文摘

技术动作的神经机制,如到达,一直被视为不同的节奏运动等运动。一般认为熟练动作有意识地由大脑控制,而有节奏的运动通常是自主控制脊髓和脑干。最近几十年然而,几项研究表明,神经网络在脊髓也可能参与了一代的熟练的动作。此外,最近的一项研究显示,运动皮层神经活动表现出有节奏的振荡运动频率对应在达到动作有节奏的运动。然而,是否振荡生成在脊髓或大脑皮层运动皮层使振荡电路是不清楚。如果脊髓参与熟练的动作,那么类似的有节奏的振荡时间延迟应该在宏观的神经活动。我们测量整个大脑梅格信号在到达。梅格信号使用动态分析方法进行了分析。我们发现有节奏的振荡与时间延迟达到运动期间发生在所有科目。结果表明,皮质脊髓的系统参与的生成和控制技术动作有节奏的运动。

1。介绍

技术动作的神经机制被认为是不同的有节奏的运动(1]。熟练的动作,如达到和把握,非周期的,有意识地由大脑控制,而有节奏的运动,如运动是重复和刻板的。尽管有节奏的动作可以主动控制,这些活动通常由脊髓和脑干自主控制。中枢模式发生器(CPG)在脊髓产生周期性振荡模式(1,2]。中央人民政府被认为是与控制相关的节律运动(3- - - - - -5]。

然而,有人建议,不仅皮质电路还脊髓中的神经网络可能参与熟练运动(6- - - - - -12]。此外,Rokni和Sompolinsky证明可以生成各种自然运动的简单的线性求和振荡元件(13]。当考虑傅里叶理论,它是合理的假设所有的复杂信号可以用线性近似正弦和余弦信号的求和(14]。生成的各种运动的建议也从简单的组件对应于动态系统的角度来看,表明大多数运动皮层的神经活动将内部流程驱动所需的运动(15]。最近的一项研究报告的一个重要现象。神经动力学分析的基础上,这项研究表明,有节奏的振荡运动对应频率也发生在熟练达到运动(16]随着有节奏的运动16- - - - - -19]。这意味着通过CPG可以生成不同熟练的动作,类似于有节奏的运动的神经机制。

然而,在之前的研究中,一个很小的运动区在一个猴子测量在微观水平。因此,是否有节奏的振荡生成CPG或皮质运动皮层使振荡电路是不清楚。此外,相对应的有节奏的振荡运动的发生频率在人类尚未得到证实。

各种通路连接大脑皮层和脊髓。直接corticomotoneuronal (CM)通路连接运动皮层和脊髓运动神经元。间接通路可能连接其他感觉运动皮层,如运动前区(PM)、补充(SMA),扣带(CMA),和初级躯体感觉(S1)地区,脊髓(20.]。因此,如果有节奏的振荡发生的脊髓和交付给广大motor-related皮层,类似的有节奏的振荡时间延迟神经活动应该在宏观(数字3(一)和3(b))。在这里,我们研究是否相似的节奏与时间延迟振荡表现出宏观的神经活动期间达到人类的动作。梅格调查神经活动,我们测量整个大脑信号在到达运动。我们使用的分析方法,分析梅格信号j主成分分析(jPCA), j意味着一个虚部在一个复杂的共轭。该方法揭示了神经活动的动力学特征(16]。如果有类似的振荡模式与时间延迟,振荡的预测到日本生产力中心飞机将旋转。因此,我们可以很容易地调查是否类似的有节奏的振荡发生通过检查预测。此外,结果将显示是否有节奏的振荡发生的脊髓。

2。材料和方法

2.1。实验和数据采集

9名健康受试者(年龄:19-37年;5个男人和四个女人)参加了实验。所有受试者右手(爱丁堡偏手性库存分数高于80)。306 -通道满头梅格系统(VectorView™芬兰赫尔辛基,Elekta Neuromag Oy)是用来测量神经活动期间达到运动(图1(一))。梅格系统有306个传感器分为三胞胎2平面梯度仪和1组成的磁强计分布在全球102个地区。记录的手臂位置,一个三轴加速度计(美国纽约KXM52, Kionix)附加到右手的食指使用尼龙搭扣带。梅格的加速度计信号同时记录信号。梅格和加速度计信号的采样频率为600.615赫兹。实验通过首尔国立大学医院的机构审查委员会(IRB编号1105-095-363)。受试者被要求执行一个星系中心达到任务根据立体图像在屏幕上。尽量减少运动工件,缓冲下放置对象的手肘在实验。

