Effects of displacement and trajectory length on the variability pattern of reaching movements

The design of the present study enabled the authors to distinguish between the possible effects of movement displacement and trajectory length on the pattern of final positions of planar reaching movements. With their eyes closed, 9 subjects performed series of fast and accurate movements from different initial positions to the same target. For some series, the movements were unconstrained and were therefore performed along an approximately straight vertical line. For other series, an obstacle was positioned so that trajectory length was increased because of an increase in movement curvature. Ellipses of variability obtained by means of principal component analysis applied to the scatter of movement final positions enabled the authors to assess the pattern of movement variable errors. The results showed that the orientation of the ellipses was not affected by movement displacement or by trajectory length, whereas variable errors increased with move ment displacement. An increase in trajectory length as a consequence of increased curvature caused no change in variable error. From the perspective of current motor control theory, that finding was quite unexpected. Further studies are required so that one can distinguish among the possible effects of various kinematics, kinetics, and other variables that could affect the pattern of variable errors of reaching movements.

Evidence for a reference frame transformation of vestibular contributions to voluntary reaching movements

Les estimations des mouvements de soi provenant des signaux vestibulaires contribuent à la planification et l’exécution des mouvements volontaires du bras lorsque le corps se déplace. Cependant, comme les senseurs vestibulaires sont fixés à la tête alors que le bras est fixé au corps, les signaux vestibulaires doivent être transformés d’un système de référence centré sur la tête à un système centré sur le corps pour pouvoir contribuer de façon appropriée au contrôle moteur du bras. Le but premier de ce travail était d’étudier l’évidence d’une telle transformation. La stimulation galvanique vestibulaire (SGV) a été utilisée pour activer les afférences vestibulaires et simuler une rotation autour d’un axe naso-occipital fixe pendant que des sujets humains faisaient des mouvements du bras dans le plan horizontal, avec la tête dans différentes orientations. Une transformation des signaux vestibulaires implique que la SVG devrait simuler une rotation autour d’un axe horizontal lorsque la tête est droite et autour d’un axe vertical lorsque la tête est en flexion antérieure. La SGV devrait ainsi perturber les mouvements du bras en fonction de l’orientation de la tête. Nos résultats démontrent que les signaux vestibulaires contribuant aux mouvements d’atteinte sont effectivement transformés en un système de référence centrée sur le corps. Le deuxième but de ce travail était d’explorer les mécanismes utilisant ces signaux vestibulaires transformés. En comparant les effets de la SGV appliquée avant ou pendant les mouvements d’atteinte nous avons montré que les signaux vestibulaires transformés contribuent à des mécanismes de compensation distincts durant la planification des mouvements d’atteinte comparativement à l’exécution.

Effects of direction and curvature on variable error pattern of reaching movements

A number of studies have analyzed various indices of the final position variability in order to provide insight into different levels of neuromotor processing during reaching movements. Yet the possible effects of movement kinematics on variability have often been neglected. The present study was designed to test the effects of movement direction and curvature on the pattern of movement variable errors. Subjects performed series of reaching movements over the same distance and into the same target. However, due either to changes in starting position or to applied obstacles, the movements were performed in different directions or along the trajectories of different curvatures. The pattern of movement variable errors was assessed by means of the principal component analysis applied on the 2-D scatter of movement final positions. The orientation of these ellipses demonstrated changes associated with changes in both movement direction and curvature. However, neither movement direction nor movement curvature affected movement variable errors assessed by area of the ellipses. Therefore it was concluded that the end-point variability depends partly, but not exclusively, on movement kinematics.

Contribution of Vision and Proprioception to the Precision of Reaching Movements

Ren and colleagues (2006) found that saccades to visual targets became less accurate when somatosensory information about hand location was added, suggesting that saccades rely mainly on vision. We conducted two kinematic experiments to examine whether or not reaching movements would also show such strong reliance on vision. In Experiment 1, subjects used their dominant right hand to perform reaches, with or without a delay, to an external visual target or to their own left fingertip positioned either by the experimenter or by the participant. Unlike saccades, reaches became more accurate and precise when proprioceptive information was available. In Experiment 2, subjects reached toward external or bodily targets with differing amounts of visual information. Proprioception improved performance only when vision was limited. Our results indicate that reaching movements, unlike saccades, are improved rather than impaired by the addition of somatosensory information.

