结合多种数据采集系统研究皮质脊髓输出与多节段生物力学

摘要

使用经颅磁刺激（TMS）研究人类运动控制需要整合数据采集系统，以控制TMS的递送并同时记录人类行为。本文提供了通过TMS研究人类运动时整合数据采集系统的详细方法学。

摘要

经颅磁刺激技术能够深入探究支撑人类行为的神经机制。迄今为止，利用经颅磁刺激（TMS）研究人类运动受到若干技术挑战的限制，主要包括难以精确地根据运动过程中特定特征的时间点来触发TMS刺激，以及难以准确表征运动学与动力学参数。为克服这些技术难题，TMS刺激的发送与数据采集系统需与在线运动追踪系统相整合。本文详细描述了多项技术改进，通过整合多种数据采集系统，促进并推动了TMS在人类运动研究中的应用。本文提供了基于 commercially available 软件与硬件系统的分步操作方案，涵盖实现由运动特定特征触发TMS实验所必需的硬件组装与软件脚本编写。该方法主要聚焦于上肢平面多关节伸展运动的研究。然而，该整合系统同样适用于多种复杂的人类运动控制研究。

引言

经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性刺激人类大脑皮层的方法。^3,5 目前有多种TMS方案用于研究皮层功能，例如单脉冲和多脉冲刺激、双位点刺激以探测功能连接性，以及重复脉冲刺激以促进神经可塑性。^4,6-8 通过结合不同的TMS方案，可进一步深化对人类皮层活动机制的理解，并为神经康复策略提供指导。除了刺激大脑皮层外，TMS还可通过刺激皮质脊髓束或小脑来研究皮层下功能。

目前，经颅磁刺激（TMS）研究面临的主要技术挑战之一，是在人类目标导向的自主运动过程中研究皮层区域作用的能力。这一技术挑战的成因包括多个方面。首先，TMS刺激的施加需要与实时的人体运动捕捉技术相结合。通过这种方式，TMS脉冲可根据运动序列中的特定特征进行递送或触发，从而实现时间锁定的方法来研究复杂的运动过程。其次，整合TMS刺激与运动捕捉技术，能够在运动展开过程中对其做出细致的表征，进而加深对运动控制背后脑-行为关系的理解。目前尚无任何商业化的系统能够全面整合TMS与运动捕捉方法。对于运动控制领域的神经科学家而言，这一空白通常意味着需要耗费大量时间，克服将多个软硬件数据采集与刺激递送系统进行整合的技术难题。这一技术局限也导致针对上肢参与的动态多关节运动的研究十分有限。为了推动人类运动控制领域的发展，必须在复杂的人体运动过程中对皮层功能进行探测。

为了有效整合经颅磁刺激（TMS）与运动捕捉方法，采集系统必须能够实现实时同步的 TMS 和运动捕捉。其次，该系统必须适用于研究运动学（i.e., 对运动的描述）、运动动力学（i.e., 引起运动的力）以及肌肉活动。第三，系统必须能够将 TMS 脉冲与这些运动特征同步，并可根据复杂的运动特征设定触发条件。此类系统将为皮层功能与运动的运动学及动力学之间提供关键的关联。

本文详细描述了一种将经颅磁刺激（TMS）与运动捕捉技术相结合的独特方法。该方法可对复杂的多关节运动机制进行详细分析，并允许根据运动的特定特征自动触发并控制TMS脉冲。即，运动学、动力学或肌肉活动）。此外，该数据采集系统可将经颅磁刺激（TMS）与运动捕捉技术整合到需要视觉-运动或感觉-运动任务的实验范式中。本文详细描述了一种创新性方法，旨在整合常用的运动捕捉硬件与软件系统，以实现TMS与人体运动采集及分析的同步进行。文中通过一项关于平面多关节运动过程中人类皮层功能的示例研究展示了相关数据。用于实施该实验的软件脚本可提供下载。

方案

注意：以下方案可应用于多种实验。下文详述了一项实验，该实验包含一项视觉引导的上肢 reaching 任务，受试者需朝向计算机显示器上呈现的六个空间目标之一进行伸手动作。为探究皮质脊髓兴奋性，经颅磁刺激（TMS）由运动过程中产生的模拟信号触发，或由即，EMG 或电子测角器输入）或由基于扫描的数据采集软件生成的数字信号。本研究经麦克马斯特大学研究伦理委员会批准，符合《赫尔辛基宣言》的规定。随文提供了一个示例数据集。