在实验的开始,一个球体中心的屏幕上显示为4 s用棍子和一个目标球连接到中心领域提出了1 s的一个角落里。目标领域出现随机的四个角落(左下侧,左上角,右上角和右下角)。在此期间,受试者被要求改变他们的食指从中心到目标并返回到中心根据连接线通过移动他们的右胳膊尽可能快(图1 (b))。这个序列中重复实验。对于每一个主题,每个方向60试验测定。从中心到目标的距离~ 20厘米。因为我们使用立体图像来表示目标,距离的测量是不准确的。从中心到目标的距离,所有科目都是相同的。因为目标的方向是随机的,我们没有考虑习惯化的intertrial间隔的变化影响。虽然反应时间略有不同(见部分3),没有奇怪的审判。进一步的细节在别处也有描述(21,22]。

2.2。信号预处理

梅格设备测量磁场的变化。因此,受到外部信号,如线路噪声,和生物的工件,如心脏和肌肉活动。梅格减少噪音信号,时空信号空间分离(tss)方法应用(23]。大脑的tss分离外部干扰信号通过时空的方法,消除了干扰。所有数据处理进行了使用MATLAB 2008 b(美国马Mathworks,纳蒂克)。我们使用204梯度仪信号数据分析的306个频道,因为梯度仪和磁强计传感器的特点和不同信噪比(信噪比)的梯度仪比磁力计(24]。梅格信号的带通滤波0.5和8赫兹之间。过滤乐队是由时频分析基于我们之前的研究(21]。梅格信号的频带代表达到运动的特点(21]。最小化工件,应用独立分量分析(ICA),实现在EEGLAB [25]。构件(如小城镇被通过消除工件组件。信号从−1 - 2 s分段后,提示发病。分割后,梅格信号被试验平均。梅格平均信号downsampled 50赫兹。jPCA是应用于预处理信号。分析的过程是在下一节中解释说,在图2。

2.3。动力分析jPCA

神经网络在大脑中由数十亿的神经元。尽管一些运动皮层神经元的活动将反映运动参数,大多数神经活动将是一个内部过程生成运动命令(15]。因此,分析信号是困难,因为神经活动的模式是不同的和复杂的。探讨神经过程,提出了动态分析方法,jPCA, (16]。jPCA描述电流之间的动态关系和随后的神经活动在一个低维平面。它代表着活力与旋转根据时间流的关系。如果有一致的相位差异之间的神经活动,预测日本生产力中心飞机将旋转;然而,如果没有一致的变化,将无意义的小运动。此外,如果相位差值的符号变化,预测将在相反的方向旋转。这揭示了变化之间的动态关系当前和随后的神经活动。jPCA是一个直观的方法,分析了动态特性的神经活动。jPCA发现神经的飞机和项目数据到飞机上。预计神经数据代表的旋转结构数据。

当前和未来的神经活动之间的关系可以表示如下: 在哪里是一个矩阵的大小描述了神经活动。中描述的梅格预处理信号部分2。2应用于jPCA吗。梅格通道的数量()。是条件(的数量),是时间点的数量()。是一个的导数和代表了神经活动和它的导数之间的关系。

jPCA适用传统的主成分分析(PCA),以减少维数的从来()。将表示为减少神经活动。方程(1)可以表示如下: 可以通过线性回归计算。是一个对称变换和斜变换。可分为如下: 在哪里和被定义为和。

方程(2)可以表示如下:

因为虚构的特征值,它捕获的旋转动态神经活动。表达复杂的特征向量和的一个真正的飞机上,日本生产力中心可以被定义为和。

在日本生产力中心投影可以计算的。提供进一步的细节在16]。

我们的研究结果显示,预测在每个jPC(图3(d))或jPC的二维空间₁和jPC₂(图4)。

3所示。结果

图3显示了一个简单的节奏振荡模型,画了一个圈从jPCA jPC飞机和结果。上画一个圆jPC飞机如图3(c), jPC的有节奏的振荡₁和jPC₂应该有一个类似的模式。此外,振荡的时差应该是一致的,在图3(b)图3(d)说明了jPCs和加速度计信号的平方均方根(RMS)。预测jPC飞机也显示0,100,200,300,400,500 ms在图3(e),不同的颜色代表不同方向的运动的信号。0女士表示刺激起始时间。平均运动开始了女士(均值±标准差)从刺激开始。相比之下,开始有节奏的摆动ms。我们比较发病时间运动和节奏使用成对的振荡t以及。发作明显不同(动作和节奏之间的振荡。视觉刺激的演讲后,有节奏的振荡jPCs发生之前的手臂动作,如图3(d)。预测jPC飞机显示清晰的结果。在运动开始之前,预测神经振荡的旋转。

