שילוב מערכות נתונים רכישה מרובות לחקר פלט corticospinal ורב-קטע ביומכניקה
9 בינואר 2016
השימוש בגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) לחקר בקרה מוטורית אנושית דורש שילוב של מערכות איסוף נתונים כדי לשלוט בהעברת TMS ובו זמנית לתעד התנהגות אנושית. כתב היד הנוכחי מספק מתודולוגיה מפורטת לשילוב מערכות איסוף נתונים לצורך חקירת תנועה אנושית באמצעות TMS.
המטרה הכוללת של מתודולוגיה זו היא ליצור גישה חסכונית לשילוב מחקרים של גירוי מוחי ותנועה אנושית. שיטה זו יכולה לענות על שאלות מפתח בתחום הבקרה הנוירו-מוטורית, כגון כיצד ניתן לווסת פלט עצבי מקליפת המוח המוטורית במהלך תנועה מתמשכת. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שאספקת הגירוי המוחי היא אוטומטית ממוחשבת ונקבעת על ידי הפרמטר הספציפי שמעניין את החוקר, כגון זווית המפרק או גודל פעילות השרירים.
מדגים את ההליך הזה אהרון ביילי, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי. ראה את כתב היד הנלווה לסרטון זה להוראות הגדרת חומרה ותוכנה עבור פרוטוקול ניסיוני זה. התרשים הנראה כאן נותן סקירה כללית של תצורת החומרה.
התחל בבדיקת בטיחות TMS של המשתתף וקבלת הסכמה בכתב ומודעת לניסוי. לאחר מכן רשום את מסת הגוף הכוללת של המשתתף באמצעות סולם. השתמש גם בסרט מדידה כדי לקבוע את אורך היד, האמה והזרוע העליונה של המשתתף, שכן ניתן להשתמש בקטעים אלה מאוחר יותר לניתוח קינמטי וקינטי.
לאחר מכן, הכינו את העור על שרירי העניין באמצעות ג'ל שוחק קל. לאחר מכן נגב את האזור באלכוהול. השתמש במד עכבה כדי להבטיח שעכבת אלקטרודות העור נמוכה מ-10 קילו-אוהם כדי לשפר את רכישת אות ה-EMG.
כעת הניחו שתי אלקטרודות על בטן השרירים במונטאז' דו קוטבי. לצורך ניסוי זה, הנח אלקטרודות מעל שרירי הזרוע, התלת ראשי ברכי, החזה הגדול, הדלתא האחורית והברכיורדיאליס. לבסוף, באמצעות כבלי NC, חבר את היציאות ממגבר EMG לערוצים האנלוגיים אפס, אחד, שלוש, ארבע וחמש בקופסת ה-AD.
אתר את הקודקוד באמצעות מערכת מיקום האלקטרודות הבינלאומית 10-20 אלקטרואנצפלוגרפיה. כייל את סליל ה-TMS למשתתף באמצעות תוכנת ניווט עצבי. איתור הנקודה החמה המוטורית עבור כל שריר מעניין הוא החלק הקריטי ביותר בניסוי.
מיקום שגוי של הנקודה החמה של המנוע או כיוון שגוי של הסליל יכולים להשפיע על הנתונים הנרכשים. לאחר מכן, כדי לאתר את הנקודה החמה של המנוע, התחל בהנחת הסליל על חצי הכדור הנגדי של הזרוע או היד הנחקרת וחמישה סנטימטרים לרוחב הקודקוד. הסליל צריך להיות שטוח על ראש המשתתף ומכוון כך שהוא 45 מעלות ביחס למישור הסגיטלי.
לאחר מכן התחל עם כ-30% מתפוקת הממריץ המקסימלית וספק פולסים TMS עם מרווח בין גירוי של שש שניות או יותר כמתואר בתוכנת רכישת הנתונים מבוססת החבילה. הזיזו את סליל ה-TMS למקומות מעט שונים בקרקפת תוך שינוי קל של הכיוון עד שנצפה פוטנציאל מעורר מוטורי בשריר המבוקש. כעת קבע את סף המנוע במנוחה על ידי התחלה בעוצמה המייצרת את התגובה האמינה ביותר בכמילי-וולט.