1. 硬件/软件要求

注意：图1展示了在计算机控制的视觉-运动实验背景下，整合经颅磁刺激（TMS）与运动捕捉系统所需的硬件配置示意图。

1. 为两台台式计算机配备串行和并行端口（若尚未配备）。为计算机1（PC 1）配备图1）与基于扫描的数据采集软件，以及配备视觉刺激呈现软件程序的PC 2。
2. 软件操作
   1. 内部模拟/数字转换盒（A/D盒）操作
      注意：以下操作旨在为希望自行开发类似软件程序的读者提供参考信息。这些步骤对于实验的执行并非必需，因为实验可直接使用作者提供的软件；但本文提供相关指南，以便用户开发自己的软件。
      1. 在基于扫描的数据采集软件中创建一个序列器文件（参见补充信息2中的“序列器文件”示例），并在PC 1上执行。
         注意：本实验中使用基于扫描的数据采集软件创建测序仪文件的操作示例可参见 http://ced.co.uk/products/signal#script。
         注意：该文件用于在序列与实际数据采集并行执行时提供所有精确的时间控制，同时允许灵活设置外部触发信号的同步时序。当运行脚本时，会弹出配置对话框，可在其中修改外部触发条件（详见“实验试验”部分及“Sequencer File”截图）。
      2. 在序列器文件中创建独立的子程序，以控制听觉提示的生成和经颅磁刺激（TMS）触发条件。其中一个子程序根据视觉刺激显示软件的输入信号来控制听觉提示，另一个子程序根据模数转换盒（A/D box）的模拟输入信号来控制TMS的触发。
         注意：单独子程序如何包含在序列文件中的示例详见补充信息（脚本与序列文件）。有关本演示所用软件系统的额外网站支持，请参见1.2.1.1。此设置可实现听觉提示生成与TMS触发条件检测的并行进行。
      3. 在测序仪文件中创建调用子程序的代码行（子程序见1.2.1.2节描述）。每个子程序应具备等待其输入源信号到达的功能即，用于听觉提示的视觉刺激显示软件以及用于TMS触发的模拟输入。
   2. 电磁运动捕捉系统与基于扫描的数据采集软件之间的连接与通信
      1. 为了使电磁运动捕捉系统持续生成数据，需在基于扫描的数据采集软件的脚本文件中编写代码行，通过串行连接向电磁运动捕捉系统发送一系列指令（这些指令可在电磁运动捕捉系统的使用手册中找到）。相关指令位于可下载的脚本文件（script_file.sgs）中，具体见第88至114行以及第635至650行。
      2. 编写代码行，使脚本文件将动作捕捉数据添加到每次试验扫描中。接着，使脚本通过串行连接将动作捕捉数据从计算机1传输至视觉刺激呈现软件（计算机2），以控制计算机2显示器上十字光标的位置。
         注意：此事件序列可使电磁运动捕捉系统持续生成 ASCII 数据，然后从串行线路读取这些数据。
      3. 实验结束时，编写代码行，使脚本文件发送命令以关闭电磁式动作捕捉系统的数据输出。具体操作为：通过基于扫描的数据采集软件发送若干行文本，每行包含一个传感器编号，后跟六个坐标值（参见 script_file.sgs 中本演示所用的命令代码，特别是第 88 至 114 行以及第 653 至 658 行）。
         注意：有关这些命令的更多信息，请参见电磁运动捕捉系统网站（第 1.2.1.1 节）。
         注意：在提取数值之前，先对字符串进行“净化”处理，因为如果坐标值为负数，则可能与前一个数字之间没有空格字符分隔。
   3. 基于扫描的数据采集软件与视觉刺激呈现软件之间的通信
      1. 在基于扫描的数据采集软件与视觉刺激呈现软件之间建立三个独立的通信通道。
      2. 设置两条串行线路，用于在 PC 1 与 PC 2 之间双向传输文本数据。具体操作为：使用一条串行电缆连接 PC 1 与 PC 2（每条串行线路在两台计算机之间为单向传输）， 图1).
      3. 将PC 2连接至A/D盒。为此，制作或购买一根一端为LPT接口、另一端为公头BNC接头的电缆。将LPT接口连接至PC 2，将BNC接头连接至A/D盒的触发输入端口。
         注意：此连接允许线路传输由视觉刺激呈现软件系统的 LPT1 端口生成的脉冲信号即，PC 2， 图1) 连接到 A/D 盒的触发输入端。
