Method Article

La combinación de sistemas de adquisición de datos múltiples para el Estudio de salida corticoespinal y multi-segmento de Biomecánica

DOI:

10.3791/53492

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January 9th, 2016

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1Department of Kinesiology, McMaster University, 22Els Espots

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El uso de la estimulación magnética transcraneal (EMT) para estudiar el control motor humano requiere la integración de sistemas de adquisición de datos para controlar la entrega de EMT y registrar simultáneamente el comportamiento humano. El presente manuscrito proporciona una metodología detallada para la integración de sistemas de adquisición de datos con el propósito de investigar el movimiento humano a través de TMS.

Abstract

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Las técnicas de estimulación magnética transcraneal permiten una investigación en profundidad de los mecanismos neuronales que sustentan el comportamiento humano. Hasta la fecha, el uso de la EMT para estudiar el movimiento humano se ha visto limitado por los desafíos relacionados con la sincronización precisa de la entrega de la EMT a las características del movimiento en desarrollo y, también, por la caracterización precisa de la cinemática y la cinética. Para superar estos desafíos técnicos, los sistemas de entrega y adquisición de TMS deben integrarse con un sistema de seguimiento de movimiento en línea. El presente manuscrito detalla innovaciones técnicas que integran múltiples sistemas de adquisición para facilitar y avanzar en el uso de TMS para estudiar el movimiento humano. Utilizando sistemas de software y hardware disponibles en el mercado, se proporciona un enfoque paso a paso tanto para el ensamblaje de hardware como para los scripts de software necesarios para realizar estudios de TMS desencadenados por características específicas de un movimiento. El abordaje se centra en el estudio de los movimientos de alcance de las extremidades superiores, planos, multiarticulares. Sin embargo, el mismo sistema integrador es susceptible de una multitud de estudios sofisticados del control motor humano.

Introduction

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La estimulación magnética transcraneal (TMS) es un método no invasivo para estimular la corteza humana. 3,5 Hay varios protocolos de TMS que se utilizan para entender la función cortical, tales como pulsos individuales y múltiples, la estimulación de doble sitio para sondear la conectividad funcional, y pulsos repetitivos para promover la plasticidad neural. 4,6-8 protocolos TMS también se pueden combinar para avanzar en la comprensión actual de los procesos corticales humanos y guiar las estrategias de rehabilitación neuronales. Además de estimular la corteza, TMS también se puede utilizar para comprender la función sub-cortical por la estimulación del tracto corticoespinal o el cerebelo.

Uno de los mayores retos técnicos que actualmente se enfrenta la investigación TMS es la posibilidad de estudiar el papel de las áreas corticales durante dirigido a un objetivo movimiento voluntario en humanos. Varias consideraciones contribuyen a este desafío técnico. En primer lugar, la entrega de TMS se debe combinar con en tiempo real el movimiento humano cApture. De esta manera, los impulsos TMS pueden ser entregados o disparada por las características dentro de una secuencia de movimiento que proporciona un enfoque tiempo-bloqueado para estudiar el movimiento complejo. En segundo lugar, la integración de la entrega TMS y captura de movimiento permite una caracterización detallada de movimiento complejo que se desarrolla, que avanzar en la comprensión de las relaciones cerebro-conducta que apuntalan el control motor. En la actualidad, no existen sistemas disponibles en el mercado que inclusive integran metodologías TMS y de captura de movimiento. Para los neurocientíficos en el ámbito de control del motor, este vacío normalmente se traduce en mucho tiempo, los desafíos técnicos para integrar los sistemas de adquisición de datos software y hardware y entrega múltiples. Esta limitación técnica también ha dado lugar a la investigación escasa dedicada al estudio de los movimientos multi-articulares dinámicas que implican el miembro superior. Para TMS para avanzar en el campo del control motor humano, es imprescindible que la función cortical se sondeó durante complejo movimiento humano.

Integrar efectivamente metodologías TMS y de captura de movimiento, el sistema de adquisición debe permitir en tiempo real TMS simultánea y de captura de movimiento. En segundo lugar, el sistema debe ser adecuado para estudiar la cinemática de movimiento (es decir., La descripción del movimiento), la cinética de movimiento (es decir., Fuerzas que causan el movimiento), y la actividad muscular. En tercer lugar, el sistema debe ser capaz de sincronizar pulsos de TMS a estas características de movimiento, y ser activado por criterios basados ​​en las características de movimiento complejos. Tal sistema proporcionará un enlace esencial entre la función cortical y cinemática y la cinética de movimiento.

