合并多个数据采集系统来研究皮质输出和多段生物力学
2016年1月9日
使用经颅磁刺激 （TMS） 研究人类运动控制需要集成数据采集系统来控制 TMS 传递并同时记录人类行为。本手稿提供了一种详细的方法，用于集成数据采集系统，以便通过 TMS 研究人体运动。
该方法的总体目标是创建一种具有成本效益的方法，将脑刺激和人体运动的研究相结合。这种方法可以回答神经运动控制领域的关键问题，例如在持续运动期间如何调节运动皮层的神经输出。该技术的主要优点是大脑刺激的传递是计算机自动化的，并且由研究人员感兴趣的特定参数决定，例如关节角度或肌肉活动的大小。
演示此程序的是我实验室的研究生 Aaron Bailey。有关该实验方案的硬件和软件设置说明，请参阅本视频随附的手稿。此处看到的图表概述了硬件配置。
首先筛选参与者的 TMS 安全性并获得实验的书面知情同意书。然后使用体重秤记录参与者的总体质量。还可以使用卷尺确定参与者的手、前臂和上臂的长度，因为这些部分稍后可用于运动学和动力学分析。
接下来，使用轻质研磨凝胶在感兴趣的肌肉上准备皮肤。然后用酒精将该区域擦拭干净。使用阻抗计确保皮肤电极阻抗低于 10 kOhm，以增强 EMG 信号采集。
现在将两个电极放在双极蒙太奇的肌肉腹部。在这个实验中，将电极放在肱二头肌、肱三头肌、胸大肌、三角肌后肌和肱桡肌上。最后，使用 NC 电缆，将 EMG 放大器的输出连接到 AD 盒上的模拟通道 0、1、3、4 和 5。
使用国际 10-20 脑电图电极放置系统定位顶点。使用神经导航软件为参与者校准 TMS 线圈。定位每块感兴趣肌肉的运动热点是实验中最关键的部分。
电机热点位置错误或线圈方向错误会影响采集的数据。接下来，要找到运动热点，首先将线圈放在被研究的手臂或手的对侧半球上，并在顶点外侧 5 厘米处放置。线圈应在参与者的头部上平放，并定向使其相对于矢状面成 45 度。
然后从最大刺激器输出的 30% 左右开始，并以 6 秒或更长的刺激间隔提供 TMS 脉冲，如基于套件的数据采集软件中所述。将 TMS 线圈移动到头皮上略有不同的位置，同时稍微改变方向，直到在感兴趣的肌肉中观察到运动诱发电位。现在，从产生最可靠响应的强度（大约 1 毫伏）开始，确定静息运动阈值。
提供单脉冲并在线记录电机诱发的潜在 peek 到 peek 幅度。首先运行视觉刺激传递软件程序开始实验。然后在基于套件的数据采集软件中运行实验试验的脚本文件，如本协议随附的手稿中所述。
在配置对话框中输入所需的信息，如此处所示。这些值将配置实验试验的计时和其他设置。例如，刺激集和随机化值控制在一个区组中执行试验类型的次数。
动作捕捉传感器粘附在患者身上。完成此步骤后，软件将以最少的用户输入自行运行。确保参与者理解所有任务说明，然后开始实验。
当参与者将光标置于起始位置目标中时，试用开始。然后将出现一个新的视觉目标位置。接下来，通过数据采集盒上的数模输出传递听觉 go que，参与者应将光标移动到新目标。
他们应该将光标放在这个目标位置上一秒钟，然后将其返回到起始位置以等待下一次试验。来自 EMG 的模拟信号将触发 TMS 脉冲，该脉冲应配置为在听觉发出后 100 毫秒内发生。观察参与者并确保在试验期间将光标置于初始位置和目标上。
如图所示，该实验有 21 个条件，由 7 个目标条件组成，每个目标条件具有触发 TMS 脉冲的三个不同时间点。实验的大致总持续时间为 3 到 4 小时。在单个试验中，左侧的原理图显示了试验开始时的起始位置，而右侧的原理图显示了试验期间的结束位置。
在这里，我们看到在本试验的 EMG 开始期间，从单个 TMS 脉冲中从每块肌肉获得的 MEP 的 peek-to-peek 振幅。此处看到的图表显示了肩关节和肘关节的角位移，而这些图表显示了相同关节处的角速度。在这里，我们看到了肩关节和肘关节的动力学，蓝线、绿线和红线分别代表净肌肉和骨对骨接触矩。
该图显示了从肱二头肌和胸大肌记录的运动诱发电位示例，同时达到需要这两块肌肉都处于活动状态的目标。还显示了从肱三头肌和三角肌后肌记录的运动诱发电位，同时达到需要这些肌肉活跃的目标。一旦掌握，如果作得当，这项技术可以在两到三个小时内完成。
在尝试此过程时，重要的是要确定将使用哪种模拟信号（例如 EMG 活动或关节角度）来触发 TMS 脉冲。此信息将由实验的上下文决定。在此程序之后，可以执行其他方法（如脑电图）来回答其他问题，例如大脑振荡的变化是否与皮质脊髓输出量的变化同时被调节。
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概述
本稿概述了一种将数据采集系统与经颅磁刺激（TMS）整合以研究人类运动控制的方法。该方法旨在通过根据特定参数自动化脑刺激的传递来促进人类运动的研究。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 运动控制
- 脑刺激
背景
- 经颅磁刺激（TMS）用于探索运动控制。
- 将数据采集系统整合增强了对人类行为的研究。
- 了解运动过程中的神经输出调节至关重要。
- 该方法旨在成本效益高且高效。
研究目的
- 开发一种将脑刺激与人类运动研究整合的方法。
- 根据特定研究参数自动化TMS的传递。
- 解决神经运动控制领域的关键问题。
使用的方法
- 将数据采集系统与TMS整合。
- 计算机自动化脑刺激的传递。
- 根据关节角度或肌肉活动进行参数驱动的刺激。
- 由研究生演示该程序。
主要结果
- 成功地将TMS与数据采集系统整合。
- 自动化的脑刺激传递增强了研究能力。
- 该方法为神经运动控制提供了见解。
- 提供了硬件和软件设置说明。
结论
- 该方法为研究人类运动提供了一种新的方法。
- TMS传递的自动化对研究人员有益。
- 本研究有助于理解运动控制机制。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating transcranial magnetic stimulation with synchronized motion capture enables precise interrogation of corticospinal output during dynamic motor tasks. This approach supports mechanistic de-risking in target validation by linking neural modulation to quantifiable biomechanical outputs. It enhances predictive confidence in preclinical models of motor control disorders through reproducible, parameter-driven neuromodulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how motor cortex neuro output modulates during ongoing movement to validate therapeutic hypotheses.