         注意：TTL 信号可确保数据采集扫描的开始时间与视觉刺激呈现软件的操作精确同步，而其他所有信息则通过串行线路传输。
         注意：务必使用实际安装在计算机上的 PCI-Express LPT 和 COM 端口卡，并配合视觉刺激呈现软件使用。该配置可确保软件正常运行，强烈推荐采用。由于视觉刺激呈现软件的通信在底层进行，以避免任何延迟，因此通常无法在 USB 适配器提供的模拟 LPT 和 COM 端口硬件上稳定工作。
      4. 将视觉刺激呈现软件文件中的试次持续时间值设置为 20 ms，因为远短于或长于 20 ms 的值均会导致问题。有关完成此操作的资源，请访问以下网站：https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview。参见补充文档中提供的实验设计文件（Presentation scenario file）第 39 至 46 行。
         注意：由于视觉刺激呈现软件的操作与图像生成密切相关，且根据我们的经验，串行通信的表现并不如预期，除非在试验函数中设置的试验持续时间合适，即，20 毫秒）。
      5. 创建通信协议，以在基于扫描的数据采集软件与视觉刺激呈现软件之间传递信息。
         注意：1.2.3.7 至 1.2.3.11 节描述了此操作的完成方法。有关基于扫描的数据采集软件和视觉刺激呈现软件的进一步支持，请参见步骤 1.2.1.1 和 1.2.3.5 中提供的资源。
      6. 在基于扫描的数据采集软件与视觉刺激呈现软件之间建立通信方向，需在基于扫描的数据采集软件中编写代码，以发送两类信息：用于启动和终止试验的试验编号，以及十字光标的位置。要求该数据采集软件将所有信息以文本行形式发送，每行以换行符结尾。具体实现方式可参见 Signal 脚本文件中的第 700 至 708 行。
      7. 为使视觉刺激呈现软件区分两种类型的信息，需将初始字符设置为0或1，后跟一个或两个数字以表示信息类型，所有数值之间以空格分隔。视觉刺激呈现软件可轻松处理此类信息。参见实验脚本文件第89至153行，了解该操作在视觉刺激呈现软件中的具体实现方式。
      8. 在视觉刺激呈现软件向基于扫描的数据采集软件发送数据的方向上，编写视觉刺激呈现软件的代码，使其输出从 0 到 9 的单个整数值，并以单个 ASCII 字符 '0' 到 '9' 的形式发送至基于扫描的数据采集软件，每个字符后跟一个换行符。参见场景文件的第 82 至 87 行，以确定此操作的具体实现方式。
      9. 在视觉刺激呈现软件中编写代码行，用于输出值0和1，以向基于扫描的数据采集系统反馈参与者是否达到目标位置。参见场景文件中的第72至80行以及第154至220行，了解该操作的具体实现方式。
      10. 在视觉刺激呈现软件中创建代码行，以发送关于试验结束消息的信息（即，无论目标是否“命中”）传输至基于扫描的数据采集软件。参见步骤1.2.3.10中提供的场景文件中的相同代码行。
   4. 试验中的操作顺序
      1. 设置试验序列，使得试验的执行由基于扫描的数据采集软件和视觉刺激呈现软件共同完成，其中基于扫描的数据采集软件负责整体序列的控制。
      2. 将基于扫描的数据采集软件置于实验流程控制的核心，因为该软件会生成需要添加试验细节注释的实际数据文件，从而减少通信需求。
      3. 设置脚本，使操作流程从基于扫描的数据采集软件选择下一个试验参数（目标位置）开始 & TMS 触发类型）。参见脚本文件中第 335 至 345 行及其中描述的相应循环，以了解如何完成这些操作。
         注意：这些循环也包含在脚本文件中。
      4. 接下来，使用基于扫描的数据采集软件设置控制TMS触发类型及其他试验参数的A/D盒参数。具体操作为：启动基于扫描的数据采集软件以开始数据采集，使A/D盒处于等待来自视觉刺激呈现软件的扫描触发信号状态，并通过串行线路向视觉刺激呈现软件通知所使用的靶标编号（1至7），从而促使视觉刺激呈现软件启动一次试验。即，通过TTL脉冲实现）。有关如何完成此操作的详细信息，请参见信号脚本的第180至303行。
      5. 完成上述步骤后，让基于扫描的数据采集软件等待A/D盒完成一次扫描数据的采集，并将从电磁运动捕捉系统接收到的任何位置数据附加到采样数据中。有关如何完成此操作的详细信息，请参见脚本文件的第117至178行以及第661至697行。