Este manuscrito detalla un enfoque único para integrar métodos de TMS y de captura de movimiento. Este enfoque permite un análisis detallado de la mecánica de los movimientos multi-articulares complejas, y permite el control de impulsos TMS provocados por las características específicas del movimiento (es decir, la cinemática, cinética, o la actividad muscular) automatizado. Además, este acq datossistema uisition permite TMS y de captura de movimiento para integrarse con los paradigmas experimentales que requieren tareas viso-motoras o sensoriomotoras. Este manuscrito detalla un enfoque innovador para integrar los sistemas de hardware y software de captura de movimiento comúnmente usados ​​con el propósito de combinar TMS y la adquisición movimiento humano y el análisis. Los datos se presentan mediante un estudio de muestreo de funcionamiento cortical humano durante el movimiento multi-articular plana. Las secuencias de comandos de software necesarios para llevar a cabo el experimento están disponibles para su descarga.

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Protocol

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NOTA: El siguiente protocolo se puede aplicar a una variedad de experimentos. A continuación se presentan detalles sobre un experimento que consiste en un brazo llegar tarea guiada visualmente a uno de los seis objetivos espaciales que aparecen en un monitor de computadora. TMS, para sondear la excitabilidad corticoespinal, se desencadena por cualquiera de las señales analógicas que surgen del movimiento (es decir, EMG o la entrada electrogoniómetro) señales digitales generadas por el software de adquisición de datos basados ​​en barrido o. Este estudio fue aprobado por el Consejo de Ética de Investigación de McMaster, de conformidad con la Declaración de Helsinki. Se proporciona un conjunto de datos de la muestra.

Requisitos 1. Hardware / software

NOTA: La Figura 1 muestra un esquema de los requisitos de hardware para integrar los sistemas TMS y de captura de movimiento en el contexto de un experimento visuo-motor controlado por ordenador.

