Impostazione multifunzionale per lo studio di controllo del motore umano Utilizzando la Stimolazione Magnetica Transcranica, Elettromiografia, Motion Capture, e la realtà virtuale

L'obiettivo generale del seguente esperimento è illustrare una tecnica generalizzata per la sincronizzazione di più flussi di dati registrati durante studi biomeccanici umani. Questo risultato si ottiene utilizzando segnali elettromiografici e di acquisizione del movimento per generare un evento analogico di sincronizzazione che può essere registrato in modo indipendente da due o più sistemi. Come secondo passaggio, è possibile progettare semplici componenti circuitali che trasformano questo evento in segnali adatti a ciascun dispositivo di registrazione.

Successivamente, utilizzare un software di analisi per allineare temporaneamente gli eventi di sincronizzazione tra i segnali registrati in modo indipendente, al fine di sincronizzare tutti i segnali. I risultati mostrano che diversi segnali biomeccanici possono essere allineati temporaneamente entro le frequenze di campionamento dei rispettivi sistemi di acquisizione dati, consentendo la raccolta di un ricco insieme di dati sperimentali sul movimento umano naturalistico per lo studio del controllo neuromuscolare. Esistono molteplici domande complesse nei campi del controllo motorio e della biomeccanica che possono essere meglio affrontate studiando il movimento umano naturale in un contesto di laboratorio.

Qui descriviamo il metodo che utilizza la realtà virtuale per definire compiti comportamentali durante i quali vengono registrati simultaneamente diversi segnali fisiologici. Il vantaggio di una configurazione sperimentale basata sulla realtà virtuale rispetto ai metodi esistenti, come i sistemi comportamentali basati su hardware, è che può essere adattata molto rapidamente a diversi esperimenti e all'anatomia unica di singoli partecipanti. Durante esperimenti comportamentali, è comune registrare simultaneamente diversi segnali che quantificano il comportamento, come l'elettromiografia e la rilevazione del movimento.

Il nostro metodo fornisce una soluzione al problema dell'allineamento temporale di questi segnali mediante un'unità personalizzata di sincronizzazione compatibile con diversi produttori. Iniziare effettuando tutte le connessioni elettriche necessarie tra l'equipaggiamento EMG, inclusi amplificatori, preamplificatori, cavi dei sensori e cuscinetti sensoriali, secondo le specifiche del produttore. Pulire ogni sito dell'elettrodo per garantire valori costanti e bassi di impedenza tra elettrodo e cute.

Quindi chiedere al soggetto di eseguire contrazioni isometriche dei singoli muscoli di interesse, applicando gli elettrodi EMG sulla posizione palpata della contrazione muscolare. Tenendo presente l'orientamento dei siti attivi lungo le fibre muscolari. Applicare l'elettrodo di terra sulla pelle sopra la vertebra C7.

Successivamente, per verificare la qualità del segnale, esaminare i segnali EMG amplificati sul computer mentre il soggetto contrae ciascun muscolo di interesse. Infine, ridurre i guadagni di amplificazione se i segnali EMG si saturano durante le contrazioni muscolari richieste per il compito comportamentale. Iniziare calibrando le telecamere di rilevamento del movimento secondo le istruzioni del produttore.

Applicare con il nastro sensori LED attivi sui punti ossei di riferimento vicino alle articolazioni del braccio e su altri punti anatomici di interesse, come quelli vicini al dito, al polso, alla spalla e al torace. Fissare un ulteriore sensore LED al casco della realtà virtuale (VR) per impostare il punto di vista nell'ambiente virtuale. Successivamente, collegare ciascun LED a un cablaggio che è attaccato all'unità di controllo wireless.

Accendere l'unità di controllo e assicurarsi di un'illuminazione corretta di tutti i LED. Infine, posizionare il LED di sincronizzazione in un punto lontano dal soggetto, ma ben visibile per le telecamere di acquisizione del movimento. Per prima cosa, calibrare il dispositivo e il software per la stimolazione magnetica transcranica o TMS per consentire un posizionamento accurato della bobina.

Per fare ciò, coregistrare le bobine TMS con punti di repère anatomici come i punti preauricolari NAS e la punta del naso, utilizzando un puntatore di calibrazione. Successivamente, eseguire tecniche di individuazione del punto focale (hotspot) per localizzare le aree corticali sensibili alla TMS che producono l'ampiezza maggiore dei potenziali motori evocati o MEP.

Con l'ampiezza minima di stimolazione, registrare la posizione del miglior sito di stimolazione sul cuoio capelluto del soggetto mediante l'equipaggiamento e il software di registrazione stereotassica calibrati. Infine, misurare la soglia del soggetto riducendo l'ampiezza della stimolazione nel sito selezionato finché non vengono evocati MEP di almeno 50 microvolt nel 50% dei casi. Per prima cosa, configurare l'ambiente di realtà virtuale per il compito comportamentale secondo il protocollo del produttore.

Utilizzando un software VR commerciale compatibile con il casco e il sistema di tracciamento del movimento. Uscite digitali attraverso la porta parallela per la sincronizzazione e la marcatura di eventi specifici di interesse. Collegare l'uscita VR al circuito di sincronizzazione e ad altri dispositivi da sincronizzare utilizzando cavi con connettori corrispondenti.

Informi il soggetto sui requisiti dell'attività che dovrà svolgere in realtà virtuale. Chieda al soggetto di indicare i target sferici quando questi appaiono nel suo campo visivo. Una volta che il soggetto ha compreso il compito e ha avuto modo di esercitarsi, inizi la registrazione dei dati di cattura del movimento EMG e dei segnali di sincronizzazione durante una singola prova di sincronizzazione in realtà virtuale.

Il software attiva l'apparecchiatura EMG per registrare segnali che illustrano l'attività neuromuscolare verificatasi durante i movimenti del membro superiore. Inoltre, attiva l'apparecchiatura di motion capture per registrare dati continui sui movimenti. Questo segnale può essere utilizzato per sincronizzare i dati EMG e quelli di motion capture. Qui.

Le cinetiche e dinamiche angolari medie e l'attività neuromuscolare continua e istantanea associata, ottenute da 24 prove, sono mostrate per un singolo compito. Questi insiemi di dati multidimensionali forniti dalla realtà virtuale permetteranno ai ricercatori di indagare specifici meccanismi di controllo motorio umano. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una comprensione generale di come sincronizzare diversi flussi di dati che possono essere registrati durante esperimenti sul movimento umano, come l'EMG e la cattura del movimento. Questa procedura può essere ampliata per includere ulteriori sistemi, come l'elettroencefalografia.

Inoltre, la stimolazione elettrica dei nervi periferici può essere utilizzata anche per valutare il contributo del feedback sensoriale al controllo motorio dopo il suo sviluppo. Questa tecnica ha aperto la strada ai neuroscienziati per esplorare i cambiamenti nel movimento controllato dal sistema nervoso in individui con disturbi del movimento, come ictus o lesione del midollo spinale.