Multifunktions-Setup für das Studium der menschlichen Motor Control Mit Transkranielle Magnetstimulation, Elektromyographie, Motion Capture und Virtual Reality

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, eine verallgemeinerte Technik zur Synchronisierung mehrerer Datenausströme zu veranschaulichen, die während biomechanischer Studien am Menschen aufgezeichnet werden. Dies wird erreicht, indem elektromyographische und Bewegungserfassungssignale verwendet werden, um ein analoges Synchronisationsereignis zu erzeugen, das unabhängig voneinander von zwei oder mehr Systemen aufgezeichnet werden kann. In einem zweiten Schritt können einfache Schaltungskomponenten entworfen werden, die dieses Ereignis in Signale umwandeln, die für jedes Aufnahmegerät geeignet sind.

Als Nächstes verwenden Sie Analyse-Software, um die Synchronisationsereignisse temporär über die unabhängig aufgezeichneten Signale hinweg auszurichten, um alle Signale zu synchronisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrere biomechanische Signale innerhalb der Abtastfrequenzen der jeweiligen Datenaufzeichnungssysteme temporär ausgerichtet werden können, was die Erfassung eines umfangreichen experimentellen Datensatzes natürlicher menschlicher Bewegungen zur Untersuchung der neuromuskulären Kontrolle ermöglicht. Es gibt mehrere komplexe Fragestellungen in den Bereichen motorische Kontrolle und Biomechanik, die am besten durch die Untersuchung natürlicher menschlicher Bewegungen unter Laborbedingungen beantwortet werden können.

Hier beschreiben wir die Methode, virtuelle Realität zur Definition von Verhaltensaufgaben zu nutzen, während mehrere physiologische Signale gleichzeitig aufgezeichnet werden. Der Vorteil einer auf virtueller Realität basierenden experimentellen Anordnung gegenüber bestehenden Methoden wie hardwarebasierten Verhaltensaufbauten liegt darin, dass sie sehr schnell an verschiedene Experimente sowie an die individuelle Anatomie einzelner Teilnehmer angepasst werden kann. Während Verhaltensexperimenten ist es üblich, mehrere Signale gleichzeitig aufzuzeichnen, die das Verhalten quantifizieren, wie beispielsweise Elektromyographie und Bewegungserfassung.

Unsere Methode bietet eine Lösung für das Problem der zeitlichen Abstimmung dieser Signale, indem eine benutzerdefinierte Synchronisationseinheit verwendet wird, die mit mehreren Herstellern kompatibel ist. Stellen Sie zunächst alle erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen der EMG-Ausrüstung her, einschließlich Verstärker, Vorverstärker, Sensorkabeln und Sensormatten gemäß den Herstellerangaben. Reinigen Sie jede Elektrodenstelle, um konsistente und niedrige Impedanzwerte zwischen Elektrode und Haut zu gewährleisten.

Weisen Sie dann den Probanden an, isometrische Kontraktionen der jeweils interessierenden Einzelmuskeln durchzuführen, und befestigen Sie die EMG-Elektroden über der abgetasteten Stelle der Muskelkontraktion unter Berücksichtigung der Ausrichtung der aktiven Stellen entlang der Muskel fasern. Befestigen Sie die Erdungselektrode auf der Haut über der siebten Halswirbelkörper (C7).

Als Nächstes, um die Signalqualität zu testen, die verstärkten EMG-Signale am Computer überprüfen, während die Testperson jeden Muskel von Interesse anspannt. Schließlich die Verstärkung vermindern, falls die EMG-Signale während Muskelkontraktionen, die für die Verhaltensaufgabe erforderlich sind, saturieren. Beginnen Sie damit, die Bewegungsverfolgungskameras gemäß den Herstelleranweisungen zu kalibrieren.

Kleben Sie aktive LED-Sensoren an knöcherne Markierungspunkte in der Nähe der Armgelenke und an andere anatomische Punkte von Interesse, beispielsweise in der Nähe von Finger, Handgelenk, Schulter und Brust. Befestigen Sie einen weiteren LED-Sensor am Virtual-Reality- oder VR-Headset, um die Blickrichtung in der virtuellen Umgebung festzulegen. Schließen Sie anschließend jeden LED-Sensor an eine Kabelschnur an, die mit der drahtlosen Treibereinheit verbunden ist.