      6. 设置视觉刺激呈现软件，以监测由受试者控制的十字准星光标位置。设置视觉刺激呈现软件，在光标位于起始位置持续指定时间后（该时间在视觉刺激呈现软件中定义），将目标移动至指定位置，并在LPT1端口生成TTL脉冲。有关如何完成此步骤的详细信息，请参见场景文件中的第89至232行。
      7. 创建代码行，使视觉刺激呈现软件发送一个TTL脉冲，以触发A/D盒的数据采集，从而启动A/D盒内的试验计时。参见场景文件第222至232行，了解如何完成此步骤。
      8. 同时，启动视觉刺激呈现软件的场景文件，开始一段延迟，随后将目标移至指定位置，并开始监控十字光标，以检测其是否“击中”目标（即.，并在目标位置保持指定时长）。设置视觉刺激呈现软件，使其持续监测十字光标位置，直至基于扫描的数据采集软件通知视觉刺激呈现软件当前试验已完成。
         注意：这些操作在步骤 1.2.4.6 和 1.2.4.7 提供的场景文件中位于同一行代码上。
      9. 在A/D盒内设置一个时间延迟。在指定的延迟时间段内，直至延迟结束，由软件监测两个EMG信号（注意：可以是任意模拟信号），以确认其幅度处于较低水平（该幅度值由用户自定义）。作者建议EMG信号幅度为±100 µV，或约为受试者最大自主激活程度的1%。请参见时序文件第45至75行，以完成此操作。
      10. 创建代码行，使安静的肌电图（EMG）监测期的开始由A/D盒生成的数字标记（代码为1）进行标记。同时，若检测到“非安静”EMG信号，则禁止任何进一步的A/D盒输出例如在试验过程中设置软件指令，以确保生成刺激信号（如蜂鸣声或TMS触发信号）时不会出现非静息状态的EMG信号，若检测到“非静息”EMG信号，则重复该次试验。有关这些操作的具体设置，请参见步骤1.2.4.9中提到的行，以及序列文件的第118至124行和脚本文件的第347至420行。
      11. 延迟结束后，在记录到安静的肌电图信号时，让A/D盒生成一个DAC 0输出脉冲（在此设置中，DAC输出会引发一声可听见的“哔”声）。由A/D盒生成的数字数据点应以“代码2”标记“哔”声的起始时间。参见序列文件的第126至138行，以了解如何完成此操作。
      12. 在基于扫描的数据采集软件中设置脚本，使A/D盒能够监测扫描时间及输入信号，并根据适当的标准生成TMS触发信号。编写代码，使得当TMS触发发生时，以数字“代码3”数据点标记该触发时刻。参见序列器文件的第77至116行，以了解如何完成此操作。
      13. 等待期应持续至扫描结束前的设定时段，以满足合适的触发条件。
          注意：如果未满足某个条件，此设置可防止试验无限进行。参见序列文件中的第65至76行以及第118至138行，以了解如何完成此操作。
      14. 设置基于扫描的数据采集软件，以检测A/D数据采集盒完成数据收集，并通知视觉刺激呈现软件当前试验已结束。参见脚本文件第180至303行，了解如何完成此步骤。
      15. 当视觉刺激呈现软件接收到试次结束的通知时，应使该软件将目标返回至起始位置，并向基于扫描的数据采集软件发送参与者是否“击中”目标的信息。若参与者未“击中”目标，应由基于扫描的数据采集软件对新采集的数据帧进行标记。有关如何完成此操作的详细说明，请参见场景文件的第89至221行。
      16. 在基于扫描的数据采集软件中设置脚本，使其等待试验后延迟；在该延迟结束时，若基于扫描的数据采集软件未触发经颅磁刺激（TMS），则让程序返回至步骤1，并丢弃已采集的数据，重复上一次试验；若所有状态均为“OK”，则进入下一次试验。有关如何完成此操作的详细信息，请参见脚本文件中的第180至303行及相应的循环部分。
          注意：基于扫描的数据采集软件和视觉刺激呈现软件采用状态机来控制必要的操作序列，因为这可以根据需要轻松调整实验行为。
3. 将传感器放置于骨性标志处以采集运动捕捉数据。为采集与手臂姿势相关的数据，需将传感器置于躯干（胸骨上窝）、肩部（肩峰）、肘部（肱骨外上髁上方8 mm处）以及腕部（手背侧月骨与头状骨之间，且与第三掌骨纵轴对齐）^rd （数字），根据建议，使用最少数量的传感器来追踪关节旋转中心。¹⁰

