Name: La combinación de sistemas de adquisición de datos múltiples para el Estudio de salida corticoespinal y multi-segmento de Biomecánica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Aprende a integrar sistemas de adquisición de datos con estimulación magnética transcraneal para estudiar el control motor humano. Este método automatiza la entrega de estimulación cerebral según parámetros específicos como ángulos articulares o actividad muscular.

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

<ol><li>Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization+of+ipsilateral+excitatory+and+inhibitory+pathways+in+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex.</a> J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).</li>
<li>Criswell, E. Cram's Introduction to Surface Electromyorgaphy. , 2nd edn, Jones and Barlett Publishers. Mississauga, Canada. (2011).</li>
<li>Di Lazzaro, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+physiological+basis+of+transcranial+motor+cortex+stimulation+in+conscious+humans.+Magnetic+stimulation%3A+motor+evoked+potentials.+The+International+Federation+of+Clinical+Neurophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology.</a> Clin. Neurophysiol. 115 (2), 255-266 (2004).</li>
<li>Ferbert, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interhemispheric+inhibition+of+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Interhemispheric inhibition of the human motor cortex.</a> J Physiol. 453, 525-546 (1992).</li>
<li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+magnetic+stimulation%3A+a+primer%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li>
<li>Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theta+burst+stimulation+of+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Theta burst stimulation of the human motor cortex.</a> Neuron. 45 (2), 201-206 (2005).</li>
<li>Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticity-inducing+TMS+protocols+to+investigate+somatosensory+control+of+hand+function%5BTitle%5D)+AND+%22Neural+Plast%22%5BJournal%5D)">Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function.</a> Neural Plast. , 350574(2012).</li>
<li>Kujirai, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Corticocortical+inhibition+in+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Corticocortical inhibition in human motor cortex.</a> 471, 501-519 (1993).</li>
<li>Miller, D., Nelson, R. Biomechanics of Sport: A Research Approach. , Lea and Febiger. Philadelphia, USA. (1973).</li>
<li>Nussbaum, M. A., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heuristics+for+locating+upper+extremity+joint+centres+from+a+reduced+set+of+surface+markers%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Movement+Sciences%22%5BJournal%5D)">Heuristics for locating upper extremity joint centres from a reduced set of surface markers.</a> Human Movement Sciences. 19, 797-816 (2000).</li>
<li>Rossini, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+electrical+and+magnetic+stimulation+of+the+brain%2C+spinal+cord+and+roots%3A+basic+principles+and+procedures+for+routine+clinical+application.+Report+of+an+IFCN+committee%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalogr.+Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 91 (2), 79-92 (1994).</li>
<li>Winter, D. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWinter%2C+DA+%22Biomechanics+and+Motor+Control+of+Human+Movement%22">Biomechanics and Motor Control of Human Movement</a>. , 4th edn, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, USA. (2009).</li>
<li>Zatsiorsky, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZatsiorsky%2C+V+%22Kinetics+of+Human+Motion%22">Kinetics of Human Motion</a>. , Human Kinetics Publishers Inc. Windsor, Canada. (2002).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>Polhemus FASTRAK</td><td>Polhemus Inc.</td><td></td><td>Dispositivo de seguimiento de movimiento electromagnético de 6 grados de libertad con 4 sensores</td></tr><tr><td>Presentación</td><td>Neurobehavioural Systems Inc.</td><td></td><td>Un software totalmente programable para experimentos que involucran la adquisición de datos y la entrega de estímulos</td></tr><tr><td>Cutom construyó Exoskeleton</td><td>80/20 Inc. - El conjunto de erectores industriales</td><td>Varía</td><td>Varias partes utilizadas para construir el exoesqueleto</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research Inc.</td><td></td><td>Software de neuronavegación para rastrear la posición de la bobina durante todo el experimento</td></tr></tbody></table>

la combinación de sistemas de adquisición de datos múltiples para el estudio de salida corticoespinal y multi-segmento de biomecánica

Combining Multiple Data Acquisition Systems to Study Corticospinal Output and Multi-segment Biomechanics

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.

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 &#39;go&#39; 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 d...

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.

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

Transcranial magnetic stimulation techniques allow for an in-depth investigation into the neural mechanisms that underpin human behavior. To date, the use ...

