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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, eine verallgemeinerte Technik zur Synchronisierung mehrerer Datenströme zu veranschaulichen, die während biomechanischer Studien am Menschen aufgezeichnet werden. Dies wird durch die Verwendung von elektromyographischen und Motion-Capture-Signalen erreicht, um ein analoges Synchronisationsereignis zu erzeugen, das unabhängig voneinander von zwei oder mehr Systemen aufgezeichnet werden kann. In einem zweiten Schritt können einfache Schaltungsbausteine entworfen werden, die dieses Ereignis in Signale umwandeln, die für jedes Aufzeichnungsgerät geeignet sind.

Verwenden Sie als Nächstes eine Analysesoftware, um die Synchronisationsereignisse vorübergehend über die unabhängig voneinander aufgezeichneten Signale auszurichten, um alle Signale zu synchronisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mehrere biomechanische Signale vorübergehend innerhalb der Abtastfrequenzen der jeweiligen Datenaufzeichnungssysteme ausgerichtet werden können, was die Sammlung eines reichhaltigen experimentellen Datensatzes menschlicher naturalistischer Bewegungen zur Untersuchung der neuromuskulären Kontrolle ermöglicht. Es gibt eine Vielzahl komplexer Fragen in den Bereichen Motorik und Biomechanik, die am besten durch die Untersuchung der natürlichen menschlichen Bewegung in einer Laborumgebung beantwortet werden können.

Hier beschreiben wir die Methode zur Verwendung von Virtual Reality zur Definition von Verhaltensaufgaben, bei denen mehrere physiologische Signale gleichzeitig aufgezeichnet werden. Der Vorteil eines auf Virtual Reality basierenden Versuchsaufbaus gegenüber bestehenden Methoden wie hardwarebasierten Behavioral Rigs besteht darin, dass er sehr schnell an verschiedene Experimente sowie an die einzigartige Anatomie der einzelnen Teilnehmer angepasst werden kann. Bei Verhaltensexperimenten ist es üblich, mehrere Signale gleichzeitig aufzuzeichnen, die das Verhalten quantifizieren, wie z. B. Elektromyographie und Bewegungserfassung.

Unsere Methode bietet eine Lösung für das Problem der zeitlichen Ausrichtung dieser Signale, indem sie eine benutzerdefinierte Synchronisationseinheit verwendet, die herstellerübergreifend kompatibel ist. Beginnen Sie damit, alle erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen den EMG-Geräten, einschließlich Verstärkern, Vorverstärkern, Sensorkabeln und Sensorpads, gemäß den Herstellerspezifikationen herzustellen. Reinigen Sie jede Elektrodenstelle, um konsistente und niedrige Elektroden-Haut-Impedanzwerte zu gewährleisten.

Weisen Sie dann den Probanden an, isometrische Kontraktionen der einzelnen interessierenden Muskeln durchzuführen, und befestigen Sie die EMG-Elektroden über der palpierten Stelle der Muskelkontraktion. Berücksichtigen Sie dabei die Ausrichtung der aktiven Stellen entlang der Muskelfasern. Befestigen Sie die Masseelektrode an der Haut über dem siebten Wirbel von C.

Um die Signalqualität zu testen, überprüfen Sie als Nächstes die verstärkten EMG-Signale auf dem Computer, während der Proband jeden interessierenden Muskel anspannt. Verringern Sie schließlich die Verstärkungsgewinne, wenn EMG-Signale während der Muskelkontraktionen, die für die Verhaltensaufgabe erforderlich sind, gesättigt sind. Beginnen Sie mit der Kalibrierung der Motion-Tracking-Kameras gemäß den Anweisungen des Herstellers.

Kleben Sie aktive LED-Sensoren an knöcherne Orientierungspunkte in der Nähe der Armgelenke und anderer anatomischer Punkte wie Finger, Handgelenk, Schulter und Brust. Befestigen Sie einen weiteren LED-Sensor an der Virtual-Reality- oder VR-Brille, um den Blickwinkel in der virtuellen Umgebung festzulegen. Verbinden Sie dann jede LED mit einem Kabelbaum, der an der drahtlosen Treibereinheit befestigt ist.

