Kombinieren mehrerer Datenerfassungssysteme zu kortikospinalen Ausgang und Multi-segment Biomechanik Studieren

Das übergeordnete Ziel dieser Methodik ist es, einen kostengünstigen Ansatz zur Integration von Studien zur Hirnstimulation und zur menschlichen Bewegung zu schaffen. Diese Methode kann Schlüsselfragen im Bereich der neuromotorischen Steuerung beantworten, z. B. wie die neurologische Leistung des motorischen Kortex während der laufenden Bewegung moduliert werden kann. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Durchführung der Hirnstimulation computerautomatisiert erfolgt und durch die spezifischen Parameter bestimmt wird, die für den Forscher von Interesse sind, wie z. B. den Gelenkwinkel oder das Ausmaß der Muskelaktivität.

Dieses Verfahren wird von Aaron Bailey, einem Doktoranden aus meinem Labor, demonstriert. Im Manuskript zu diesem Video finden Sie Anweisungen zur Einrichtung von Hardware und Software für dieses experimentelle Protokoll. Das hier gezeigte Diagramm gibt einen Überblick über die Hardwarekonfiguration.

Beginnen Sie mit dem Screening des Teilnehmers auf TMS-Sicherheit und holen Sie eine schriftliche und informierte Zustimmung für das Experiment ein. Erfassen Sie dann die Gesamtkörpermasse des Teilnehmers mit einer Waage. Verwenden Sie auch ein Maßband, um die Länge der Hand, des Unterarms und des Oberarms des Teilnehmers zu bestimmen, da diese Segmente später für die kinematische und kinetische Analyse verwendet werden können.

Bereiten Sie anschließend die Haut mit einem leichten Schleifgel auf die interessierenden Muskeln vor. Wischen Sie dann die Stelle mit Alkohol sauber. Verwenden Sie ein Impedanzmessgerät, um sicherzustellen, dass die Impedanz der Hautelektrode unter 10 Kiloohm liegt, um die EMG-Signalerfassung zu verbessern.

Platzieren Sie nun zwei Elektroden über den Bäuchen der Muskeln in einer bipolaren Montage. Für dieses Experiment platzieren Sie Elektroden über dem Bizeps brachii, dem Trizeps brachii, dem großen Brustmuskel, dem hinteren Deltamuskel und dem brachioradialis. Verbinden Sie abschließend mit den NC-Kabeln die Ausgänge des EMG-Verstärkers mit den analogen Kanälen Null, Eins, Drei, Vier und Fünf an der AD-Box.

Lokalisieren Sie den Scheitelpunkt mit dem International 10-20 Electroencephalography Electrode Placement System. Kalibrieren Sie die TMS-Spule mit der Neuronavigationssoftware auf den Teilnehmer. Die Lokalisierung des motorischen Hotspots für jeden interessierenden Muskel ist der kritischste Teil des Experiments.

falsche Positionierung des Motor-Hotspots oder eine falsche Ausrichtung der Spule kann Auswirkungen auf die erfassten Daten haben. Um den Motor-Hotspot zu lokalisieren, platzieren Sie die Spule zunächst auf der kontralateralen Hemisphäre des zu untersuchenden Arms oder der Hand und fünf Zentimeter lateral des Scheitelpunkts. Die Spule sollte flach auf dem Kopf des Teilnehmers liegen und so ausgerichtet sein, dass sie 45 Grad zur Sagittalebene beträgt.

Beginnen Sie dann mit etwa 30 % der maximalen Stimulatorleistung und geben Sie TMS-Impulse mit einem Interstimulus-Intervall von sechs Sekunden oder mehr ab, wie in der Suite-basierten Datenerfassungssoftware beschrieben. Bewegen Sie die TMS-Spule an leicht unterschiedliche Stellen auf der Kopfhaut und ändern Sie gleichzeitig leicht die Ausrichtung, bis ein motorisch evoziertes Potential im interessierenden Muskel beobachtet wird. Bestimmen Sie nun die motorische Ruheschwelle, indem Sie mit der Intensität beginnen, die bei etwa einem Millivolt die zuverlässigste Reaktion erzeugt.