ספק פולסים בודדים והקלט את משרעת ההצצה הפוטנציאלית המעוררת על ידי המנוע באינטרנט. התחל את הניסוי על ידי הפעלת תוכנת אספקת גירויים חזותיים. לאחר מכן הפעל את קובץ הסקריפט עבור הניסויים הניסיוניים בתוך תוכנת רכישת הנתונים מבוססת החבילה, כמתואר בכתב היד הנלווה לפרוטוקול זה.
הזן את המידע הרצוי בתיבת הדו-שיח של התצורה כפי שניתן לראות על המסך כאן. ערכים אלה יגדירו את התזמון והגדרות אחרות עבור הניסויים הניסיוניים. לדוגמה, הגירוי נקבע וערך האקראיות שולט במספר הפעמים שסוג הניסוי מבוצע בבלוק.
חיישני לכידת תנועה נצמדים למטופל. לאחר שלב זה, התוכנה תפעל מעצמה עם קלט משתמש מינימלי. ודא שהמשתתף מבין את כל הוראות המשימה ולאחר מכן התחל את הניסוי.
ניסוי מתחיל כאשר המשתתף מציב את הסמן ביעד עמדת הבית. ואז יופיע מיקום יעד חזותי חדש. לאחר מכן, go que שמיעתי מועבר באמצעות פלט דיגיטלי לאנלוגי על תיבת רכישת הנתונים והמשתתף צריך להזיז את הסמן ליעד החדש.
הם צריכים להשאיר את הסמן על מיקום היעד הזה למשך שנייה אחת ואז להחזיר אותו למצב הבית כדי להמתין לניסיון הבא. האות האנלוגי מה-EMG יפעיל את דופק ה-TMS, שאמור להיות מוגדר כך שיתרחש 100 מילישניות לאחר ה-go go que. התבונן במשתתף וודא שהסמן ממוקם במצב הבית ועל המטרות במהלך הניסויים.
הניסוי, כפי שניתן לראות כאן, כולל 21 תנאים המורכבים משבעה תנאי מטרה עם שלוש נקודות זמן שונות שבהן מופעל פולס TMS. משך הניסוי הכולל המשוער הוא שלוש עד ארבע שעות. בניסוי בודד, הסכימה משמאל מציגה את מיקום ההתחלה בתחילת הניסוי, ואילו הסכימה מימין מציגה את מיקום הסיום במהלך הניסוי.
כאן אנו רואים את משרעת ההצצה להצצה של ה-MEP המתקבלת מכל שריר מדופק ה-TMS היחיד במהלך תחילת ה-EMG של ניסוי זה. הגרפים הנראים כאן מציגים את התזוזה הזוויתית של מפרק הכתף והמרפק, בעוד שגרפים אלה מציגים את המהירות הזוויתית באותם מפרקים. כאן אנו רואים את הקינטיקה במפרקי הכתפיים והמרפקים, כאשר הקווים הכחולים, הירוקים והאדומים מייצגים כל אחד את שריר הרשת ואת רגע המגע של עצם על עצם בהתאמה.
איור זה מציג דוגמה לפוטנציאלים מעוררים מוטוריים שתועדו משריר הזרוע והחזה הגדול, תוך הגעה למטרה הדורשת משני השרירים הללו להיות פעילים. כמו כן מוצגים פוטנציאלים מעוררים מוטוריים שנרשמו מהתלת ראשי ברכי והדלתא האחורית, תוך הגעה למטרה הדורשת מהשרירים הללו להיות פעילים. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעתיים-שלוש אם היא נעשית כראוי.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לקבוע איזה אות אנלוגי, כגון פעילות EMG או זווית מפרק ישמש להפעלת דופק ה-TMS. מידע זה ייקבע על פי ההקשר של הניסוי. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות כמו EEG כדי לענות על שאלות נוספות כגון האם שינויים בתנודות המוח מווסתים במקביל לשינויים בתפוקת הקורטיקו-שדרה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
כתב היד הזה מתאר מתודולוגיה לשילוב מערכות לאיסוף נתונים עם גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) כדי לחקור את השליטה המוטורית האנושית. הגישה שואפת להקל על החקירה של תנועה אנושית על ידי אוטומציה של מסירת גירוי מוחי המבוססת על פרמטרים ספציפיים.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- שליטה מוטורית
- גירוי מוחי
רקע
- גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) משמש לחקר השליטה המוטורית.