  1. Equipar dos computadoras de escritorio con puertos serie y paralelo (si no está disponible). Equipar PC 1 (Figura 1) con el software de adquisición de datos basado en barrido, y PC 2 con un programa de software de entrega de estímulo visual.
  2. Operaciones de Software
    1. Caja Interna analógico / digital (A / caja D) Operaciones
      NOTA: Las siguientes operaciones proporcionan información a los lectores si les gustaría crear un programa de software similar a sí mismos. Estos pasos no son esenciales para llevar a cabo el experimento, ya que el experimento puede simplemente utilizar el software proporcionado por los autores, pero directrices se proporcionan para permitir a los usuarios crear su propio software.
      1. Crear un archivo de secuenciador en el software de adquisición de datos basados ​​en barrido (ver 'archivo de secuenciador' ejemplo (Información complementaria 2) para ser ejecutado en el PC 1.
        NOTA: Un ejemplo de las operaciones para crear un archivo de secuenciador utilizando el software de adquisición de datos basados ​​en barrido en este experimento se puede encontrar en http://ced.co.uk/products/signal#script.
        NOTE: Este archivo actúa para proporcionar toda la temporización precisa que se requiere que la secuencia se ejecuta en paralelo con la adquisición de datos reales y permite flexibilidad junto con la sincronización sincrónica de disparadores externos. Los cambios en los criterios de activación externos se pueden realizar en el cuadro de diálogo de configuración que se planteó cuando se ejecuta la secuencia de comandos (consulte la sección "pruebas experimentales" para más detalles y "Sequencer Archivo" captura de pantalla).
      2. Crear subrutinas separadas dentro del archivo de secuenciador para controlar la generación de señal auditiva y los criterios de activación de TMS. Haga que una subrutina controlar la señal auditiva basada en las aportaciones de software de visualización estímulo visual. Además, tener un control subrutina el TMS activación basada en las aportaciones de una entrada analógica a la caja de A / D.
        NOTA: Un ejemplo de cómo subrutinas separada están contenidas dentro de un archivo de secuenciador se proporciona en la Información Complementaria (archivo de script y secuenciador). Consulte 1.2.1.1 para la ayuda adicional página webespecífico para el sistema de software utilizado en esta demostración. Esta configuración permite la generación de señal auditiva que se produzca de forma paralela a las pruebas para los criterios de activación TMS.
      3. Crear líneas de código en el archivo de secuenciador que llama a las subrutinas (descritos en 1.2.1.2). Haga que cada función subrutina tal que esperar a la llegada de los insumos de sus fuentes (es decir, el software de visualización de estímulo visual para señal auditiva y entrada analógica para gatillo TMS).
    2. La conexión y la comunicación entre el sistema de captura de movimiento electromagnético para el software de adquisición de datos basados ​​en barrido
      1. Para obtener el sistema de captura de movimiento electromagnética para generar continuamente los datos, generar líneas de código en el archivo de comandos del software de adquisición de datos basados ​​en barrido para emitir una serie de comandos a la captura de movimiento electromagnética a través de la conexión en serie (estos comandos deben ser encontrados en el manual del sistema de captura de movimiento electromagnética).Estos comandos se encuentran en el archivo de script descargable (script_file.sgs, ver líneas 88 a 114 y 635 a 650).
      2. Crear líneas de código para tener el archivo script añadir los datos de captura de movimiento para cada barrido juicio. A continuación, tiene el guión pasar los datos de captura de movimiento a través de una conexión en serie de PC 1 para el software de entrega de estímulos visuales (PC 2) para controlar la posición del cursor en forma de cruz en el monitor de la PC 2.
        NOTA: Esta secuencia de eventos permite la captura de movimiento electromagnética para generar datos ASCII de forma continua, y los datos son luego lee de la línea serie.
      3. Al final de un experimento, crear líneas de código para tener el archivo de script send comandos para desactivar la salida de datos del sistema de captura de movimiento electromagnético. Para ello, tener el software de adquisición de datos basados ​​en barrido enviar líneas de texto que llevan a cabo una serie de sensor seguido de seis valores de coordenadas (véase script_file.sgs para los códigos de comandos utilizadas para esta demostración, en concreto las líneas 88 a 114 y 653 a 658).
        NOTA: Para más información sobre estos comandos también se encuentran en el sitio web electromagnética sistema de captura de movimiento (sección 1.2.1.1).
        NOTA: Antes de extraer los valores numéricos, que la cadena "saneado" porque si la coordenada fue negativo, no puede ser separado del número anterior por cualquier carácter de espacio.
    3. Software de adquisición de datos basados ​​en barrido al estímulo visual de comunicación software de entrega
      1. Puesta en marcha tres canales separados de comunicación entre el software de adquisición de datos basado en el barrido y el software de entrega estímulo visual.
      2. Puesta en marcha dos líneas serie que se utilizan para transportar datos de texto en ambas direcciones entre el PC 1 y PC 2. Para ello, conecte un cable serie entre el PC 1 y PC 2 (cada línea serie siendo unidireccional entre cada PC, Figura 1).
      3. Conectar PC 2 a la caja de A / D. Para ello, cree, o una compra, un cable que tiene un puerto LPT en uno de ellos end y una conexión BNC macho en el otro extremo. Conecte el puerto LPT al PC 2 y conecte la conexión BNC a la entrada de disparo en la caja de A / D.
        NOTA: Esta conexión permite que la línea para llevar un pulso generado por el puerto LPT1 en el sistema de software de entrega de estímulos visuales a la entrada de la caja de disparo A / D (es decir, PC 2, Figura 1.).
        NOTA: La señal TTL asegura una sincronización precisa del inicio del barrido de adquisición de datos en sincronía con las operaciones de software de entrega estímulo visual, mientras que las líneas serie transferidos para toda la demás información.