图1. 硬件装置设置。 为使电磁运动捕捉数据能够传输至基于扫描的数据采集软件和视觉刺激呈现软件，首先将4个电磁传感器与系统控制台组装连接。使用9针串行电缆将系统控制台连接至计算机1（PC 1）。再使用另一根9针串行电缆将计算机1（PC 1）与计算机2（PC 2）连接。为实现经颅磁刺激（TMS）的施加，使用USB线缆将计算机1（PC 1）与模数转换盒（A/D盒）连接，并使用BNC线缆将A/D盒与TMS设备连接。为实现肌电图（EMG）记录，将EMG电极连接至EMG放大器，并通过BNC线缆将EMG放大器连接至A/D盒。通过BNC线缆将电子测角器（Elgon）连接至A/D盒，以在线记录关节角度变化。为使视觉刺激呈现软件能够触发试验开始，使用LPT端口转BNC线缆将计算机2（PC 2）连接至A/D盒的触发输入端口。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 实验期间的硬件连接（图 1）
   1. 使用 9 针串行电缆将电磁运动捕捉系统连接到运行基于扫描的数据采集软件的计算机。
   2. 由数据采集盒协调经颅磁刺激（TMS）的递送以及运动捕捉数据等信息的记录。此过程通过脚本文件和序列器文件中包含的所有前述操作实现。使用 USB 电缆将 A/D 盒连接至计算机 1，并使用 BNC 转并行电缆将 A/D 盒的触发输入连接至计算机 2。
   3. 将肌电图（EMG）导联插入 EMG 滤波器（带通设置为 20 至 2,500 Hz）和放大器（增益 ×1,000），用于采集肌电活动以及以运动诱发电位（MEPs）形式测量的皮质脊髓输出。
   4. 将单相经颅磁刺激器连接至适当的数据采集盒数字输出端口（本实验中为数字输出“0”），以便计算机 1 上的基于扫描的数据采集软件在实验过程中触发 TMS 脉冲。
   5. 将电子测角器连接至数据采集盒的模拟通道 2。该连接使得基于扫描的数据采集软件能够根据肩关节角度，利用作者提供的软件触发 TMS。
   6. 制作或购买一种可支撑手臂抵消重力的臂部固定装置。该装置允许手臂在水平面内进行平面运动（见图 2）。若自行制作该装置，可向通讯作者索取示例图纸。图 2 展示了演示中所用装置的照片。