El objetivo general de esta metodología es crear un enfoque rentable de integración de estudios sobre la estimulación cerebral y el movimiento humano. Este método puede responder a preguntas clave en el campo del control neuromotor, como por ejemplo cómo se puede modular la salida neurológica de la corteza motora durante el movimiento continuo. La principal ventaja de esta técnica es que la administración de la estimulación cerebral está automatizada por ordenador y está determinada por el parámetro específico de interés para el investigador, como el ángulo articular o la magnitud de la actividad muscular.Para demostrar este procedimiento estará Aaron Bailey, un estudiante graduado de mi laboratorio. Consulte el manuscrito que acompaña a este video para obtener instrucciones de configuración de hardware y software para este protocolo experimental. El diagrama que se ve aquí ofrece una descripción general de la configuración de hardware.Comience por evaluar al participante para determinar la seguridad de la TMS y obtener el consentimiento escrito e informado para el experimento. A continuación, registre la masa corporal total del participante utilizando una báscula. También use cinta métrica para determinar la longitud de la mano, el antebrazo y la parte superior del brazo del participante, ya que estos segmentos se pueden usar posteriormente para el análisis cinemático y cinético.A continuación, prepare la piel sobre los músculos de interés con un gel abrasivo ligero. A continuación, limpie la zona con alcohol. Utilice un medidor de impedancia para asegurarse de que la impedancia del electrodo cutáneo esté por debajo de 10 kiloohmios para mejorar la adquisición de la señal EMG.Ahora coloque dos electrodos sobre el vientre de los músculos en un montaje bipolar. Para este experimento, coloque electrodos sobre el bíceps braquial, el tríceps braquial, el pectoral mayor, el deltoides posterior y el braquiorradial. Por último, utilizando los cables NC, conecte las salidas del amplificador EMG a los canales analógicos cero, uno, tres, cuatro y cinco de la caja AD.Localice el vértice utilizando el Sistema Internacional de Colocación de Electrodos de Electroencefalografía 10-20. Calibrar la bobina TMS para el participante utilizando el software de neuronavegación. Localizar el punto caliente del motor para cada músculo de interés es la parte más crítica del experimento.La ubicación incorrecta del punto caliente del motor o la orientación incorrecta de la bobina pueden tener efectos en los datos que se adquieren. A continuación, para localizar el punto caliente del motor, comience colocando la bobina en el hemisferio contralateral del brazo o mano que se está estudiando y cinco centímetros lateral al vértice. La bobina debe estar plana sobre la cabeza del participante y orientada de tal manera que esté a 45 grados en relación con el plano sagital.A continuación, comience con aproximadamente el 30% de la salida máxima del estimulador y entregue pulsos TMS con un intervalo entre estímulos de seis segundos o más, como se describe en el software de adquisición de datos basado en la suite. Mueva la bobina TMS a lugares ligeramente diferentes en el cuero cabelludo mientras también cambia ligeramente la orientación hasta que se observe un potencial evocado motor en el músculo de interés. Ahora determine el umbral del motor en reposo comenzando a la intensidad que produce la respuesta más confiable a aproximadamente un milivoltio.Entregue pulsos individuales y registre en línea la amplitud de vista a vista potencial evocada por el motor. Comience el experimento ejecutando primero el programa de software de entrega de estímulos visuales. A continuación, ejecute el archivo de script para los ensayos experimentales dentro del software de adquisición de datos basado en suites, como se describe en el manuscrito que acompaña a este protocolo.Introduzca la información deseada en el cuadro de diálogo de configuración como se ve en la pantalla aquí. Estos valores configurarán el tiempo y otros ajustes para los ensayos experimentales. Por ejemplo, los conjuntos de estímulo y el valor de aleatorización controlan el número de veces que se realiza el tipo de prueba en un bloque.Los sensores de captura de movimiento se adhieren al paciente. Después de este paso, el software se ejecutará por sí solo con una intervención mínima del usuario. Asegúrese de que el participante comprenda todas las instrucciones de la tarea y, a continuación, comience el experimento.Una prueba comienza cuando el participante coloca el cursor en el objetivo de la posición inicial. A continuación, aparecerá una nueva posición de objetivo visual. A continuación, se emite un recorrido auditivo a través de una salida de digital a analógico en la caja de adquisición de datos y el participante debe mover el cursor al nuevo objetivo.Deben mantener el cursor en esta posición objetivo durante un segundo y luego devolverlo a la posición inicial para esperar la siguiente prueba. La señal analógica del EMG activará el pulso TMS, que debe configurarse para que ocurra 100 milisegundos después de la ejecución auditiva. Observe al participante y asegúrese de que el cursor esté colocado en la posición inicial y en los objetivos durante las pruebas.El experimento, como se ve aquí, tiene 21 condiciones que consisten en siete condiciones objetivo con tres puntos de tiempo diferentes en los que se activa un pulso TMS. La duración total aproximada del experimento es de tres a cuatro horas. En una sola prueba, el esquema de la izquierda muestra la posición inicial al principio de la prueba, mientras que el esquema de la derecha muestra la posición final durante la prueba.Aquí vemos la amplitud de la MEP obtenida de cada músculo a partir de un solo pulso de TMS durante el inicio de la EMG de este ensayo. Los gráficos que se ven aquí muestran el desplazamiento angular de la articulación del hombro y el codo, mientras que estos gráficos muestran la velocidad angular en las mismas articulaciones. Aquí vemos la cinética en las articulaciones del hombro y el codo, con las líneas azul, verde y roja, cada una representando el músculo neto y el momento de contacto hueso con hueso, respectivamente.Esta figura muestra ejemplos de potenciales evocados motores registrados desde el bíceps braquial y el pectoral mayor, mientras se alcanza un objetivo que requiere que ambos músculos estén activos. También se muestran los potenciales evocados motores registrados desde el tríceps braquial y el deltoides posterior, mientras se alcanza un objetivo que requiere que estos músculos estén activos. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en dos o tres horas si se hace correctamente.Al intentar este procedimiento, es importante determinar qué señal analógica, como la actividad EMG o el ángulo de la articulación, se utilizará para activar el pulso TMS. Esta información estará determinada por el contexto del experimento. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como el EEG para responder preguntas adicionales, como si los cambios en las oscilaciones cerebrales se modulan en paralelo con los cambios en la producción corticoespinal.