        NOTA: Asegúrese de utilizar tarjetas PCI-Express LPT y COM del puerto reales instalados en el PC con el software de entrega de estímulos visuales. Esta configuración permite que el software funcione con éxito y es muy recomendable. Las comunicaciones de software de entrega de estímulos visuales, están llevando a cabo en un nivel bajo para evitar cualquier retraso, por lo general no funcionan de forma fiable sobre el simulada LPT y hardware de puerto COM providcado por dongles USB.
      4. Establezca los valores de duración del ensayo a 20 ms en el archivo de software de entrega de estímulos visuales, como valores mucho más corto o más largo que 20 ms causa problemas. Recursos sobre cómo completar este proceso se pueden encontrar en la siguiente página web: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Vea las líneas 39 a 46 en el archivo de escenario previsto en los documentos complementarios (archivo de escenario Presentación).
        NOTA: Dado que las operaciones de software de entrega de estímulos visuales están íntimamente ligados a la generación de la imagen, y en nuestra experiencia las comunicaciones serie no se comportaron como se esperaba, a menos que la duración del ensayo establecido en la función de ensayo fue adecuada (es decir, 20 ms.).
      5. Crear protocolos de comunicación para transmitir información entre el software de adquisición de datos basado en el barrido y el software de entrega estímulo visual.
        NOTA: Las secciones 1.2.3.7 a 1.2.3.11 describen cómo esto se completa. Ver los recursos previstos en el paso 1.2.1.1y 1.2.3.5 para obtener más asistencia para el software de adquisición de datos basado en el barrido y el software de entrega de estímulos visuales, respectivamente.
      6. Para el software de adquisición de datos basados ​​en barrido a la dirección software de entrega de estímulos visuales, crear líneas de código en el software de adquisición de datos basados ​​en barrido enviar dos formas de información; números de prueba para iniciar y detener un juicio, y las posiciones del cursor en forma de cruz. Tener el software de adquisición de datos basados ​​en barrido enviar toda la información como líneas de texto termina con un avance de línea. Ver líneas 700-708 en el archivo de script de señal de cómo esto se terminó.
      7. Para el software de entrega de estímulo visual para distinguir dos tipos de información, establecer el carácter inicial de ser un 0 o un 1 seguido de uno o dos números de acuerdo con el tipo de información, con todos los valores están separados por espacios. El software de entrega estímulo visual no tendrá ninguna dificultad en el tratamiento de esta información. Ver líneas 89-153 del archivo de escenario para ver hujo de esta operación se completó en el software de entrega de estímulos visuales.
      8. En el software de entrega estímulo visual a basado barrer dirección software de adquisición de datos, crear líneas de código desde el software de entrega estímulo visual que da salida a valores enteros individuales, de 0 a 9, para ser enviado al software de adquisición de datos basado en barrido como única ASCII caracteres '0' al '9' seguido de un salto de línea. Ver líneas 82 a 87 del archivo de escenario para determinar cómo se ha completado esta operación.
      9. Crear líneas de código en el software de entrega de estímulos visuales para enviar valores de 0 y 1 para devolver información al sistema de adquisición de datos basados ​​en barrido con respecto a si el participante había alcanzado la posición de destino. Ver líneas 72 a 80 y 154 a 220 en el archivo de escenario para determinar cómo se ha completado esta operación.
      10. Crear líneas de código en el software de entrega de estímulos visuales para enviar información sobre el mensaje de fin de ensayo (es decir,
    4. Secuencia de operaciones dentro de un ensayo
      1. Puesta en marcha de la secuencia de un ensayo de tal manera que la ejecución de un juicio es compartida entre el software de adquisición de datos basado en el barrido y el software de entrega de estímulos visuales, con el software de adquisición de datos basados ​​en barrido ser 'responsable' de la secuencia general.
      2. Ponga el software de adquisición de datos basados ​​en barrido en el control de la secuenciación del experimento debido a que el software de adquisición de datos basados ​​en barrido genera el archivo de datos real que necesita ser anotado con datos de prueba y, por lo tanto, se requiere menos comunicación.
      3. Puesta en marcha el guión de tal manera que la secuencia de operaciones se inicia con el software de adquisición de datos basados ​​en barrido selección de la configuración de los ensayos siguientes (posición de destino y TMS tipo de disparo). Ver líneas 335 a 345, y los bucles correspondientes descritos en estas líneas, en el archivo de secuencia de comandos para comprender cómo llevar a cabo estas operaciones.
        NOTA: Los lazos también están contenidas en el archivo de comandos.
      4. A continuación, tendrá los parámetros establecidos software de adquisición de datos basados ​​en barrido en la caja de A / D controlar el tipo de disparo TMS y otros aspectos del ensayo. Para ello, tiene el software de adquisición de datos basados ​​en barrido iniciar la recolección de datos de tal manera que la caja A / D está esperando un disparo de barrido desde el software de entrega de estímulos visuales, y notifica al software de entrega estímulo visual sobre la línea de serie del número de destino (1 a 7) utilizada, que hace que el software de entrega de estímulo visual para iniciar un ensayo (es decir., a través del pulso TTL). Ver líneas 180-303 de la secuencia de comandos de señal para entender cómo llevar a cabo esta operación.
      5. Después de completar el paso anterior, tendrá la espera software de adquisición de datos basados ​​en barrido para completar la colección de un sweep de los datos por parte de la caja de A / D, y añadir los datos de posición que recibe del sistema de captura de movimiento electromagnética a los datos incluidos en la muestra. Ver líneas 117-178 y 661 a 697 de el archivo de comandos para obtener información sobre cómo llevar a cabo esta operación.