图 2. 上肢固定装置。图中显示一名受试者被安置在上肢固定装置中，同时经颅磁刺激（TMS）线圈被放置于受试者的头皮上。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 实验设置

1. 人体测量指标
   1. 使用秤记录受试者的总体重。
   2. 测量所有节段的长度，用于运动学和动力学分析。例如，在本手臂应用中，使用卷尺测量手部、前臂和上臂的长度。
   3. 根据文献中的公式计算人体测量学参数，例如节段质心、节段质心位置和回转半径。 ^9,12,13 （见补充信息1）。
2. 肌电图设置
   1. 用轻微研磨性凝胶清洁目标肌肉区域的皮肤，并用酒精擦拭干净。使用阻抗仪检测阻抗，确保皮肤-电极阻抗低于10 kΩ，以提高肌电图信号的采集质量。
   2. 在目标肌肉的肌腹上以双极导联方式放置两个电极。作者建议读者参考相关资源以辅助进行肌电图电极的定位放置。² 在本实验中，将电极放置于肱二头肌、肱三头肌、胸大肌、三角肌后束和肱桡肌上。
   3. 使用 BNC 电缆将肌电放大器的输出端连接到 A/D 盒的模拟通道 0、1、3、4 和 5（针对本实验，这些通道与可下载脚本中使用的通道相对应）。
3. 经颅磁刺激
   1. 使用神经导航软件程序（具体操作详见该软件的使用手册）对参与者进行经颅磁刺激线圈的校准。
      注意：可使用其他方法将线圈位置与受试者的头皮进行校准，但建议使用神经导航软件程序。
   2. 定位运动热点。作为起始位置，将线圈置于受试肢体对侧半球的大脑顶点外侧约5 cm处，以大致对应初级运动皮层的手/臂区域。使用国际10-20系统脑电图电极定位法确定顶点位置。
   3. 将经颅磁刺激（TMS）线圈平放在受试者头部，并调整线圈方向，使其与矢状面成45°角。此定位可诱导皮层内产生从外侧后部至内侧前部的单相电流。
   4. 从最大刺激器输出（MSO）的大约30%开始，按照基于扫描的数据采集软件中的设定，以不低于6秒的刺激间间隔递送经颅磁刺激（TMS）脉冲。
   5. 移动经颅磁刺激（TMS）线圈至略有不同的位置，并微调其方向，直至在目标肌肉中观察到运动诱发电位（MEP）。
   6. 确定产生目标肌肉运动诱发电位（MEP）约为 1 mV 的运动刺激强度（MSO）。使用神经导航软件对该位置进行数字注册。针对实验所需每个肌肉的运动热点，重复此操作。
   7. 确定 静息运动阈值（RMT） 从在目标肌肉中诱发最可靠的约1 mV运动诱发电位（MEP）的刺激强度开始，施加单脉冲经颅磁刺激（TMS），并在线记录MEP的峰-峰幅值。
   8. 确定MSO，使得在连续10次试验中至少有5次的MEP峰峰值振幅≥50 µV。^3,11
      注意：为与以往文献保持一致，^1,3 确保使用单极性肌电图导联记录运动诱发电位。
4. 实验试验
   1. 首先运行视觉刺激呈现软件程序以开始实验（即，场景文件）。首先启动视觉刺激呈现软件程序，可使该软件开始读取电磁运动捕捉数据，并允许一个运动捕捉传感器控制屏幕上的光标。
   2. 在基于扫描的数据采集软件中运行实验试验的“脚本文件”。该脚本文件读取“序列器文件”，后者根据试验类型提供外部触发信号。
   3. 在打开的配置对话框中输入所需信息。步骤 2.4.4 至 2.4.11 均涉及配置对话框的操作。
   4. 在“随机化区组中的刺激集次数”框中输入数值“1”。该数值用于控制每个区组中某类试验的执行次数。
   5. 在“实验中的随机化区组”框中输入数值“20”。该数值用于控制实验中将执行的区组数量。
   6. 在“beep pulse duration”框中输入数值“20”。该数值用于控制DAC输出的时间长度，即蜂鸣脉冲处于“开启”状态的持续时间。
      注意：修改此值可增加听觉音调的持续时间。
   7. 在“beep pulse amplitude”框中输入数值“5”。该数值控制DAC输出的电压幅度，从而控制蜂鸣脉冲的“音量”。
   8. 在“timed trigger post beep delay”框中输入数值“100”。该数值用于确定听觉“开始”提示与数字输出之间的间隔时间（单位：ms）即，TMS 触发 1）。
   9. 在“EMG 触发阈值水平”框中输入数值“0.1”。该数值决定了触发数字输出所需的 EMG 幅值（单位：伏特）。即．，TMS 触发 2）。这些测量基于未经整流的 EMG 信号进行。
   10. 在“角度触发阈值电平”框中输入数值“0.242”。该数值用于确定从电子测角计读取的电压阈值，以触发数字输出即，TMS 触发 3）。
       注意：该数值取决于电子测角计的校准。用户应输入与关节角度阈值相对应的电压值，该阈值将触发经颅磁刺激（TMS）脉冲。
   11. 输入数值“1”即在“试验后延迟”框中设置为 1 秒。该值用于确定试验间间隔。
       注意：有关每项功能的更多信息，可参见脚本或向作者索取。
   12. 当参与者、经颅磁刺激（TMS）设备和视觉刺激显示程序均已准备就绪时，启动实验程序。
   13. 此步骤完成后，观察软件在无需或仅需极少用户输入的情况下自行运行。
       注意：一个示例试验开始时，受试者将光标置于起始位置目标内。新的视觉目标位置出现后，当数据采集箱通过数字转模拟输出发出听觉“开始”提示时，受试者即向该目标移动。
   14. 给出提示后，要求参与者将光标移动至目标位置。当光标到达目标位置后，观察其起始位置，并将光标重新放回起始位置以开始下一次试验。
       注意：此处为通过脚本触发经颅磁刺激（TMS）的示例。确保受试者处于起始位置。观察视觉目标位置，并指导受试者将光标移至该目标。在听觉“开始”提示发出后100 ms触发TMS。受试者需将光标在目标位置保持1秒，随后返回起始位置，等待下一次试验。
   15. 确保光标位于起始位置。观察视觉目标位置，并指导受试者将光标移动至目标位置。在听觉“开始”提示发出后100 ms触发经颅磁刺激（TMS）。指导受试者将光标在目标位置保持1秒。要求受试者将光标返回起始位置，等待下一次试验。
       注意：在此示例中，模拟信号触发经颅磁刺激（TMS）。具体而言，本示例中由肌电图（EMG）信号触发TMS脉冲。实验共包含21种条件：7种目标条件 × 3个不同的TMS脉冲触发时间点即．、触发1、触发2、触发3）。本示例中，经颅磁刺激（TMS）脉冲的触发基于数字事件，或外部模拟触发事件（如肌电图或电子测角计输入）。用户可通过更改序列和脚本文件来自定义这些数字或模拟事件。实验总时长约为3至4小时。