- Operational Value: Provides automated, parameter-triggered TMS delivery based on joint angle or muscle activity for consistent target engagement assessment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative motor-evoked potential and kinematic readouts to enable assay standardization across neuromuscular targets.
- Operational Value: Integrates EMG, motion capture, and TMS into a reproducible workflow for high-fidelity neuromotor phenotyping.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by capturing multi-segment biomechanics alongside neural output in upper limb reaching tasks.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical validation through synchronized neural and kinetic measurements.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges discovery biology and lead identification by enabling hypothesis testing of corticospinal contributions to motor control through automated, time-locked stimulation.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by triggering TPS at specific movement phases to isolate causal neuro-motor relationships.
- Screening: Delivers quantitative, time-resolved outputs including MEP amplitude, joint angle, and angular velocity for compound effect comparison.
- Analytics: Enables correlation of corticospinal output with kinetic moments at shoulder and elbow joints for mechanism-based biomarker alignment.
- Translational Research: Connects neural modulation to functional movement outcomes, supporting risk-adjusted advancement in motor control therapeutics.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying neuromodulation effects across diverse motor tasks and patient populations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by linking TMS-evoked responses to precise biomechanical events during movement.
- Operational Value: Ensures reproducibility through computer-automated stimulation triggered by predefined kinematic or EMG thresholds.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing objective, multi-modal readouts of target engagement and functional impact.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromotor targets based on convergent neural and biomechanical validation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in TMS safety, EMG signal acquisition, and motion capture systems.
- Depends on integrated hardware including TMS coil, EMG amplifiers, AD box, and motion-capture sensors.
- Necessitates cross-team standardization for consistent timing of TMS delivery relative to movement onset.
- Involves adaptation considerations when applying the integrative system to different muscle groups or movement paradigms.
- Limited by the need for precise coil positioning and neuronavigation to ensure reliable motor hot spot targeting.
