Influence of Task Complexity and Sensory Feedback on Cortical Control of Grasp Force

任务复杂性和感觉反馈对皮质控制握力的影响

基本信息

项目摘要

ABSTRACT Humans can skillfully control their grasp during actions as complex and dynamic as swinging a tennis racket, and as simple and static as holding a briefcase. Both tasks require the use of sensory feedback to achieve and maintain an appropriate grasp force. There is evidence that motor and somatosensory cortices communicate task-relevant information in order to enable skillful movement. Our primary goal is to uncover the motor cortical dynamics underlying grasp force control and determine the extent to which these dynamics are mediated by behavioral context and corticocortical communication of somatosensory feedback. We propose to study the cortical control of grasp by leveraging the unique experimental paradigms afforded by a bidirectional human brain-computer interface study in which participants with tetraplegia have intracortical electrode arrays implanted in motor and somatosensory cortex. Previous work, primarily focused on reaching movements, has demonstrated that motor cortex exhibits population dynamics that are constrained within low- dimensional manifold. We have identified similar dynamic responses within human motor cortex that contain information about grasp force. However, these responses are task-dependent and can change as the complexity of the proximal arm movement changes. Here we will extend that work to study the context- dependence of M1 dynamics across a range of static and dynamic hand and arm movements including both overt and covert (i.e., imagined) behaviors. Sophisticated motor control relies on sensory information to shape neural control signals emanating from motor cortex, yet very little is known about the flow of information from somatosensory to motor cortex for the control of the hand. We aim to quantify the corticocortical communication pathways across a range of task contexts through the analysis of simultaneous neural recordings in motor and somatosensory cortex. We will then use intracortical microstimulation to probe these communication pathways while providing task-relevant sensory feedback as well as task-irrelevant stimulation as a control. Finally, we will use a brain-computer interface to test whether there is the potential for plasticity within the corticocortical communication circuits, or whether communication is constrained by between-area dynamics. Successful completion of this proposal will lead to new knowledge about the role of M1 in dynamic and static grasp behaviors. We will quantify how somatosensory input is communicated with M1 and whether corticocortical communication pathways can be modified through training, which has relevance to understanding skill learning and improving rehabilitation.
抽象的 人类可以在挥动网球拍等复杂而动态的动作中熟练地控制自己的抓握, 就像拿着公文包一样简单、静态。这两项任务都需要使用感官反馈来实现 并保持适当的抓握力。有证据表明运动皮层和体感皮层 传达与任务相关的信息,以实现熟练的动作。我们的首要目标是揭开 掌握力控制的运动皮层动力学并确定这些动力学的程度 由行为背景和体感反馈的皮质通讯介导。 我们建议利用独特的实验范式来研究抓握的皮层控制 一项双向人脑-计算机接口研究,其中四肢瘫痪的参与者有皮质内 电极阵列植入运动皮层和体感皮层。之前的工作主要集中在达到 运动,已经证明运动皮层表现出的群体动态被限制在低 维流形。我们已经在人类运动皮层中发现了类似的动态反应,其中包含 有关抓握力的信息。然而,这些反应是依赖于任务的,并且可以随着任务的变化而变化。 近端手臂运动变化的复杂性。在这里,我们将扩展这项工作来研究背景 - M1 动力学在一系列静态和动态手部和手臂运动中的依赖性,包括 显性和隐性(即想象的)行为。 复杂的运动控制依赖于感觉信息来塑造从运动发出的神经控制信号 皮层,但对于从体感到运动皮层进行控制的信息流知之甚少 的手。我们的目标是量化一系列任务环境中的皮质沟通路径 通过分析运动和体感皮层的同步神经记录。然后我们将使用 皮质内微刺激来探测这些通信路径,同时提供与任务相关的感觉 反馈以及与任务无关的刺激作为对照。最后,我们将使用脑机接口来 测试皮质通讯回路内是否存在可塑性的潜力,或者是否 沟通受到区域间动态的限制。该提案的成功完成将导致 关于 M1 在动态和静态抓取行为中的作用的新知识。我们将量化如何 体感输入与 M1 进行通讯,皮质通讯通路是否可以 通过培训进行修改,这与理解技能学习和改善康复有关。

项目成果

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Motor cortex retains and reorients neural dynamics during motor imagery.
运动皮层在运动想象过程中保留并重新定向神经动力学。
  • DOI:
    10.1101/2023.01.17.524394
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Dekleva,BrianM;Chowdhury,RaeedH;Batista,AaronP;Chase,StevenM;Yu,ByronM;Boninger,MichaelL;Collinger,JenniferL
  • 通讯作者:
    Collinger,JenniferL
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