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Comportamiento

Este video muestra la modulación de la actividad de los reflejos, la fuerza volitiva y caminar a través de la evaluación clínica y cuantitativa en los individuos con motor incompleta de la médula como consecuencia de la administración oral aguda de la recaptación de serotonina (ISRS).

Métodos para cuantificar alteraciones inducida farmacológicamente en la función motora en humanos incompleta de la médula

Desarrollo de un sistema cerebro-máquina efectiva (IMC) para la restauración y rehabilitación de la locomoción bípeda requiere decodificación precisa de la intención del usuario. Aquí se presenta un nuevo protocolo experimental y la técnica de recogida de datos para la adquisición simultánea no invasiva de la actividad neuronal, la actividad muscular, y de todo el cuerpo cinemática durante diversas tareas y condiciones de locomoción.

Electroencefalografía simultánea del cuero cabelludo (EEG), electromiografía (EMG) y de todo el cuerpo de grabación inercial segmentaria para Multi-modal Neural Decodificación

El estímulo magnético transcranial del Solo-pulso sobre la corteza de motor primaria, el neuronavigation, y el registro de la actividad electromiográfica de los músculos de la mano fueron utilizados en este estudio para explorar excitabilidad corticospinal mientras que los participantes observaban secuencias de la acción.

Modulación de excitabilidad corticoespinal durante la observación de la acción

La estimulación magnética transcraneal, la electromiografía y la captura de movimiento en 3D son técnicas no invasivas comúnmente utilizadas para investigar la función neuromuscular en humanos. En este artículo, describimos un protocolo que muestrea sincrónicamente los datos generados por estas tres herramientas junto con la adición única de la presentación y retroalimentación de estímulos de realidad virtual.

Configuración de múltiples funciones para el estudio de control de motores Humano Usando estimulación magnética transcraneal, electromiografía, Captura de movimiento, y Realidad Virtual

El objetivo era justificar el uso óptimo de las técnicas de recolección de datos para la marcha marcha nórdica y el análisis de la postura. Captura de movimiento en tres dimensiones debe utilizarse durante el análisis de duración corta (es decir, un solo ciclo de la marcha), mientras que el acelerómetro se debe emplear para el análisis de mayor duración (es decir, los ciclos repetidos) como una prueba de paseo de 6 minutos.

Corroboración Técnicas de captura de movimiento para la evaluación de la marcha y la postura de Nordic Walking en los adultos mayores

Aquí, presentamos un protocolo novedoso para medir la estabilidad posicional en eventos clave durante el sentarse para pararse y caminar utilizando la distancia del centro de presión a la distancia del centro de masa de todo el cuerpo. Esto se derivó de la plataforma de fuerza y la tecnología de captura de movimiento tridimensional. El paradigma es confiable y se puede utilizar para la evaluación de individuos neurológicamente comprometidos.

Sentado o de pie-y-pie de 120% Altura de la rodilla: Un nuevo enfoque para evaluar la dinámica postural control independiente de plomo-extremidad

El presente Protocolo describe la evaluación simultánea, bilateral de la respuesta corticomotor del sóleo y tibial anterior durante la activación voluntaria resto y tónico usando la estimulación magnética transcraneal solo pulso y neuronavegación sistema.

Navegado de evaluación bilateral de las vías corticoespinales de los músculos del tobillo mediante estimulación magnética transcraneal

Aquí se presenta un protocolo para recopilar y analizar la cinemática tridimensional de la locomoción cuadrúpeda en roedores para estudios preclínicos.

Análisis de gait cinemático 3D para estudios preclínicos en roedores

Alcanzar es una habilidad fundamental que permite a los humanos interactuar con el medio ambiente. Varios estudios han tenido como objetivo caracterizar el comportamiento de alcance utilizando una variedad de metodologías. Este documento ofrece una aplicación de código abierto de la estimulación magnética transcraneal para evaluar el estado de excitabilidad corticoespinal en humanos durante el rendimiento de la tarea.

Evaluación de la excitabilidad corticoespinal durante el comportamiento de alcance dirigido a objetivos

Este protocolo establece una cadena de evaluación cinemática de la extremidad posterior de rata utilizando una prueba de cinta sin marcadores con autoetiquetado de trayectorias multiarticular impulsado por aprendizaje profundo, que permite la cuantificación reproducible del movimiento.

Seguimiento síncrono multiarticular basado en aprendizaje profundo para la cuantificación objetiva de la cinemática locomotora de las extremidades posteriores en ratas

Aprende a integrar sistemas de adquisición de datos con estimulación magnética transcraneal para estudiar el control motor humano. Este método automatiza la entrega de estimulación cerebral según parámetros específicos como ángulos articulares o actividad muscular.

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