Name: Combinazione di più sistemi di acquisizione dati per studiare uscita corticospinale e Multi-segmento Biomeccanica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Impara a integrare la stimolazione magnetica transcranica con sistemi di acquisizione dati per studiare il controllo motorio umano. Questo metodo automatizza la stimolazione cerebrale basata su parametri specifici come angoli articolari o attività muscolare.

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Gli autori ringraziano il finanziamento del Natural Sciences and Engineering Research Council ad 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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il presente manoscritto descrive in dettaglio un metodo innovativo per integrare la TMS e i sistemi di motion capture nel contesto di un compito visuo-motorio. Per fare progressi rapidi e significativi nello studio del controllo motorio umano, è essenziale che le metodologie consentano una comunicazione precisa su più sistemi hardware e software. Il paradigma presentato potrebbe essere utilizzato per studiare una varietà di interessi di ricerca, tra cui il contributo corticale all'apprendimento motorio, la neurofisiolo...

Transcranial stimolazione magnetica (TMS) è un metodo non invasivo per stimolare la corteccia umana. 3,5 Esistono diversi protocolli TMS che vengono utilizzati per capire funzione corticale come impulsi singoli e multipli, stimolazione dual-site per sondare connettività funzionale, e impulsi ripetitivi per promuovere la plasticità neurale. 4,6-8 protocolli TMS possono anche essere combinati per far avanzare l&#39;attuale comprensione dei processi corticali umani e orientare le strategie di riabilitazione neurali. Oltre a stimolare la corteccia, TMS può essere utilizzato anche per comprendere la funzione sub-corticale dalla stimolazione del tratto corticospinale o del cervelletto. Uno dei più grandi sfide tecniche che deve affrontare la ricerca TMS è la capacità di studiare il ruolo delle aree corticali durante goal-directed movimento volontario negli esseri umani. Alcune considerazioni contribuiscono a questa sfida tecnica. In primo luogo, la consegna TMS dovrebbe essere combinato con in tempo reale il movimento umano cApture. In questo modo, gli impulsi TMS possono essere forniti o innescati da caratteristiche all&#39;interno di una sequenza di movimenti che fornisce un metodo tempo-locked per studiare il movimento complesso. In secondo luogo, l&#39;integrazione di consegna TMS e motion capture permette una caratterizzazione dettagliata del movimento complesso come si svolge, che farà progredire la comprensione delle relazioni cervello-comportamento che sono alla base di controllo del motore. Allo stato attuale, non esistono sistemi disponibili in commercio che, globalmente integrano le metodologie TMS e motion capture. Per neuroscienziati nel campo del controllo motore, questo vuoto si traduce in genere in termini di tempo, le sfide tecniche per integrare più sistemi software e hardware di acquisizione dati e di consegna. Questa limitazione tecnica ha portato anche nella ricerca sparse dedicato allo studio della dinamica movimenti multi-congiunte tra il arto superiore. Per TMS per far avanzare il settore del controllo motorio umano, è imperativo che la funzione corticale da tastare durante complesso movimento umano. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; Per integrare efficacemente le metodologie TMS e motion capture, il sistema di acquisizione deve consentire TMS simultaneo in tempo reale e motion capture. In secondo luogo, il sistema deve essere adatto per studiare cinematica di movimento (ie., Descrizione del movimento), la cinetica di movimento (ie., Forze che causa il movimento), e l&#39;attività muscolare. In terzo luogo, il sistema deve essere in grado di sincronizzare impulsi TMS a queste caratteristiche di movimento, ed essere innescato da criteri basati sulle caratteristiche movimento complesso. Tale sistema fornirà un collegamento fondamentale tra la funzione corticale e cinematica e la cinetica di movimento. Dettagli Questo manoscritto un approccio unico per integrare i metodi di TMS e motion capture. Questo approccio permette l&#39;analisi dettagliata della meccanica di movimenti complessi multi-venture, e permette il controllo di impulsi TMS innescati da caratteristiche specifiche del movimento (cioè, cinematica, cinetica, o attività muscolare) automatizzato. Inoltre, questi dati acqSistema uisition permette di TMS e motion capture da integrare con paradigmi sperimentali che richiedono compiti visuo-motorie e senso-motorie. Dettagli Questo manoscritto un approccio innovativo per integrare i sistemi hardware e software di motion capture comunemente usati per lo scopo di coniugare TMS e acquisizione movimento umano e di analisi. I dati sono presentati con uno studio campione di funzionamento corticale umano durante planare movimento multi-articolare. Gli script software necessari per eseguire l&#39;esperimento sono disponibili per il download.