- שילוב מערכות לאיסוף נתונים משפר את חקר ההתנהגות האנושית.
- הבנת הוצאת הנוירו במהלך תנועה היא קריטית.
- מתודולוגיה זו שואפת להיות חסכונית ויעילה.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה לשילוב גירוי מוחי עם חקר תנועה אנושית.
- לאוטמט את מסירת TMS בהתבסס על פרמטרים מחקריים ספציפיים.
- להתייחס לשאלות מרכזיות בתחום השליטה הנוירו-מוטורית.
שיטות בשימוש
- שילוב מערכות לאיסוף נתונים עם TMS.
- אוטומציה ממוחשבת של מסירת גירוי מוחי.
- גירוי מונע פרמטרים המבוסס על זוויות פרקים או פעילות שרירים.
- הדגמת הנוהל על ידי סטודנט לתואר שני.
תוצאות עיקריות
- שילוב מוצלח של TMS עם מערכות לאיסוף נתונים.
- מסירה אוטומטית של גירוי מוחי משפרת את יכולות המחקר.
- המתודולוגיה מספקת תובנות לשליטה נוירו-מוטורית.
- הוראות להגדרת חומרה ותוכנה מסופקות.
מסקנות
- המתודולוגיה מציעה גישה חדשנית לחקר התנועה האנושית.
- אוטומציה של מסירת TMS מועילה לחוקרים.
- מחקר זה תורם להבנת מנגנוני השליטה המוטורית.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Integrating transcranial magnetic stimulation with synchronized motion capture enables precise interrogation of corticospinal output during dynamic motor tasks. This approach supports mechanistic de-risking in target validation by linking neural modulation to quantifiable biomechanical outputs. It enhances predictive confidence in preclinical models of motor control disorders through reproducible, parameter-driven neuromodulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how motor cortex neuro output modulates during ongoing movement to validate therapeutic hypotheses.
- Operational Value: Provides automated, parameter-triggered TMS delivery based on joint angle or muscle activity for consistent target engagement assessment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative motor-evoked potential and kinematic readouts to enable assay standardization across neuromuscular targets.
- Operational Value: Integrates EMG, motion capture, and TMS into a reproducible workflow for high-fidelity neuromotor phenotyping.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by capturing multi-segment biomechanics alongside neural output in upper limb reaching tasks.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical validation through synchronized neural and kinetic measurements.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges discovery biology and lead identification by enabling hypothesis testing of corticospinal contributions to motor control through automated, time-locked stimulation.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by triggering TPS at specific movement phases to isolate causal neuro-motor relationships.
- Screening: Delivers quantitative, time-resolved outputs including MEP amplitude, joint angle, and angular velocity for compound effect comparison.
- Analytics: Enables correlation of corticospinal output with kinetic moments at shoulder and elbow joints for mechanism-based biomarker alignment.
- Translational Research: Connects neural modulation to functional movement outcomes, supporting risk-adjusted advancement in motor control therapeutics.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying neuromodulation effects across diverse motor tasks and patient populations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by linking TMS-evoked responses to precise biomechanical events during movement.
- Operational Value: Ensures reproducibility through computer-automated stimulation triggered by predefined kinematic or EMG thresholds.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing objective, multi-modal readouts of target engagement and functional impact.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromotor targets based on convergent neural and biomechanical validation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in TMS safety, EMG signal acquisition, and motion capture systems.
- Depends on integrated hardware including TMS coil, EMG amplifiers, AD box, and motion-capture sensors.
- Necessitates cross-team standardization for consistent timing of TMS delivery relative to movement onset.
- Involves adaptation considerations when applying the integrative system to different muscle groups or movement paradigms.
- Limited by the need for precise coil positioning and neuronavigation to ensure reliable motor hot spot targeting.