Liefern Sie einzelne Impulse und zeichnen Sie die motorisch evozierte potenzielle Peek-to-Peek-Amplitude online auf. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie zuerst das Softwareprogramm zur visuellen Reizabgabe ausführen. Führen Sie dann die Skriptdatei für die experimentellen Versuche in der Suite-basierten Datenerfassungssoftware aus, wie im Manuskript zu diesem Protokoll beschrieben.

Geben Sie die gewünschten Informationen in das Konfigurationsdialogfeld ein, wie hier auf dem Bildschirm zu sehen. Mit diesen Werten werden das Timing und andere Einstellungen für die experimentellen Versuche konfiguriert. Die Stimulussätze und der Randomisierungswert steuern beispielsweise, wie oft der Testtyp in einem Block ausgeführt wird.

Motion-Capture-Sensoren werden am Patienten befestigt. Nach diesem Schritt wird die Software mit minimalen Benutzereingaben von selbst ausgeführt. Stellen Sie sicher, dass der Teilnehmer alle Aufgabenanweisungen versteht, und beginnen Sie dann mit dem Experiment.

Ein Test beginnt, wenn der Teilnehmer den Cursor in das Ziel der Ausgangsposition setzt. Dann erscheint eine neue visuelle Zielposition. Als nächstes wird über einen Digital-Analog-Ausgang auf der Datenerfassungsbox ein auditiver Go-Que ausgegeben und der Teilnehmer sollte den Cursor auf das neue Ziel bewegen.

Sie sollten den Cursor eine Sekunde lang auf dieser Zielposition halten und ihn dann in die Ausgangsposition zurückbringen, um auf den nächsten Versuch zu warten. Das analoge Signal des EMG löst den TMS-Impuls aus, der so konfiguriert sein sollte, dass er 100 Millisekunden nach dem auditiven Go-Que auftritt. Beobachten Sie den Teilnehmer und stellen Sie sicher, dass sich der Cursor während der Prüfungen in der Ausgangsposition und auf den Zielen befindet.

Das Experiment, wie hier zu sehen, besteht aus 21 Bedingungen, die aus sieben Zielbedingungen mit drei verschiedenen Zeitpunkten bestehen, zu denen ein TMS-Impuls ausgelöst wird. Die ungefähre Gesamtdauer des Experiments beträgt drei bis vier Stunden. In einem einzelnen Versuch zeigt das Schema auf der linken Seite die Startposition zu Beginn des Versuchs, während das Schema auf der rechten Seite die Endposition während des Versuchs zeigt.

Hier sehen wir die Peek-to-Peek-Amplitude des MEP, die von jedem Muskel aus dem einzelnen TMS-Impuls während des EMG-Beginns dieser Studie erhalten wurde. Die hier gezeigten Diagramme zeigen die Winkelverschiebung des Schulter- und des Ellenbogengelenks, während diese Diagramme die Winkelgeschwindigkeit an denselben Gelenken zeigen. Hier sehen wir die Kinetik an den Schulter- und Ellbogengelenken, wobei die blauen, grünen und roten Linien jeweils das Nettomuskel- bzw. Knochen-auf-Knochen-Kontaktmoment darstellen.

Diese Abbildung zeigt beispielhaft motorisch evozierte Potentiale, die vom Bizeps brachii und dem großen Brustmuskel aufgezeichnet wurden, während ein Ziel erreicht wurde, bei dem beide Muskeln aktiv sein müssen. Ebenfalls gezeigt werden motorisch evozierte Potentiale, die vom Trizeps brachii und dem hinteren Deltamuskel aufgezeichnet wurden, während ein Ziel erreicht wurde, bei dem diese Muskeln aktiv sein müssen. Einmal gemeistert, kann diese Technik in zwei bis drei Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Bei diesem Verfahren ist es wichtig zu bestimmen, welches analoge Signal, wie z. B. die EMG-Aktivität oder der Gelenkwinkel, verwendet wird, um den TMS-Impuls auszulösen. Diese Information wird durch den Kontext des Experiments bestimmt. Im Anschluss an dieses Verfahren können andere Methoden wie das EEG durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, z. B. ob Änderungen der Gehirnschwingungen parallel zu Veränderungen der kortikospinalen Ausgabe moduliert werden.