<table><tbody><tr><td>Polhemus FASTRAK</td><td>Polhemus Inc.</td><td></td><td>Dispositivo di rilevamento del movimento elettromagnetico a 6 gradi di libertà con 4 sensori</td></tr><tr><td>Presentazione</td><td>Neurobehavioural Systems Inc.</td><td></td><td>Un software completamente programmabile per esperimenti che coinvolgono l'acquisizione di dati e la somministrazione di stimoli</td></tr><tr><td>Esoscheletro costruito da Cutom</td><td>80/20 Inc. - Il set di erettori industriali</td><td>Varia</td><td>Varie parti utilizzate per costruire l'esoscheletro</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research Inc.</td><td></td><td>Software di neuronavigazione per tracciare la posizione della bobina durante l'esperimento</td></tr></tbody></table>

combinazione di più sistemi di acquisizione dati per studiare uscita corticospinale e multi-segmento biomeccanica

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

Le tecniche di stimolazione magnetica transcranica consentono un'indagine approfondita sui meccanismi neurali che sono alla base del comportamento umano. Ad oggi, l'uso della TMS per studiare il movimento umano è stato limitato dalle sfide legate alla tempistica precisa della consegna della TMS alle caratteristiche del movimento in corso e, anche, dalla caratterizzazione accurata della cinematica e della cinetica. Per superare queste sfide tecniche, i sistemi di consegna e acquisizione TMS dovrebbero essere integrati con un sistema di tracciamento del movimento online. Il presente manoscritto descrive in dettaglio le innovazioni tecniche che integrano più sistemi di acquisizione per facilitare e far progredire l'uso della TMS per studiare il movimento umano. Utilizzando i sistemi software e hardware disponibili in commercio, viene fornito un approccio passo-passo sia all'assemblaggio hardware che agli script software necessari per eseguire studi TMS attivati da caratteristiche specifiche di un movimento. L'approccio è focalizzato sullo studio dei movimenti di allungamento degli arti superiori, planari, multiarticolari. Tuttavia, lo stesso sistema integrativo è suscettibile di una moltitudine di studi sofisticati sul controllo motorio umano.

La figura 3 mostra i risultati di un singolo trial. In questo studio, la figura 3A mostra la posizione iniziale del partecipante e, dopo un uditivo &#39;go&#39; cue, il partecipante trasferisce più rapidamente e accuratamente possibile al bersaglio (cioè., La posizione finale). Il software di acquisizione dati basato spazzata-ha innescato un impulso TMS basato su EMG insorgenza nel muscolo bicipite brachiale. Ciò ha permesso la misura della prod...

L'uso della stimolazione magnetica transcranica (TMS) per studiare il controllo motorio umano richiede l'integrazione di sistemi di acquisizione dati per controllare l'erogazione della TMS e registrare contemporaneamente il comportamento umano. Il presente manoscritto fornisce una metodologia dettagliata per l'integrazione di sistemi di acquisizione dati allo scopo di studiare il movimento umano tramite TMS.

Combinazione di più sistemi di acquisizione dati per studiare uscita corticospinale e Multi-segmento Biomeccanica

