Name: Association de plusieurs systèmes dacquisition de données pour étudier sortie cortico et Multi-segment Biomécanique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Découvrez comment intégrer la stimulation magnétique transcrânienne avec l'acquisition de données pour étudier le contrôle moteur humain. Cette méthode automatisée permet de moduler la sortie corticale pendant le mouvement.

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Les auteurs remercient le financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie à 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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le présent manuscrit détaille une méthode innovante pour intégrer les systèmes TMS et de capture de mouvement dans le contexte d’une tâche visuo-motrice. Pour faire des progrès rapides et significatifs dans l’étude du contrôle moteur humain, il est essentiel que les méthodologies permettent une communication précise entre plusieurs systèmes matériels et logiciels. Le paradigme présenté pourrait être utilisé pour étudier une variété d’intérêts de recherche, y compris la contribution corticale à l’apprentissage moteur, l...

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une méthode non-invasive pour stimuler le cortex humain. 3,5 Il existe plusieurs protocoles TMS qui sont utilisés pour comprendre la fonction corticale comme impulsions uniques et multiples, la stimulation bi-place pour sonder la connectivité fonctionnelle, et impulsions répétitives à promouvoir la plasticité neuronale. 4,6-8 protocoles de TMS peuvent également être combinées pour faire avancer la compréhension actuelle des processus corticales humaines et orienter les stratégies de réhabilitation de neurones. En plus de stimuler le cortex, TMS peut également être utilisé pour comprendre la fonction de sous-corticale par stimulation du faisceau cortico-spinal ou cervelet. Un des plus grands défis techniques que connaît actuellement la recherche de TMS est la capacité à étudier le rôle des aires corticales pendant le mouvement volontaire vers un but dans les humains. Plusieurs considérations contribuent à ce défi technique. Tout d&#39;abord, la livraison TMS doit être combiné avec en temps réel le mouvement humain cApture. De cette manière, les impulsions TMS peuvent être livrés ou déclenchées par des fonctions au sein d&#39;une séquence de mouvement présentant une approche temps-verrouillé pour étudier le mouvement complexe. Deuxièmement, en intégrant la prestation de TMS et de la capture de mouvement permet une caractérisation détaillée du mouvement complexe tel qu&#39;il se déroule, qui fera progresser la compréhension des relations cerveau et le comportement qui sous-tendent le contrôle moteur. À l&#39;heure actuelle, il n&#39;y a pas de systèmes disponibles dans le commerce qui intègrent inclusivement TMS et de capture de mouvement méthodologies. Pour les spécialistes des neurosciences dans le domaine du contrôle moteur, ce vide se traduit généralement beaucoup de temps, les défis techniques d&#39;intégrer de multiples systèmes logiciels et matériels d&#39;acquisition de données et de livraison. Cette limitation technique a également entraîné dans la recherche clairsemée dédié à l&#39;étude des mouvements dynamiques multi-articulaires impliquant le membre supérieur. Pour TMS pour faire avancer le domaine du contrôle moteur humain, il est impératif que la fonction corticale être sondé pendant le mouvement humain complexe. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; pour intégrer efficacement les TMS et de capture de mouvement méthodologies, le système d&#39;acquisition doit permettre en temps réel TMS simultanée et la capture de mouvement. Deuxièmement, le système doit être adapté à l&#39;étude cinématique du mouvement (ie., La description du mouvement), la cinétique de mouvement (ie., Les forces que le mouvement de la cause), et l&#39;activité musculaire. Troisièmement, le système doit être capable de synchroniser les impulsions de TMS à ces caractéristiques de mouvement, et être déclenché par des critères fondés sur les caractéristiques des mouvements complexes. Un tel système fournira un lien essentiel entre la fonction corticale et cinématique et la cinétique de mouvement. Ce manuscrit détaille une approche unique à intégrer des méthodes de TMS et de la capture de mouvement. Cette approche permet une analyse détaillée de la mécanique des mouvements multi-articulaires complexes, et permet le contrôle des impulsions de TMS déclenchées par des caractéristiques spécifiques du mouvement (ie, la cinématique, la cinétique, ou l&#39;activité musculaire) automatisé. En outre, cette acq de donnéessystème de uisition permet de TMS et de capture de mouvement pour être intégrés avec les paradigmes expérimentaux qui nécessitent des tâches visuo-moteur ou sensori-motrices. Ce manuscrit détails une approche novatrice pour intégrer les systèmes couramment utilisés matérielles et logicielles de capture de mouvement dans le but de combiner TMS et l&#39;acquisition du mouvement humain et de l&#39;analyse. Les données sont présentées à l&#39;aide d&#39;une étude du fonctionnement cortical humain de l&#39;échantillon pendant le mouvement multi-joint plane. Les scripts de logiciels nécessaires pour réaliser l&#39;expérience sont disponibles pour téléchargement.