结果

图3 显示单次试验的结果。在此试验中， 图3A 显示参与者的初始位置，在听到听觉“开始”提示后，参与者尽快且准确地移动至目标位置（即.，最终位置）。基于扫描的数据采集软件根据肱二头肌肌电图（EMG）的起始信号触发经颅磁刺激（TMS）脉冲。这使得能够在任务执行过程中的特定时间点评估投射至上肢肌肉的皮质脊髓输出。 图3B 显示了在本次试验中肌电图（EMG）起始时刻，单脉冲经颅磁刺激（TMS）从各肌肉记录到的运动诱发电位（MEP）。从每个肌肉中测量TMS脉冲诱发的MEP峰-峰幅值。 alternatively，也可测量MEP的面积。不同运动阶段或运动类型间MEP大小的变化，反映了在不同任务或时间点皮质脊髓兴奋性的变化。通过整合运动捕捉系统与TMS系统，研究者可在行为发生的精确时刻量化源自运动皮层的神经活动，例如本例中的EMG起始时刻。此外，可在EMG起始与TMS刺激触发之间插入延迟（参见序列文件第88至98行及第109至117行以设置该延迟），以探究运动过程中...

讨论

本文详细描述了一种在视觉-运动任务背景下整合经颅磁刺激（TMS）与运动捕捉系统的新颖方法。为了在人类运动控制研究领域实现快速且有意义的进展，研究方法必须能够实现多种硬件和软件系统之间的精确通信。所提出的实验范式可用于研究多种科学问题，包括皮层在运动学习中的作用、运动控制的神经生理机制，以及特殊人群中的多关节运动控制。例如，我们已利用该范式研究了肩关节和肘关节处作用的交互扭矩在幅度和方向变化时，如何影响皮质脊髓兴奋性的改变。交互扭矩存在于所有“真实世界”的多关节运动中，且在快速动作中其对运动规划的影响更为显著。然而，小脑性共济失调患者以及患有发育性协调障碍的儿童，在执行自主的、目标导向的上肢运动时，难以“补偿”这些交互扭矩。本研究所提出的范式有助于理解这些人群的皮层功能活动。

使用本研究所介绍的技术具有多项优势。与经颅磁刺激（TMS）系统高昂的成本相比，增加电磁运动捕捉系统以及必要的软件和线缆所需费用极低。尽管本系统在演示中主要聚焦于手臂控制，但它也可被调整用于手指、腿部，甚至多个肢体，以研究日益复杂的运动行为。此外，未来的研究可在当前系统的基础上进一步拓展，用于研究手臂或其他肢体的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Polhemus FASTRAK	Polhemus Inc.		具有4个传感器的六自由度电磁运动追踪设备
Presentation	Neurobehavioural Systems Inc.		用于涉及数据采集和刺激呈现的实验的全可编程软件
Custom built Exoskeleton	80/20 Inc. - 工业搭建组件系统	视情况而定	用于构建外骨骼的各种部件
Brainsight	Rogue Research Inc.		神经导航软件，用于在实验过程中追踪线圈位置