      6. Puesta en marcha el software de entrega estímulo visual para controlar la posición del cursor en forma de cruz sujetos controlados. Puesta en marcha el software de entrega estímulo visual para mover el objetivo a la posición especificada y generar un pulso TTL en el puerto LPT1 después de que el cursor esté en la posición de reposo por un período determinado de tiempo (definido en el software de entrega estímulo visual). Vea las líneas 89 a 232 en el archivo de escenario de cómo llevar a cabo este paso.
      7. Crear líneas de código que hace que el software de entrega de estímulo visual envía un pulso TTL para activar la adquisición de datos cuadro de A / D y, con ello, iniciar la sincronización de prueba dentro de la caja A / D. Ver líneas 222-232 del archivo de escenario sobre cómo completar este paso.
      8. Al mismo tiempo, tener la visualarchivo de escenario software de entrega de estímulos comenzar un retraso después de lo cual se moverá el objetivo a la posición especificada y comenzar a supervisar el puntero de precisión para mirar por ella 'golpear' el objetivo (es decir., queda en blanco durante un período determinado). Puesta en marcha el software de entrega estímulo visual tal que continúa este control de la posición del cursor en forma de cruz hasta que el software de adquisición de datos basados ​​en barrido informa al software de entrega de estímulo visual de la finalización del ensayo.
        NOTA: Estas operaciones están en la misma línea de código en el archivo de escenario siempre en pasos 1.2.4.6 y 1.2.4.7.
      9. Dentro de la caja A / D, crear un retardo de tiempo. Durante un período de tiempo determinado, correr hasta el final de la demora, que el monitor de software dos señales EMG (NOTA: podría ser cualquier señal analógica) para comprobar que son de baja amplitud (este valor de amplitud es definido por el usuario). Los autores recomiendan una amplitud EMG de +/- 100 mV o ~ 1% de la máxima activación voluntaria 'a los participantes. Vea las líneas 45 a 75 en el archivo de secuenciador para completar esta operación.
      10. Crear líneas de código que hace que el inicio de este tranquilo periodo de monitorización EMG marcado por un marcador digital de caja generado A / D con el código 1. Además, si se detecta un 'no tranquila "señal EMG, no permitir más lejos A / salidas de caja D (por ejemplo., pitido o gatillo TMS) se generarán durante el juicio. Establecer un comando en el software de tal manera que si hay un 'no tranquila "señal EMG, el ensayo se repite. Ver las líneas mencionadas en el paso 1.2.4.9 líneas más 118 a 124 del archivo de secuenciador y líneas 347-420 del archivo de script para estas operaciones.
      11. Al final de la demora, y después de la grabación de señales EMG tranquilas, tiene la caja A / D genera un pulso de salida DAC 0 (en esta configuración, la salida DAC produce un pitido audible). Tiene una caja de A / D -generated punto de datos digital de marcar la hora de inicio del 'pitido' con 'código 2' Ver líneas 126-138 del archivo de secuenciador para entender cómopara completar esta operación.
      12. Puesta en marcha la secuencia de comandos en el software de adquisición de datos basados ​​en barrido de tener la caja de A / D controlar el tiempo de barrido y de señales entrantes, y generar un disparador TMS basado en los criterios adecuados. Crear líneas de código de tal manera que un "código 3 'punto de datos digitales marca el momento de este disparador TMS (si se produce). Ver líneas 77-116 del archivo de secuenciador para comprender cómo llevar a cabo esta operación.
      13. Haga que el período de espera, para las condiciones de disparo adecuados, continuar hasta un período determinado antes del final del barrido.
        NOTA: Esto evita que el juicio que se produzcan infinitamente si no se cumple un criterio. Vea las líneas 65 a 76 y 118 a 138 en el archivo de secuenciador para comprender cómo llevar a cabo esta operación.
      14. Puesta en marcha del software de adquisición de datos basados ​​en barrido para detectar la finalización de la recogida de datos cuadro de A / D y notificar el software de entrega estímulo visual que el juicio ha terminado. Ver líneas 180-303 del archivo de comandos de entendercómo llevar a cabo este paso.
      15. Cuando el software de entrega de estímulos visuales se notifica que el juicio ha terminado, tener el software de entrega de estímulos visuales devolver el objetivo a la posición inicial y enviar la información al software de adquisición de datos basados ​​en barrido con respecto a si el participante 'golpeó' el objetivo. Tener el software de adquisición de datos basados ​​en barrido "etiqueta" del marco de reciente muestreo de datos si el participante no 'golpeó' el blanco ,. Ver líneas 89-221 del archivo escenario de cómo llevar a cabo esta operación.
      16. Puesta en marcha la secuencia de comandos en el software de adquisición de datos basados ​​en barrido que esperar a que un retraso posterior a la prueba y al final de este retraso, que el retorno proceso al paso 1 y descartar los datos muestreados y repitiendo la última prueba si el sweep- software de adquisición de datos basado no provocó TMS, o pasar a la siguiente prueba si todo estaba en 'Aceptar'. Ver líneas 180-303 y bucles en el archivo de comandos correspondientes para la comprensión de cómo completar esteoperación.
        NOTA: El software de adquisición de datos basado en el barrido y el software utilizado máquinas de estado de entrega de estímulos visuales para controlar la secuencia necesaria de operaciones porque permitió un fácil ajuste del comportamiento experimental, según sea necesario.
  3. Coloque los sensores en puntos de referencia óseos a los datos de captura de movimiento adquirir. Para recoger los datos relativos a armar la postura, sensores lugar en el tronco (muesca supraesternal), hombro (acromion), el codo (8 mm superior al epicóndilo lateral), y la muñeca (entre los huesos semilunar y capitados en el dorso de la mano y en línea con el dígito 3º), según las recomendaciones para realizar un seguimiento centros conjuntos de rotación con sensores mínimos. 10