<table><tbody><tr><td>Polhemus FASTRAK</td><td>Polhemus Inc.</td><td></td><td>Dispositif de suivi de mouvement électromagnétique à 6 degrés de liberté avec 4 capteurs</td></tr><tr><td>Présentation</td><td>Systèmes Neurocomportementaux Inc.</td><td></td><td>Un logiciel entièrement programmable pour des expériences impliquant l’acquisition de données et l’administration de stimulus</td></tr><tr><td>Cutom a construit Exoskeleton</td><td>80/20 Inc. - L’ensemble de montage industriel</td><td>Varie</td><td>Diverses pièces utilisées pour construire l’exosquelette</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research Inc.</td><td></td><td>Logiciel de neuronavigation pour suivre la position de la bobine tout au long de l’expérience</td></tr></tbody></table>

association de plusieurs systèmes d&#39;acquisition de données pour étudier sortie cortico et multi-segment biomécanique

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

Les techniques de stimulation magnétique transcrânienne permettent une étude approfondie des mécanismes neuronaux qui sous-tendent le comportement humain. À ce jour, l’utilisation de la TMS pour étudier le mouvement humain a été limitée par les défis liés à la synchronisation précise de l’administration de la TMS aux caractéristiques du mouvement de déroulement et, également, à la caractérisation précise de la cinématique et de la cinétique. Pour surmonter ces défis techniques, les systèmes de livraison et d’acquisition de TMS doivent être intégrés à un système de suivi de mouvement en ligne. Le présent manuscrit détaille les innovations techniques qui intègrent plusieurs systèmes d’acquisition pour faciliter et faire progresser l’utilisation de la TMS pour étudier le mouvement humain. À l’aide de systèmes logiciels et matériels disponibles dans le commerce, une approche étape par étape de l’assemblage du matériel et des scripts logiciels nécessaires à la réalisation d’études TMS déclenchées par des caractéristiques spécifiques d’un mouvement est fournie. L’approche est centrée sur l’étude des mouvements d’atteinte des membres supérieurs, planaires, multi-articulaires. Cependant, le même système intégratif se prête à une multitude d’études sophistiquées du contrôle moteur humain.

Figure 3 montre les résultats d&#39;un seul essai. Dans cet essai, figure 3A montre la position initiale du participant et, après une cue &#39;go&#39; auditif, le participant déplacé aussi rapidement et précisément que possible à la cible (ie., La position finale). Le logiciel d&#39;acquisition de données basé balayage déclenché une impulsion de TMS basée sur EMG apparition dans le muscle biceps brachial. Cela a permis la mesure de la production...

L’utilisation de la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) pour étudier le contrôle moteur humain nécessite l’intégration de systèmes d’acquisition de données pour contrôler l’administration de TMS et enregistrer simultanément le comportement humain. Le présent manuscrit fournit une méthodologie détaillée pour l’intégration des systèmes d’acquisition de données dans le but d’étudier le mouvement humain via TMS.

Association de plusieurs systèmes d&#39;acquisition de données pour étudier sortie cortico et Multi-segment Biomécanique

