konsekvent observerats i alla ämnen i tidigare studier. Här beskriver vi ett nytt, beteendemässiga paradigm featuring den plötsliga uppkomsten av ett rörligt mål under ett hinder som konsekvent väcker robusta systemkameror. Mänskliga deltagare genereras visuellt guidade når mot eller bort från det framväxande målet med hjälp av en robot manipulandum medan ytan elektroder registreras EMG verksamhet från pectoralis stora muskeln. I jämförelse med tidigare studier som undersökte systemkameror med statiska stimuli, systemkameror framkallas med detta framväxande mål paradigm var större, utvecklats tidigare, och var närvarande i alla deltagare. Reach reaktionstider (RTs) var också påskyndas i den framväxande målparadigmet. Detta paradigm ger många möjligheter till modifiering som skulle kunna tillåta systematisk studie av effekterna av olika sensoriska, kognitiva och motoriska manipulationer på snabba visuomotoriska svar. Sammantaget visar våra resultat att ett framväxande målparadigm kan konsekvent och robust framkalla aktivitet inom ett snabbt visuomotorsystem.

Stimulus låst svar (SYSTEMKAMEROR) är korta skurar av muskelaktivitet tid låst till stimulans debut som utvecklas långt innan den större volley av muskel rekrytering i samband med rörelse debut. Den tidslåst karaktär SLR produceras en "banding" av muskelaktivitet synlig på ~ 100 ms när du tittar på alla försök sorteras för reaktionstid (RT) (Figur 1a, markeras med grå lådor). Som framgår av figur 1a, systemkameror var beroende av mål plats, med...

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

Presenteras här är ett beteendemässiga paradigm som framkallar robust snabb visuomotor svar på mänskliga övre extremiteten muskler under visuellt guidade når.

En framväxande Target Paradigm för att framkalla fast Visuomotor Svar på mänskliga övre extremiteten 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

Inspelning Behavioral Svar på Reflektion i Kräftor

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

Vibrodissociation av nervceller från Slices Gnagare Brain att studera synaptisk transmission och bild Presynaptiska Terminaler

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

Korrelera beteendereaktioner på att fMRI Signaler från Human prefrontala cortex: Undersöka Kognitiva processer med hjälp av uppgiftsanalys

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

Beredning av ett Awake mus för inspelning Neural svar och injicera Spårämnen

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 skada Paradigm att undersöka centrala nervsystemet 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 Metod för inspelning Intracellulärt Spännings svar av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer och Intern på ljusstimuli<em&gt; In 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

Ett datoriserat Test batteri att studera farmakodynamiska effekter på det centrala nervsystemet av kolinerga läkemedel i tidig fas läkemedelsutveckling

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 för att testa Insulin-liknande föreningar

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 kapillärerna från färska mänsklig hjärnvävnad

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