Hitting a moving target: Perception and action in the timing of rapid interceptions

Different interceptive tasks and modes of interception (hitting or capturing) do not necessarily involve similar control processes. Control based on preprogramming of movement parameters is possible for actions with brief movement times but is now widely rejected; continuous perceptuomotor control models are preferred for all types of interception. The rejection of preprogrammed control and acceptance of continuous control is evaluated for the timing of rapidly executed, manual hitting actions. It is shown that a preprogrammed control model is capable of providing a convincing account of observed behavior patterns that avoids many of the arguments that have been raised against it. Prominent continuous perceptual control models are analyzed within a common framework and are shown to be interpretable as feedback control strategies. Although these models can explain observations of on-line adjustments to movement, they offer only post hoc explanations for observed behavior patterns in hitting tasks and are not directly supported by data. It is proposed that rapid manual hitting tasks make up a class of interceptions for which a preprogrammed strategy is adopted-a strategy that minimizes the role of visual feedback. Such a strategy is effective when the task demands a high degree of temporal accuracy.

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Coding of reaching in 3-D space

Many psychophysical studies suggest that target depth and direction during reaches are processed independently, but the neurophysiological support to this view is so far limited. Here, we investigated the representation of reach depth and direction by single neurons in an area of the medial posterior parietal cortex (V6A). Single-unit activity was recorded from V6A in two Macaca fascicularis monkeys performing a fixation-to-reach task to targets at different depths and directions. We found that in a substantial percentage of V6A neurons depth and direction signals jointly influenced fixation, planning and arm movement-related activity in 3D space. While target depth and direction were equally encoded during fixation, depth tuning became stronger during arm movement planning, execution and target holding. The spatial tuning of fixation activity was often maintained across epochs, and this occurred more frequently in depth. These findings support for the first time the existence of a common neural substrate for the encoding of target depth and direction during reaching movements in the posterior parietal cortex. Present results also highlight the presence in V6A of several types of cells that process independently or jointly eye position and arm movement planning and execution signals in order to control reaches in 3D space. It is possible that depth and direction influence also the metrics of the reach action and that this effect on the reach kinematic variables can account for the spatial tuning we found in V6A neural activity. For this reason, we recorded and analyzed behavioral data when one monkey performed reaching movements in 3-D space. We evaluated how the target spatial position, in particular target depth and target direction, affected the kinematic parameters and trajectories describing the motor action properties.

Neurogeometry of reaching

The purpose of the thesis is to develop a model for the functional behaviour of neurons in the primary motor cortex (M1) responsible for arm reaching movements. From Georgopoulos neurophysiological data, we provide a first bundle structure compatible with the hypercolumnar organization and with the position-direction selectivity of motor cortical cells. We then extend this model to encode the direction of arm movement which varies in time, as experimentally measured by Hatsopoulos by introducing the notion of movement fragments. We provide a sub-Riemannian model which describes the time-dependent directional selectivity of cells though integral curves of the geometric structure we set up. The sub-Riemannian distance we define allows to implement a grouping algorithm able to detect a set of hand motor trajectories. These paths, identified by using a kernel defined in terms of kinematic variables, are compatible with the motor primitives obtained from neurophysiological results by spectral analysis applied directly on cortical variables. In a second part of the work, we propose geodesics in this space as an alternative model of models for arm movement trajectories. We define a special class of curves, called admissible, on which to study the geodesics problem: we provide a connectivity property in terms of admissible paths and the existence of normal length minimizers. Admissible geodesics are used as a model of reaching paths, finding a first validation through Flash and Hogan minimizing trajectories.

A dynamic view of hepatitis C virus replication complexes.

Hepatitis C virus (HCV) replicates its genome in a membrane-associated replication complex (RC). Specific membrane alterations, designated membranous webs, represent predominant sites of HCV RNA replication. The principles governing HCV RC and membranous web formation are poorly understood. Here, we used replicons harboring a green fluorescent protein (GFP) insertion in nonstructural protein 5A (NS5A) to study HCV RCs in live cells. Two distinct patterns of NS5A-GFP were observed. (i) Large structures, representing membranous webs, showed restricted motility, were stable over many hours, were partitioned among daughter cells during cell division, and displayed a static internal architecture without detectable exchange of NS5A-GFP. (ii) In contrast, small structures, presumably representing small RCs, showed fast, saltatory movements over long distances. Both populations were associated with endoplasmic reticulum (ER) tubules, but only small RCs showed ER-independent, microtubule (MT)-dependent transport. We suggest that this MT-dependent transport sustains two distinct RC populations, which are both required during the HCV life cycle.