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

L’objectif global de cette méthodologie est de créer une approche rentable d’intégration des études sur la stimulation cérébrale et le mouvement humain. Cette méthode peut répondre à des questions clés dans le domaine du contrôle neuromoteur, telles que la façon dont la production neurologique du cortex moteur peut être modulée pendant un mouvement continu. Le principal avantage de cette technique est que l’administration de la stimulation cérébrale est automatisée par ordinateur et est déterminée par le paramètre spécifique d’intérêt pour le chercheur, tel que l’angle articulaire ou l’amplitude de l’activité musculaire.Aaron Bailey, un étudiant diplômé de mon laboratoire, fera la démonstration de cette procédure. Voir le manuscrit accompagnant cette vidéo pour les instructions de configuration matérielle et logicielle de ce protocole expérimental. Le schéma ci-dessous donne un aperçu de la configuration matérielle.Commencez par dépister l’innocuité de la SMT chez le participant et obtenez un consentement écrit et éclairé pour l’expérience. Enregistrez ensuite la masse corporelle totale du participant à l’aide d’une balance. Utilisez également un ruban à mesurer pour déterminer la longueur de la main, de l’avant-bras et du bras du participant, car ces segments peuvent ensuite être utilisés pour l’analyse cinématique et cinétique.Ensuite, préparez la peau sur les muscles d’intérêt à l’aide d’un gel abrasif léger. Essuyez ensuite la zone avec de l’alcool. Utilisez un impédancemètre pour vous assurer que l’impédance de l’électrode de peau est inférieure à 10 kiloohms afin d’améliorer l’acquisition du signal EMG.Placez maintenant deux électrodes sur le ventre des muscles dans un montage bipolaire. Pour cette expérience, placez des électrodes sur le biceps brachial, le triceps brachial, le grand pectoral, le deltoïde postérieur et le brachioradial. Enfin, à l’aide des câbles NC, connectez les sorties de l’amplificateur EMG aux canaux analogiques zéro, un, trois, quatre et cinq du boîtier AD.Localisez le vertex à l’aide du système international de placement d’électroencéphalographie 10-20. Calibrez la bobine TMS pour le participant à l’aide d’un logiciel de neuronavigation. La localisation du point chaud du moteur pour chaque muscle d’intérêt est la partie la plus critique de l’expérience.Un mauvais positionnement du point chaud du moteur ou une mauvaise orientation de la bobine peut avoir des effets sur les données acquises. Ensuite, pour localiser le point chaud du moteur, commencez par placer la bobine sur l’hémisphère controlatéral du bras ou de la main étudié et à cinq centimètres du sommet. La bobine doit être à plat sur la tête du participant et orientée de telle sorte qu’elle soit à 45 degrés par rapport au plan sagittal.Ensuite, commencez avec environ 30 % de la puissance maximale du stimulateur et délivrez des impulsions TMS avec un intervalle interstimulus de six secondes ou plus, comme décrit dans le logiciel d’acquisition de données basé sur la suite. Déplacez la bobine TMS à des endroits légèrement différents sur le cuir chevelu tout en changeant légèrement l’orientation jusqu’à ce qu’un potentiel évoqué moteur soit observé dans le muscle d’intérêt. Déterminez maintenant le seuil du moteur au repos en commençant par l’intensité qui produit la réponse la plus fiable à environ un millivolts.Délivrez des impulsions uniques et enregistrez en ligne l’amplitude du potentiel évoqué par le moteur. Commencez l’expérience en exécutant d’abord le logiciel de diffusion de stimulus visuels. Exécutez ensuite le fichier script pour les essais expérimentaux dans le logiciel d’acquisition de données basé sur la suite, comme décrit dans le manuscrit accompagnant ce protocole.Entrez les informations souhaitées dans la boîte de dialogue de configuration, comme indiqué à l’écran ici. Ces valeurs permettent de configurer le calendrier et d’autres paramètres pour les essais expérimentaux. Par exemple, les ensembles de stimulus et la valeur de randomisation contrôlent le nombre de fois que le type d’essai est effectué dans un bloc.Les capteurs de capture de mouvement sont collés au patient. Après cette étape, le logiciel s’exécutera tout seul avec une intervention minimale de l’utilisateur. Assurez-vous que le participant comprend toutes les instructions de la tâche, puis commencez l’expérience.Un essai commence lorsque le participant place le curseur dans la cible de la position d’origine. Ensuite, une nouvelle position cible visuelle apparaîtra. Ensuite, un go que auditif est délivré via une sortie numérique-analogique sur le boîtier d’acquisition de données et le participant doit déplacer le curseur vers la nouvelle cible.Ils doivent maintenir le curseur sur cette position cible pendant une seconde, puis le ramener à sa position d’origine pour attendre le prochain essai. Le signal analogique de l’EMG déclenchera l’impulsion TMS, qui doit être configurée pour se produire 100 millisecondes après le déclenchement auditif. Observez le participant et assurez-vous que le curseur est placé en position d’origine et sur les cibles pendant les essais.L’expérience, comme on le voit ici, comporte 21 conditions composées de sept conditions cibles avec trois points temporels différents auxquels une impulsion TMS est déclenchée. La durée totale approximative de l’expérience est de trois à quatre heures. Dans un seul essai, le schéma de gauche montre la position de départ au début de l’essai, tandis que le schéma de droite montre la position finale pendant l’essai.Ici, nous voyons l’amplitude de chaque muscle obtenue à partir de chaque muscle à partir de l’impulsion TMS unique au début de l’EMG de cet essai. Les graphiques présentés ici montrent le déplacement angulaire de l’articulation de l’épaule et du coude, tandis que ces graphiques montrent la vitesse angulaire au niveau des mêmes articulations. Ici, nous voyons la cinétique au niveau des articulations de l’épaule et du coude, avec les lignes bleues, vertes et rouges représentant chacune le muscle net et le moment de contact os sur os respectivement.Cette figure montre un exemple de potentiels évoqués moteurs enregistrés à partir du biceps brachial et du grand pectoral, tout en atteignant une cible qui nécessite que ces deux muscles soient actifs. Sont également illustrés les potentiels évoqués moteurs enregistrés à partir des triceps brachiaux et du deltoïde postérieur, tout en atteignant une cible qui nécessite que ces muscles soient actifs. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en deux à trois heures si elle est bien faite.Lors de cette procédure, il est important de déterminer quel signal analogique, tel que l’activité EMG ou l’angle articulaire, sera utilisé pour déclencher l’impulsion TMS. Cette information sera déterminée par le contexte de l’expérience. À la suite de cette procédure, d’autres méthodes comme l’EEG peuvent être effectuées pour répondre à des questions supplémentaires telles que si les changements dans les oscillations cérébrales sont modulés en parallèle avec les changements dans la production corticospinale.

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