图4显示了每一个主题的预测jPC飞机从100−300毫秒后的视觉刺激。时间对应于运动所花费的时间准备。振荡的投影旋转方向相同(逆时针)所有条件(达到不同方向)为所有科目。为不同条件下旋转方向相同,jPC之间的关系₁和jPC₂应该不变不管运动的方向。

表1显示了jPCA的总结。第二行描述了数据方差被jPC平面。数据的均值方差。第三行是适合提供的质量在前两个jPCs。符合质量的均值从两个jPCs。

4所示。讨论

在这项研究中,我们证明了有节奏的运动和熟练运动的神经机制是相似的。我们显示,皮质脊髓的系统涉及的技术动作的宏观神经数据的动态分析。尽管结果不同意之前的知识,它支持的建议在最近的研究脊髓介导技术动作(6- - - - - -12]。

4.1。熟练的运动的神经机制

目前尚不清楚的节奏在脊髓或产生振荡运动皮层。我们假设如果有节奏的振荡由皮质脊髓的派生系统,振荡与类似的模式和一致的时间延迟神经活动应该在宏观(数字3(一)和3(b))。梅格调查这一假设,我们测量和分析信号在到达人类的动作。结果表明,预测日本生产力中心飞机旋转在所有科目(图4)。这意味着神经活动的主要组件有一个类似的模式和一致的时间延迟。因此,这意味着生成的可能性,熟练运动皮质脊髓的系统。此外,振动旋转方向相同的投影为所有条件。这表明,相同的神经动力学接触运动,无论到达方向。

我们的角度对应于一个共同的内在结构的建议控制达到运动(16,26]。当我们考虑到大脑皮层也有助于控制节奏的运动(7,27),有节奏的运动和熟练运动的神经机制是相似的。

尽管许多研究CPG的动物,几乎所有的研究在人类使用间接的结果(28]。我们还没有直接测量脊髓活动。因此,我们应该谨慎的在解释研究结果时还是劝告。然而,我们的研究结果提供的证据表明,皮质脊髓的系统参与技能的运动,如有节奏的运动。

4.2。代神经振荡参与运动

迭代的下行运动命令和提升感觉反馈可能是由节奏模式。因此,有节奏的振荡可以考虑产品所产生的感觉反馈,如运动学参数或视觉反馈(28- - - - - -32]。然而,我们的研究结果表明,节奏发生振荡运动开始之前(数字3(d),3(e)4)。因为感觉反馈无法生成前的振荡运动,这意味着还有另一个生成有节奏的振荡机制。有人建议,在脊髓神经网络也可能参与熟练的动作。我们假设如果有节奏的振荡是由CPG,交付给广泛motor-related区域通过直接和间接途径,相似的时间延迟将观察到的宏观层面。我们使用动态分析方法验证了我们的假设。因此,我们的研究结果表明,脊髓可能参与运动的一代。

当一个主题是意识到目标位置的运动规划任务,达到目标所需的反应时间后会提示是关于240 ms (33]。因为视觉处理需要不到150毫秒(34),和execution-related时间将大约90毫秒。在我们的实验中,运动起始时间(316毫秒)可能包括视觉处理的时间、运动规划和执行。因此,316毫秒之间的区别(76毫秒)和240 ms与汽车的计划。因此,166毫秒(76 + 90 ms)可能需要运动规划和执行。有节奏的振荡发生183 ms (316−133 ms)运动发生之前,这表明有节奏的振荡运动相关的一代。

5。结论

我们表明,神经振荡发生在人类在宏观层面上熟练的动作。看来,一个共同的内在结构产生振动,无论运动方向。内在结构不仅参与运动执行也是运动的一代。脊髓的神经振荡可以生成和振动可能会影响运动的皮质脊髓的交互。这意味着熟练运动的神经机制可能是类似于有节奏的运动。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究支持格兰特(NRCTR-EX15002)转化研究中心的康复机器人,韩国国家康复中心、韩国卫生和福利部。