Name: 合并多个数据采集系统来研究皮质输出和多段生物力学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: 了解如何将经颅磁刺激与数据采集系统集成，实现基于关节角度或肌肉活动的自动化脑刺激传递。该方法为研究人类运动控制中的神经输出调节提供了经济高效的新途径。

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作者感谢自然科学研究与工程研究理事会对 AJN 的资助。

<ol><li>Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization+of+ipsilateral+excitatory+and+inhibitory+pathways+in+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex.</a> J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).</li>
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<li>Zatsiorsky, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZatsiorsky%2C+V+%22Kinetics+of+Human+Motion%22">Kinetics of Human Motion</a>. , Human Kinetics Publishers Inc. Windsor, Canada. (2002).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

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

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

Combining Multiple Data Acquisition Systems to Study Corticospinal Output and Multi-segment Biomechanics

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。

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...

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。

经颅磁刺激技术可对支撑人类行为的神经机制进行深入研究。迄今为止，该技术的应用……

本方法的总体目标是建立一种经济高效的研究方案，用于整合脑刺激与人体运动的研究。该方法能够回答神经运动控制领域中的关键问题，例如运动皮层的神经输出如何在持续运动过程中被调节。该技术的主要优势在于，脑刺激的施加由计算机自动控制，并可根据研究者关注的特定参数（如关节角度或肌肉活动幅度）来确定。本实验操作将由我实验室的研究生 Aaron Bailey 演示。有关本实验方案的硬件和软件设置说明，请参见与本视频配套的论文。此处所示图示概括了硬件配置。首先对受试者进行经颅磁刺激（TMS）安全性筛查，并获取其针对实验的书面知情同意书。然后使用体重秤记录受试者的总体重。同时使用卷尺测量受试者手部、前臂和上臂的长度，这些节段数据后续可用于运动学和动力学分析。接下来，使用轻度研磨凝胶准备目标肌肉区域的皮肤。然后用酒精将该区域擦拭干净。使用阻抗仪确保皮肤电极阻抗低于10千欧，以提高肌电图（EMG）信号的采集质量。现在将两个电极以双极导联方式放置在肌肉肌腹上。本实验中，将电极分别置于肱二头肌、肱三头肌、胸大肌、三角肌后束和肱桡肌上。最后，使用NC电缆将肌电放大器的输出端连接到AD盒的模拟通道0、1、3、4和5。使用国际10-20脑电图电极定位系统确定顶点位置。利用神经导航软件将经颅磁刺激线圈与受试者进行校准。为每块目标肌肉定位运动热点是实验中最关键的步骤。错误定位运动热点或线圈方向不正确，可能会影响所获取数据的准确性。接下来，为定位运动热点，首先将线圈置于受试者被研究手臂或手部对侧大脑半球，位于头顶点外侧五厘米处。线圈应平贴于受试者头部，并调整方向，使其与矢状面呈45度角。然后，从最大刺激器输出的约30%开始，按照基于软件套件的数据采集软件中的描述，以不小于六秒的刺激间间隔给予TMS脉冲。移动TMS线圈，在头皮上略微改变其位置，同时轻微调整其方向，直至在目标肌肉中观察到运动诱发电位。接下来，通过从产生约一毫伏最可靠反应的刺激强度开始，确定静息运动阈值。给予单个脉冲并在线记录运动诱发电位的峰-峰振幅。实验开始时，首先运行视觉刺激呈现软件程序，然后按照本方案配套论文中的描述，在基于套件的数据采集软件中运行实验试次的脚本文件。在屏幕所示的配置对话框中输入所需信息。这些值将用于设置实验试次的时间及其他相关参数。例如，刺激集和随机化值用于控制每种试次类型在一组实验中执行的次数。将运动捕捉传感器粘附于患者身上。完成此步骤后，软件将在极少用户干预的情况下自动运行。确保受试者充分理解所有任务指令，然后开始实验。当参与者将光标置于起始位置目标时，试验开始。随后会出现一个新的视觉目标位置。接着，通过数据采集箱的数字-模拟输出发出一个听觉“开始”提示，参与者应将光标移动至新的目标位置。受试者应将光标保持在目标位置1秒钟，然后将其移回起始位置，等待下一次试验。肌电图（EMG）的模拟信号将触发经颅磁刺激（TMS）脉冲，该脉冲应设置为在听到“开始”提示音后100毫秒内发出。观察受试者，确保在试验过程中光标准确置于起始位置和各个目标位置上。如图所示，该实验包含21个条件，由七种目标条件组成，每种条件在三个不同时间点触发经颅磁刺激（TMS）脉冲。整个实验的预计总时长为三到四个小时。在单次试验中，左侧示意图显示试验开始时的起始位置，右侧示意图则显示试验过程中的结束位置。在此处，我们看到的是在该次试验的肌电图（EMG）起始时刻，通过单脉冲经颅磁刺激（TMS）从每块肌肉记录到的运动诱发电位（MEP）的峰-峰振幅。此处显示的图表表示肩关节和肘关节的角位移，而这些图表则显示相同关节的角速度。此处我们看到肩关节和肘关节的动力学数据，其中蓝色、绿色和红色线条分别代表净肌肉力矩和骨与骨接触力矩。该图展示了在向需要肱二头肌和胸大肌同时参与的目标运动时，从肱二头肌和胸大肌记录到的运动诱发电位示例。同时展示了在向需要肱三头肌和三角肌后束参与的目标运动时，从肱三头肌和三角肌后束记录到的运动诱发电位。一旦掌握，该技术若操作得当，可在两到三个小时内完成。在进行该操作时，重要的是要确定使用哪种模拟信号（例如肌电活动或关节角度）来触发经颅磁刺激（TMS）脉冲。该信息将由实验的具体背景决定。完成该操作后，可进一步采用其他方法（如脑电图，EEG）来回答更多问题，例如脑振荡的变化是否与皮质脊髓输出的变化同步发生。