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Figura 1. Hardware Set-up. Para tener en cuenta los datos de captura de movimiento electromagnética para ser enviado a la barridasoftware de adquisición de datos basado en el software de entrega y estímulo visual, primero se ensamblan los 4 sensores electromagnéticos con la consola del sistema. Conecte la consola del sistema a la PC 1 con un cable serie de 9 pines. Conecte el PC 1 al PC 2 con un cable serie de 9 pines. Para permitir la entrega de TMS, conecte el PC 1 con la caja de A / D con un cable USB y conectar un cable BNC entre la caja de A / D y la unidad de TMS. Para permitir la grabación de EMG, conecte el EMG conduce al amplificador EMG y conecte el amplificador EMG para un cuadro / D a través de cables BNC. Conecte el electrogoniómetro (Elgon) a la caja de A / D a través de un cable BNC para registrar los cambios de ángulo conjuntas en línea. Para permitir que el software de entrega de estímulos visuales para desencadenar el inicio de prueba, conecte el PC 2 a la entrada de la caja de disparo A / D a través de un puerto LPT al cable BNC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Conectividad Hardwaredurante el experimento (Figura 1)
    1. Conecte el sistema de captura de movimiento electromagnética a la PC que ejecuta el software de adquisición de datos basados ​​en barrido con un 9 pines cables serie.
    2. Haga que el cuadro de adquisición de datos coordinar la entrega TMS y la grabación de los datos de captura de movimiento, etc. Esto se realiza toda la operación antes mencionada que figura en los archivos de script y secuenciador. Conecte un cuadro / D mediante un cable USB a la PC 1 y un BNC paralelo cable del A / D de entrada de caja de gatillo para PC 2.
    3. Enchufe el EMG conduce en al filtro EMG (de paso de banda ajustado a 20 y 2500 Hz) y el amplificador (x1,000 ganancia) para la recolección de la actividad EMG y la salida corticoespinal medida como los potenciales evocados motores (MEP).
    4. Conecte el estimulador magnético transcraneal monofásica a las salidas digitales de la caja de adquisición de datos adecuado (Salida digital '0' en este experimento) para permitir que el software de adquisición de datos basados ​​en barrido en PC1 para activar los impulsos TMS durante el experimento. li>
    5. Conecte un electrogoniómetro a la caja de la adquisición de datos en el canal analógico 2. Esta conexión permite que el software de adquisición de datos basados ​​en barrido para desencadenar TMS basado en ángulo del hombro utilizando el software proporcionado por los autores.
    6. Construir o comprar un dispositivo de brazo de refuerzo que apoya el brazo contra la gravedad. Este dispositivo permite movimientos planas en el plano horizontal (véase la figura 2). Si la construcción del dispositivo, un ejemplo de dibujo está disponible a petición del autor correspondiente. Figura 2 muestra una foto del dispositivo que se utiliza en la manifestación.

