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

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。