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

L'obiettivo generale di questa metodologia è quello di creare un approccio economico per integrare gli studi sulla stimolazione cerebrale e sul movimento umano. Questo metodo può rispondere a domande chiave nel campo del controllo neuromotorio, come ad esempio il modo in cui l'output neuronale dalla corteccia motoria può essere modulato durante il movimento in corso. Il vantaggio principale di questa tecnica è che l'erogazione della stimolazione cerebrale è automatizzata dal computer ed è determinata dal parametro specifico di interesse per il ricercatore, come l'angolo articolare o l'entità dell'attività muscolare.A dimostrare questa procedura sarà Aaron Bailey, uno studente laureato del mio laboratorio. Vedere il manoscritto che accompagna questo video per le istruzioni di configurazione hardware e software per questo protocollo sperimentale. Il diagramma che viene visualizzato di seguito fornisce una panoramica della configurazione hardware.Inizia esaminando il partecipante per la sicurezza TMS e ottenendo il consenso scritto e informato per l'esperimento. Quindi registrare la massa corporea totale del partecipante utilizzando una bilancia. Utilizzare anche il metro a nastro per determinare la lunghezza della mano, dell'avambraccio e della parte superiore del braccio del partecipante, poiché questi segmenti possono essere successivamente utilizzati per l'analisi cinematica e cinetica.Successivamente, preparare la pelle sopra i muscoli di interesse utilizzando un gel abrasivo leggero. Quindi pulire l'area con alcool. Utilizzare un impedenziometro per assicurarsi che l'impedenza dell'elettrodo cutaneo sia inferiore a 10 kiloohm per migliorare l'acquisizione del segnale EMG.Ora posiziona due elettrodi sul ventre dei muscoli in un montaggio bipolare. Per questo esperimento, posizionare gli elettrodi sul bicipite brachiale, sul tricipite brachiale, sul grande pettorale, sul deltoide posteriore e sul brachioradiale. Infine, utilizzando i cavi NC, collegare le uscite dall'amplificatore EMG ai canali analogici zero, uno, tre, quattro e cinque sulla scatola AD.Localizza il vertice utilizzando il sistema internazionale di posizionamento degli elettrodi per elettroencefalografia 10-20. Calibrare la bobina TMS per il partecipante utilizzando il software di neuronavigazione. Localizzare il punto caldo del motore per ogni muscolo di interesse è la parte più critica dell'esperimento.Posizionare in modo errato il punto caldo del motore o orientare in modo errato la bobina può avere effetti sui dati acquisiti. Successivamente, per individuare il punto caldo del motore, inizia posizionando la bobina sull'emisfero controlaterale del braccio o della mano in studio e cinque centimetri lateralmente al vertice. La bobina deve essere piatta sulla testa del partecipante e orientata in modo tale da essere di 45 gradi rispetto al piano sagittale.Quindi iniziare con circa il 30% della potenza massima dello stimolatore ed erogare impulsi TMS con un intervallo di interstimolo di sei secondi o superiore, come descritto nel software di acquisizione dati basato sulla suite. Spostare la bobina TMS in posizioni leggermente diverse sul cuoio capelluto e modificare leggermente l'orientamento fino a quando non si osserva un potenziale evocato motorio nel muscolo di interesse. Ora determina la soglia del motore a riposo iniziando all'intensità che produce la risposta più affidabile a circa un millivolt.Eroga singoli impulsi e registra online l'ampiezza del potenziale peek-to-peek evocata dal motore. Inizia l'esperimento eseguendo prima il programma software di somministrazione dello stimolo visivo. Quindi eseguire il file di script per le prove sperimentali all'interno del software di acquisizione dati basato su suite, come descritto nel manoscritto che accompagna questo protocollo.Immettere le informazioni desiderate nella finestra di dialogo di configurazione come mostrato sullo schermo qui. Questi valori configureranno i tempi e altre impostazioni per le prove sperimentali. Ad esempio, i set di stimoli e il valore di randomizzazione controllano il numero di volte in cui il tipo di prova viene eseguito in un blocco.I sensori di rilevamento del movimento aderiscono al paziente. Dopo questo passaggio, il software verrà eseguito da solo con un input minimo da parte dell'utente. Assicurati che il partecipante comprenda tutte le istruzioni del compito e quindi inizia l'esperimento.Una prova inizia quando il partecipante posiziona il cursore sul bersaglio della posizione iniziale. Quindi apparirà una nuova posizione di destinazione visiva. Successivamente, un go que uditivo viene erogato tramite un'uscita digitale-analogica sulla scatola di acquisizione dati e il partecipante deve spostare il cursore sul nuovo target.Devono tenere il cursore su questa posizione target per un secondo e poi riportarlo alla posizione iniziale per attendere la prova successiva. Il segnale analogico dell'EMG attiverà l'impulso TMS, che dovrebbe essere configurato in modo che si verifichi 100 millisecondi dopo l'attivazione uditiva. Osservare il partecipante e assicurarsi che il cursore sia posizionato nella posizione iniziale e sui bersagli durante le prove.L'esperimento, come si vede qui, ha 21 condizioni che consistono in sette condizioni target con tre diversi punti temporali in cui viene attivato un impulso TMS. La durata totale approssimativa dell'esperimento è di tre o quattro ore. In una singola prova, lo schema a sinistra mostra la posizione di partenza all'inizio della prova, mentre lo schema a destra mostra la posizione finale durante la prova.Qui vediamo l'ampiezza peek-to-peek del MEP ottenuto da ciascun muscolo dal singolo impulso TMS durante l'inizio dell'EMG di questo studio. I grafici che si vedono qui mostrano lo spostamento angolare dell'articolazione della spalla e del gomito, mentre questi grafici mostrano la velocità angolare alle stesse articolazioni. Qui vediamo la cinetica alle articolazioni della spalla e del gomito, con le linee blu, verde e rossa che rappresentano rispettivamente il muscolo netto e il momento di contatto osso su osso.Questa figura mostra esempi di potenziali evocati motori registrati dal bicipite brachiale e dal grande pettorale, mentre raggiungono un obiettivo che richiede che entrambi questi muscoli siano attivi. Sono stati mostrati anche i potenziali evocati motori registrati dal tricipite brachiale e dal deltoide posteriore, mentre raggiungono un obiettivo che richiede l'attività di questi muscoli. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in due o tre ore se eseguita correttamente.Durante il tentativo di questa procedura, è importante determinare quale segnale analogico, come l'attività EMG o l'angolo articolare, verrà utilizzato per attivare l'impulso TMS. Queste informazioni saranno determinate dal contesto dell'esperimento. Seguendo questa procedura, altri metodi come l'EEG possono essere eseguiti per rispondere a ulteriori domande, ad esempio se i cambiamenti nelle oscillazioni cerebrali sono modulati in parallelo con i cambiamenti nella produzione corticospinale.

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