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Figura 2. Brazo Dispositivo de apoyo. Representado es un participante colocado en el brazo Dispositivo de apoyo, mientras que una bobina de EMT se coloca sobre el cuero cabelludo del participante.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Experimento Set-up

  1. Las medidas antropométricas
    1. Registre la masa total del cuerpo del participante mediante una escala.
    2. Medir la longitud de todos los segmentos para el análisis cinemático y cinético. Por ejemplo, en esta aplicación con el brazo, medir la longitud de la mano, el antebrazo y parte superior del brazo con una cinta métrica.
    3. Calcular las medidas antropométricas, como el centro del segmento de la masa, el centro del segmento de ubicación masa y radio de giro utilizando ecuaciones de la literatura de investigación. 9,12,13 (Ver Información Complementaria 1).
  2. EMG puesta a punto
    1. Preparar la piel sobre el músculo (s) de interés con un gel abrasivo luz y limpiar con alcohol. Compruebe la impedancia con un medidor de impedancia. Asegúrese de que la impedancia de la piel-electrodo es inferior a 10 kW para mejorar la señal EMG Acquisición.
    2. Coloque dos electrodos sobre el vientre muscular de los músculos de interés en un montaje bipolar. Los autores dirigen al lector a los recursos para ayudar con la colocación de EMG. 2 Para este experimento, colocar electrodos sobre el bíceps braquial, tríceps braquial, pectoral mayor, deltoides posterior, y supinador largo.
    3. El uso de cables BNC, conecte las salidas del amplificador EMG para los canales analógicos 0, 1, 3, 4 y 5 (para este experimento concreto, los canales relacionados con los utilizados en los scripts descargables) en la caja de A / D.
  3. TMS
    1. Calibrar la bobina TMS al participante utilizando un programa de software neuro-navegación, tal como se describe en el manual del software.
      NOTA: Otros métodos puede ser utilizado para calibrar la posición de la bobina en el cuero cabelludo de la persona, pero se recomienda utilizar un programa de software neuro-navegación.
    2. Busque hotspot motor. Como punto de partida, coloque la bobina en el contralateral élmisphere del brazo / mano está estudiando y 5 cm lateral al vértice para dar una ubicación aproximada de la zona de la mano / brazo de la corteza motora primaria. Busque el vértice con el 20.10 electroencefalografía sistema de colocación de los electrodos Internacional.
    3. Coloca la bobina TMS plana en la cabeza del participante y orientar la bobina de tal manera que es de 45 ° en relación al plano sagital. Este posicionamiento inducirá un latero-posterior a la corriente monofásica medio-anterior de la corteza.
    4. Comenzando en ~ 30% de la potencia máxima estimulador (MSO) suministrar impulsos TMS con un intervalo entre estímulos de 6 seg o mayor, como se describe en el software de adquisición de datos basado en barrido.
    5. Mover la bobina TMS a ligeramente diferentes ubicaciones con pequeños cambios en la orientación hasta que se observa un MEP en el músculo de interés.
    6. Determinar el MSO que produce eurodiputados de ~ 1 mV en el músculo objetivo. Utilice el software neuronavegación registrar digitalmente esta ubicación. Repetireste procedimiento para cada músculo para los que se requiere un punto de acceso motor para el experimento.
    7. Determinar el umbral motor en reposo (RMT) comenzando en la intensidad que produce el más fiable ~ 1 mV MEP en el músculo de interés, la entrega de impulsos TMS individuales y grabar el pico a pico de amplitud MEP en línea.
    8. Determinar el MSO mediante el cual la amplitud pico a pico del MEP es ≥ 50 mV en 5 a cabo 10 ensayos consecutivos. 3,11
      NOTA: Para ser consistentes con la literatura anterior, 1,3 asegurar que el MEP se graba desde un monopolar EMG montaje.
  4. Ensayos experimentales
    1. Comience el experimento mediante la ejecución del programa de software de entrega de estímulos visuales primero (es decir., Archivo de escenario). Inicio del programa de software de entrega de estímulos visuales primero permite el software para iniciar la lectura en los datos de captura de movimiento electromagnéticas y permitir sensor de captura de un solo movimiento para controlar unacursor en la pantalla.
    2. Ejecutar el 'script' de los ensayos experimentales en el software de adquisición de datos basados ​​en barrido. Este archivo script lee en el 'archivo de secuenciador' que entrega desencadenantes exteriores basado en el tipo de juicio.
    3. Entrada desea información en el cuadro de diálogo de configuración que se abre. Pasos, 2.4.4 a 2.4.11 todos pertenecen al cuadro de diálogo de configuración.
    4. Introducir el valor "1" en los "conjuntos de estímulo en el bloque de asignación al azar" caja. Este valor controla el número de veces que un tipo de ensayo se realiza en un bloque.
    5. Introducir el valor "20" en los "bloques de asignación al azar en el experimento" caja. Este valor controla el número de bloques que se realizarán en un experimento.
    6. Introducir el valor "20" en el cuadro "pitido duración de impulso". Este valor controla la longitud de tiempo de la salida del DAC y por lo tanto, el tiempo que el pulso pitido es "on".
      NOTA: Modificar este valor para aumentar la longitud deltono auditivo está presente.
    7. Introducir el valor "5" en el cuadro "amplitud del pulso pitido". Este valor controla la amplitud en voltios de la salida DAC y por lo tanto, el "volumen" del pulso pitido.
    8. Introduzca el valor "100" en el cuadro de "retraso pitido cronometrada después de activación". Este valor determina el intervalo en milisegundos entre la señal auditiva "ir" y la salida digital (es decir., TMS gatillo 1).
    9. Introducir el valor "0.1" en el cuadro "EMG nivel de umbral de disparo". Este valor determina la amplitud de EMG en voltios necesarios para activar la salida digital (es decir., TMS gatillo 2). Estas medidas fueron tomadas en las señales EMG no rectificados.
    10. Introducir el valor "0.242" en el cuadro "Ángulo nivel de umbral de disparo". Este valor determina el valor umbral en voltios leídos del electrogoniómetro para activar la salida digital (es decir., TMS gatillo 3).
      NOTA: Este valor depende de la calibración deel electrogoniómetro. El usuario debe introducir dicho valor de voltaje que corresponde a un umbral de ángulo de la articulación que provocará un pulso de TMS.
    11. Introducir el valor "1" (es decir., 1 seg) en el cuadro de "retraso después del juicio". Este valor determina el intervalo de ensayo inter.
      NOTA: Para más información sobre cada función se puede encontrar en la escritura o por la petición de los autores.
    12. Comience el guión una vez que todo está preparado en relación con el participante, TMS, y el programa de visualización de estímulo visual.
    13. Después de este paso, observar el funcionamiento del software por sí sola sin ninguna / o con intervención mínima del usuario.
      NOTA: Un ensayo ejemplo comienza con el participante de colocar el cursor en la meta posición inicial. Aparece la nueva posición de destino visual y participante se traslada a este objetivo, una vez que un auditorio 'ir' cue se entrega a través de una de digital a analógico de salida en el cuadro de adquisición de datos.
    14. Después de la entrega de la señal, pida a los participantes para mover el cursor a la target. Después de alcanzar la posición de destino con el cursor, observe la posición inicial y comenzar la siguiente prueba colocando el cursor hacia atrás en la posición inicial.
      NOTA: Aquí está el ejemplo de TMS está provocada por el guión. Asegúrese de que el individuo está en su posición inicial. Observe la posición de destino visual e instruir al participante para mover el cursor a este objetivo. Dispare la TMS que se produzca en 100 ms tras la auditiva 'ir' cue. El individuo mantiene el cursor en la posición objetivo durante 1 seg. El individuo entonces vuelve a la posición inicial a la espera de la siguiente prueba.
    15. Asegúrese de que el cursor se encuentra en la posición inicial. Observe la posición de destino visual e instruir al participante para mover el cursor a la posición de destino. Dispare la TMS que se produzca en 100 ms tras la auditiva 'ir' cue. Instruya a la persona para mantener el cursor en la posición de destino durante 1 seg. Pida al paciente a recuperar el cursor a la posición inicial a la espera de la siguiente prueba.
      NOTA: En este ejemplo, la señal analógica activa el TMS. En concreto, en este ejemplo, la EMG desencadena el pulso TMS. El experimento tiene 21 condiciones: 7 Condiciones de destino x 3 puntos de tiempo diferentes al que se activa un impulso TMS (es decir, el gatillo 1, 2, gatillo gatillo 3.). En este ejemplo, los impulsos TMS se activan sobre la base de eventos digitales, o eventos externos tales como análogos del disparador EMG o la entrada electrogoniómetro. Estos eventos digitales o analógicos pueden ser modificados por el usuario cambiando las secuencias y archivos de secuencia de comandos. La duración total aproximada del experimento es de 3 a 4 horas.