Schalten Sie die Treibereinheit ein und stellen Sie eine korrekte Beleuchtung aller LEDs sicher. Positionieren Sie schließlich die Synchronisations-LED an einem Ort außerhalb des Versuchsteilnehmers, der aber für die Bewegungserfassungskameras gut sichtbar ist. Kalibrieren Sie zuerst das Gerät und die Software für die transkranielle magnetische Stimulation (TMS), um eine genaue Spulenpositionierung zu ermöglichen.

Führen Sie dies durch, indem Sie die TMS-Spulen mit anatomischen Landmarken wie den NAS-Präaurikularpunkten und der Nasenspitze ko-registrieren. Verwenden Sie hierzu eine Kalibrier-Sonde. Führen Sie anschließend Hotspot-Techniken durch, um TMS-empfindliche Bereiche auf der Großhirnrinde zu lokalisieren, die die größte Amplitude für motorisch evozierte Potentiale oder MEPs erzeugen.

Mit der geringsten Stimulationsamplitude registrieren Sie mithilfe der kalibrierten stereotaktischen Registrierungsausrüstung und der dazugehörigen Software die Position des optimalen Stimulationsortes auf der Kopfhaut des Probanden. Abschließend bestimmen Sie die Stimulationschwelle des Probanden, indem Sie die Amplitude der Stimulation an der ausgewählten Stelle so weit senken, bis in 50 % der Fälle MEPs mit mindestens 50 Mikrovolt ausgelöst werden. Zunächst richten Sie die VR-Umgebung für die Verhaltensaufgabe gemäß dem Herstellungsprotokoll ein.

Unter Verwendung kommerzieller VR-Software, die mit dem Headset und dem Bewegungserfassungssystem kompatibel ist. Digitale Ausgänge über den parallelen Anschluss zur Synchronisierung und Markierung spezifischer Ereignisse von Interesse. Verbinden Sie den VR-Ausgang mit der Synchronisationsschaltung sowie mit anderen Geräten, die synchronisiert werden sollen, indem Sie Kabel mit passenden Steckverbindern verwenden.

Informieren Sie die Versuchsperson über die Anforderungen der Aufgabe, die sie in der VR durchführen wird. Bitten Sie die Versuchsperson, auf sphärische Ziele zu zeigen, sobald diese in ihrem Sichtfeld erscheinen. Sobald die Versuchsperson die Aufgabe verstanden hat und Gelegenheit hatte, sie zu üben, beginnen Sie die Aufzeichnung der EMG-Bewegungserfassungsdaten und der Synchronisierungssignale während eines einzelnen VR-Synchronisationstrials.

Die Software löst die Aufzeichnung von Signalen durch die EMG-Ausrüstung aus, die die neuromuskuläre Aktivität während Bewegungen des oberen Extremitäts darstellen. Zudem löst sie die Aufzeichnung kontinuierlicher Bewegungsdaten durch die Motion-Capture-Ausrüstung aus. Dieses Signal kann verwendet werden, um die EMG- und Motion-Capture-Daten zu synchronisieren. Hier.

Die durchschnittliche winkelbasierte Kinematik und Dynamik sowie die zugehörige kontinuierliche und momentane neuromuskuläre Aktivität über 24 Versuche hinweg werden für eine einzelne Aufgabe dargestellt. Diese mehrdimensionalen Datensätze, die von der virtuellen Realität bereitgestellt werden, ermöglichen es Forschenden, spezifische Mechanismen der menschlichen motorischen Steuerung zu untersuchen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein allgemeines Verständnis dafür haben, wie mehrere Datenströme synchronisiert werden können, die während menschlicher Bewegungsexperimente wie EMG und Bewegungsaufnahme erfasst werden. Dieses Vorgehen kann auf zusätzliche Systeme wie die Elektroenzephalographie erweitert werden.

Außerdem kann die elektrische Stimulation peripherer Nerven nach ihrer Entwicklung auch verwendet werden, um den Beitrag sensorischer Rückkopplung zur motorischen Kontrolle zu bewerten. Diese Technik ebnete den Neurowissenschaftlern den Weg, um Veränderungen in der neural gesteuerten Bewegung bei Individuen mit Bewegungsstörungen wie Schlaganfall oder Rückenmarkverletzung zu erforschen.