Schalten Sie die Treibereinheit ein und sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Beleuchtung aller LEDs. Positionieren Sie abschließend die Synchronisations-LED an einer Stelle, die vom Motiv entfernt, aber in freier Sicht der Motion-Capture-Kameras ist. Kalibrieren Sie zunächst das transkranielle Magnetstimulations- oder TMS-Gerät und die Software, um eine genaue Platzierung der Spule zu ermöglichen.

Registrieren Sie dazu die TMS-Spulen mit anatomischen Orientierungspunkten wie den präaurikulären NAS-Punkten und der Nasenspitze. Mit einem Kalibrierungszeiger. Führen Sie dann Hotspot-Techniken durch, um TMS-empfindliche Regionen auf dem Kortex zu lokalisieren, die die größte Amplitude für motorisch evozierte Potentiale oder Meps erzeugen.

Bei der niedrigsten Stimulationsamplitude erfassen Sie die Position der besten Stimulationsstelle auf der Kopfhaut des Probanden mit dem kalibrierten stereotaktischen Registrierungsgerät und der Software. Messen Sie schließlich die Schwelle des Probanden, indem Sie die Stimulationsamplitude an der ausgewählten Stelle verringern, bis in 50 % der Fälle MEPS von mindestens 50 Mikrovolt hervorgerufen werden. Richten Sie zunächst die VR-Umgebung für die Verhaltensaufgabe gemäß dem Protokoll des Herstellers ein.

Durch die Verwendung kommerzieller VR-Software, die mit dem Headset- und Motion-Tracking-Systemprogramm kompatibel ist. Digitale Ausgänge über die parallele Schnittstelle zur Synchronisierung und Markierung bestimmter Ereignisse von Interesse. Verbinden Sie den VR-Ausgang mit der Synchronisationsschaltung sowie anderen zu synchronisierenden Geräten mithilfe von Kabeln mit passenden Anschlüssen.

Informieren Sie ihn über die Anforderungen der Aufgabe, die er oder sie in VR ausführen wird. Bitten Sie das Motiv, auf sphärische Ziele zu zeigen, wenn diese in seinem Sichtfeld erscheinen. Sobald der Proband die Aufgabe verstanden hat und die Möglichkeit hat, sie zu üben, beginnt er mit der Aufzeichnung von EMG-Bewegungserfassungsdaten und Synchronisationssignalen während eines einzelnen VR-Synchronisationsversuchs.

Die Software löst das EMG-Gerät aus, um Signale aufzuzeichnen, die die neuromuskuläre Aktivität veranschaulichen, die bei Bewegungen der oberen Extremität aufgetreten ist. Es löst auch die Motion-Capture-Ausrüstung aus, um kontinuierliche Bewegungsdaten aufzuzeichnen. Dieses Signal kann zur Synchronisierung der EMG- und Motion-Capture-Daten verwendet werden. Hier.

Die durchschnittliche Winkelkinematik und -dynamik und die damit verbundene kontinuierliche und momentane neuromuskuläre Aktivität über 24 Versuche werden für eine einzelne Aufgabe gezeigt. Diese mehrdimensionalen Datensätze, die die virtuelle Realität zur Verfügung stellt, ermöglichen es den Forschern, spezifische motorische Kontrollmechanismen des Menschen zu untersuchen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein allgemeines Verständnis dafür haben, wie Sie mehrere Datenströme synchronisieren können, die während der menschlichen Bewegung aufgezeichnet werden können. Experimente wie EMG und Bewegungserfassung, Dieses Verfahren kann um zusätzliche Systeme wie die Elektroenzephalographie erweitert werden.

Darüber hinaus kann die elektrische Stimulation peripherer Nerven auch verwendet werden, um den Beitrag des sensorischen Feedbacks zur motorischen Kontrolle nach seiner Entwicklung zu bewerten. Diese Technik ebnete den Weg für Neurowissenschaftler, Veränderungen in der neuronal kontrollierten Bewegung bei Menschen mit Bewegungsstörungen wie Schlaganfall oder Rückenmarksverletzung zu untersuchen.