Prospective motion correction of 3D echo-planar imaging data for functional MRI using optical tracking.

We evaluated the performance of an optical camera based prospective motion correction (PMC) system in improving the quality of 3D echo-planar imaging functional MRI data. An optical camera and external marker were used to dynamically track the head movement of subjects during fMRI scanning. PMC was performed by using the motion information to dynamically update the sequence's RF excitation and gradient waveforms such that the field-of-view was realigned to match the subject's head movement. Task-free fMRI experiments on five healthy volunteers followed a 2×2×3 factorial design with the following factors: PMC on or off; 3.0mm or 1.5mm isotropic resolution; and no, slow, or fast head movements. Visual and motor fMRI experiments were additionally performed on one of the volunteers at 1.5mm resolution comparing PMC on vs PMC off for no and slow head movements. Metrics were developed to quantify the amount of motion as it occurred relative to k-space data acquisition. The motion quantification metric collapsed the very rich camera tracking data into one scalar value for each image volume that was strongly predictive of motion-induced artifacts. The PMC system did not introduce extraneous artifacts for the no motion conditions and improved the time series temporal signal-to-noise by 30% to 40% for all combinations of low/high resolution and slow/fast head movement relative to the standard acquisition with no prospective correction. The numbers of activated voxels (p<0.001, uncorrected) in both task-based experiments were comparable for the no motion cases and increased by 78% and 330%, respectively, for PMC on versus PMC off in the slow motion cases. The PMC system is a robust solution to decrease the motion sensitivity of multi-shot 3D EPI sequences and thereby overcome one of the main roadblocks to their widespread use in fMRI studies.

Microstructure of the superior longitudinal fasciculus predicts stimulation-induced interference with on-line motor control.

A cortical visuomotor network, comprising the medial intraparietal sulcus (mIPS) and the dorsal premotor area (PMd), encodes the sensorimotor transformations required for the on-line control of reaching movements. How information is transmitted between these two regions and which pathways are involved, are less clear. Here, we use a multimodal approach combining repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and diffusion tensor imaging (DTI) to investigate whether structural connectivity in the 'reaching' circuit is associated to variations in the ability to control and update a movement. We induced a transient disruption of the neural processes underlying on-line motor adjustments by applying 1Hz rTMS over the mIPS. After the stimulation protocol, participants globally showed a reduction of the number of corrective trajectories during a reaching task that included unexpected visual perturbations. A voxel-based analysis revealed that participants exhibiting higher fractional anisotropy (FA) in the second branch of the superior longitudinal fasciculus (SLF II) suffered less rTMS-induced behavioral impact. These results indicate that the microstructural features of the white matter bundles within the parieto-frontal 'reaching' circuit play a prominent role when action reprogramming is interfered. Moreover, our study suggests that the structural alignment and cohesion of the white matter tracts might be used as a predictor to characterize the extent of motor impairments.

Time course of error detection and correction in humans: neurophysiological evidence.

Using event-related brain potentials, the time course of error detection and correction was studied in healthy human subjects. A feedforward model of error correction was used to predict the timing properties of the error and corrective movements. Analysis of the multichannel recordings focused on (1) the error-related negativity (ERN) seen immediately after errors in response- and stimulus-locked averages and (2) on the lateralized readiness potential (LRP) reflecting motor preparation. Comparison of the onset and time course of the ERN and LRP components showed that the signs of corrective activity preceded the ERN. Thus, error correction was implemented before or at least in parallel with the appearance of the ERN component. Also, the amplitude of the ERN component was increased for errors, followed by fast corrective movements. The results are compatible with recent views considering the ERN component as the output of an evaluative system engaged in monitoring motor conflict.

Interesterificação química de óleo de soja e óleo de soja totalmente hidrogenado: influência do tempo de reação

Chemical interesterification is an important alternative to produce zero trans fats. In practice, however, excessive reaction times are used to ensure complete randomization. This work evaluated the influence of the reaction time on the interesterification of soybean oil/fully hydrogenated soybean oil blend, carried out in the following conditions: 100 ºC, 500 rpm stirring speed, 0.4% (w/w) sodium methoxide catalyst. The triacylglycerol composition, solid fat content and melting point analysis showed that the reaction was very fast, reaching the equilibrium within 5 min. This result suggests the interesterification can be performed in substantially lower times, with reduction in process costs.