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合并多个数据采集系统来研究皮质输出和多段生物力学

本视频展示了通过临床和定量评估，在运动不完全性脊髓损伤（SCI）个体中，急性口服给予5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）后，反射活动、自主肌力和行走能力的调节情况。...

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验证适用于评估老年人 Nordic 步行步态与姿势的合适运动捕捉技术

本文介绍了一种利用压力中心与全身质心之间距离来测量从坐到站再到行走过程中关键事件位置稳定性的新方案。该方法基于测力台和三维运动捕捉技术，具有良好的可靠性，可用于对神经系统功能受损个体的评估。...

从120%膝高处坐-站-走：一种独立于优势肢体评估动态姿势控制的新方法

本实验方案描述了使用单脉冲经颅磁刺激结合神经导航系统，在静息状态和紧张性自主激活期间对胫骨前肌和比目鱼肌的皮质运动反应进行同步双侧评估的方法。...

利用导航经颅磁刺激对踝部肌肉皮质脊髓通路的双侧评估

本文介绍了一种用于临床前研究的啮齿类动物四足运动三维运动学数据采集与分析方案。...

用于啮齿类动物临床前研究的三维运动学步态分析

伸手是人类与环境互动的一项基本技能。已有许多研究致力于采用多种方法来表征伸手行为。本文提供了一种开源的经颅磁刺激应用方案，用于评估人类在执行伸手任务过程中皮质脊髓兴奋性的状态。...

评估目标导向 reaching 行为期间的皮质脊髓兴奋性

本方案建立了一种利用无标记跑台实验结合深度学习驱动的多关节轨迹自动标注技术的大鼠后肢运动学评估流程，可实现可重复的运动量化分析。...

基于深度学习的多关节同步追踪用于大鼠后肢运动学的客观量化

了解如何将经颅磁刺激与数据采集系统集成，实现基于关节角度或肌肉活动的自动化脑刺激传递。该方法为研究人类运动控制中的神经输出调节提供了经济高效的新途径。

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