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Results

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Figura 3 muestra los resultados de un único ensayo. En este ensayo, la figura 3A muestra la posición inicial del participante y, después de un auditorio 'go' cue, el participante se movió tan rápido y preciso como sea posible para el objetivo (es decir., La posición final). El software de adquisición de datos basados ​​en barrido desencadenó un impulso TMS basado en EMG aparición en el músculo bíceps braquial. Esto permitió a la medida de la pro...

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Discussion

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El presente manuscrito detalla un método innovador para integrar TMS y sistemas de captura de movimiento en el contexto de una tarea visomotora. Para lograr avances rápidos y significativos en el estudio del control motor humano, es esencial que las metodologías permitan una comunicación precisa a través de múltiples sistemas de hardware y software. El paradigma presentado podría usarse para estudiar una variedad de intereses de investigación, incluida la contribución cortical al aprendizaje motor, la neurofisiología d...

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Disclosures

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Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgements

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Los autores agradecen la financiación del Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería a AJN.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Polhemus FASTRAKPolhemus Inc.Dispositivo de seguimiento de movimiento electromagnético de 6 grados de libertad con 4 sensores
PresentaciónNeurobehavioural Systems Inc.Un software totalmente programable para experimentos que involucran la adquisición de datos y la entrega de estímulos
Cutom construyó Exoskeleton80/20 Inc. - El conjunto de erectores industrialesVaríaVarias partes utilizadas para construir el exoesqueleto
BrainsightRogue Research Inc.Software de neuronavegación para rastrear la posición de la bobina durante todo el experimento

References

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Transcranial Magnetic StimulationMotor Evoked PotentialElectromyography SignalMotion Tracking SystemCorticospinal OutputUpper Limb MovementJoint Angle AnalysisKinematic Kinetic AnalysisData Acquisition IntegrationNeuromotor Control Study

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