Quand l’action surpasse la perception : rôle de la vision et de la proprioception dans la perception et le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main

Cette recherche a pour but d’évaluer le rôle de la vision et de la proprioception pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main chez l’humain. L’orientation spatiale de la main est une composante importante des mouvements d’atteinte et de saisie. Toutefois, peu d’attention a été portée à l’étude de l’orientation spatiale de la main dans la littérature. À notre connaissance, cette étude est la première à évaluer spécifiquement l’influence des informations sensorielles et de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle en temps réel de l'orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le premier objectif était d’étudier la contribution de la vision et de la proprioception dans des tâches de perception et de mouvement d’orientation de la main. Dans la tâche de perception (orientation-matching task), les sujets devaient passivement ou activement aligner une poignée de forme rectangulaire avec une cible fixée dans différentes orientations. Les rotations de l’avant-bras et du poignet étaient soit imposées par l’expérimentateur, soit effectuées par les sujets. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées (letter posting task 1), les sujets ont réalisé des mouvements d’atteinte et de rotation simultanées de la main afin d’insérer la poignée rectangulaire dans une fente fixée dans les mêmes orientations. Les tâches ont été réalisées dans différentes conditions sensorielles où l’information visuelle de la cible et de la main était manipulée. Dans la tâche perceptive, une augmentation des erreurs d’orientation de la main a été observée avec le retrait des informations visuelles concernant la cible et/ou ou la main. Lorsque la vision de la main n’était pas permise, il a généralement été observé que les erreurs d’orientation de la main augmentaient avec le degré de rotation nécessaire pour aligner la main et la cible. Dans la tâche de mouvement d’orientation et d’atteinte simultanées, les erreurs ont également augmenté avec le retrait des informations visuelles. Toutefois, les patrons d’erreurs étaient différents de ceux observés dans la tâche de perception, et les erreurs d’orientation n’ont pas augmenté avec le degré de rotation nécessaire pour insérer la poignée dans la fente. En absence de vision de la main, il a été observé que les erreurs d’orientation étaient plus petites dans la tâche de mouvement que de perception, suggérant l’implication de la proprioception pour le contrôle de l’orientation spatiale de la main lors des mouvements d’orientation et d’atteinte simultanées. Le deuxième objectif de cette recherche était d’étudier l’influence de la vision et de la proprioception dans le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main. Dans une tâche d’orientation de la main suivie d’une atteinte manuelle (letter posting task 2), les sujets devaient d’abord aligner l’orientation de la même poignée avec la fente fixée dans les mêmes orientations, puis réaliser un mouvement d’atteinte sans modifier l’orientation initiale de la main. Une augmentation des erreurs initiales et finales a été observée avec le retrait des informations visuelles. Malgré la consigne de ne pas changer l’orientation initiale de la main, une diminution des erreurs d’orientation a généralement été observée suite au mouvement d’atteinte, dans toutes les conditions sensorielles testées. Cette tendance n’a pas été observée lorsqu’aucune cible explicite n’était présentée et que les sujets devaient conserver l’orientation de départ de la main pendant le mouvement d’atteinte (mouvement intransitif; letter-posting task 3). La diminution des erreurs pendant l’atteinte manuelle transitive vers une cible explicite (letter-posting task 2), malgré la consigne de ne pas changer l’orientation de la main pendant le mouvement, suggère un mécanisme de corrections automatiques pour le contrôle en temps réel de l’orientation spatiale de la main pendant le mouvement d’atteinte naturel vers une cible stationnaire. Le troisième objectif de cette recherche était d’évaluer la contribution de l’expérience visuelle pour la perception et le contrôle de l’orientation spatiale de la main. Des sujets aveugles ont été testés dans les mêmes tâches de perception et de mouvement. De manière générale, les sujets aveugles ont présenté les mêmes tendances que les sujets voyants testés dans la condition proprioceptive (sans vision), suggérant que l’expérience visuelle n’est pas nécessaire pour le développement d’un mécanisme de correction en temps réel de l’orientation spatiale de la main basé sur la proprioception.

Représentation interne des caractéristiques physiques d'un objet

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible.