皮質脊髄出力とマルチセグメントのバイオメカニクスを研究するために、複数のデータ・アクイジション・システムを組み合わせます

この方法論の全体的な目標は、脳刺激と人間の運動の研究を統合する費用対効果の高いアプローチを作成することです。この方法は、進行中の運動中に運動皮質からの神経出力をどのように調節できるかなど、神経運動制御分野の重要な質問に答えることができます。この技術の主な利点は、脳刺激の配信がコンピューターによって自動化され、関節の角度や筋肉活動の大きさなど、研究者が関心のある特定のパラメーターによって決定されることです。

この手順を実演するのは、私の研究室の大学院生であるAaron Baileyです。この実験プロトコルのハードウェアとソフトウェアのセットアップ手順については、このビデオに付属する原稿を参照してください。ここに示す図は、ハードウェア構成の概要を示しています。

まず、参加者の TMS の安全性をスクリーニングし、実験に対する書面によるインフォームド コンセントを取得します。次に、体重計を使用して参加者の総体重を記録します。また、測定テープを使用して、参加者の手、前腕、上腕の長さを決定します。これらのセグメントは後で運動学的および運動学的分析に使用できます。

次に、軽い研磨ジェルを使用して、目的の筋肉の上に皮膚を準備します。次に、アルコールでその部分をきれいに拭きます。インピーダンスメーターを使用して、皮膚電極のインピーダンスが10キロオーム未満であることを確認し、EMG信号の取得を強化します。

次に、バイポーラモンタージュで筋肉の腹の上に2つの電極を配置します。この実験では、上腕二頭筋、上腕三頭筋、大胸筋、三角筋後部、および腕橈骨の上に電極を配置します。最後に、NCケーブルを使用して、EMGアンプからの出力をADボックスのアナログチャネル0、1、3、4、および5に接続します。

International 10-20 Electroencephalography Electrode Placement Systemを使用して頂点を特定します。ニューロナビゲーションソフトウェアを使用して、参加者に対してTMSコイルをキャリブレーションします。関心のある各筋肉の運動ホットスポットを見つけることは、実験の最も重要な部分です。

モーターのホットスポットの位置を間違えたり、コイルの向きを間違えたりすると、集録されるデータに影響を与える可能性があります。次に、モーターのホットスポットを見つけるには、まず、調査対象の腕または手の反対側の半球にコイルを配置し、頂点から5センチ横に配置します。コイルは、参加者の頭の上で平らで、矢状面に対して45度になるように向きを変える必要があります。

次に、最大刺激装置出力の約30%から始めて、スイートベースのデータ収集ソフトウェアで説明されているように、6秒以上の間刺激間隔でTMSパルスを送達します。TMSコイルを頭皮のわずかに異なる場所に動かし、目的の筋肉に運動誘発電位が観察されるまで向きをわずかに変更します。次に、約1ミリボルトで最も信頼性の高い応答を生成する強度から開始して、安静時モーターのしきい値を決定します。

単一パルスを配信し、モーターによって誘発される電位のピークツーピーク振幅をオンラインで記録します。まず、視覚刺激配信ソフトウェアプログラムを実行することから実験を開始します。次に、このプロトコルに付属する原稿に記載されているように、スイートベースのデータ収集ソフトウェア内で実験試験のスクリプトファイルを実行します。

この画面に表示されるように、設定ダイアログボックスに必要な情報を入力します。これらの値によって、実験的な試行のタイミングとその他の設定が構成されます。たとえば、刺激セットとランダム化値は、ブロック内で試行タイプが実行される回数を制御します。

モーションキャプチャーセンサーを患者に接着します。この手順の後、ソフトウェアは最小限のユーザー入力で自動的に実行されます。参加者がすべてのタスクの指示を理解していることを確認してから、実験を開始します。

試行は、参加者がカーソルをホームポジションターゲットに置いたときに開始されます。その後、新しい視覚的な目標位置が表示されます。次に、データ集録ボックスのデジタル-アナログ出力を介して聴覚的なゴーキューが配信され、参加者はカーソルを新しいターゲットに移動する必要があります。

カーソルをこの目標位置に 1 秒間置いたままにしてから、次の試行を待つためにホーム位置に戻す必要があります。EMGからのアナログ信号はTMSパルスをトリガーしますが、これは聴覚のゴーキューから100ミリ秒後に発生するように構成する必要があります。参加者を観察し、試行中にカーソルがホームポジションとターゲット上に置かれていることを確認します。

この実験には、ここで見られるように、TMSパルスがトリガーされる3つの異なる時点を持つ7つのターゲット条件で構成される21の条件があります。実験のおおよその合計時間は3〜4時間です。1 回の試行では、左側の回路図は試行の開始位置を示し、右側の回路図は試行中の終了位置を示します。

ここでは、この試験の EMG 開始時に 1 つの TMS パルスから各筋肉から得られた MEP のピークツーピーク振幅を示します。ここに示すグラフは肩と肘の関節の角変位を示しており、これらのグラフは同じ関節の角速度を示しています。ここでは、肩関節と肘関節の運動学を示しており、青、緑、赤の線はそれぞれ正味の筋肉と骨の接触瞬間を表しています。

この図は、上腕二頭筋と大胸筋から記録された運動誘発電位の例を示しており、これらの両方の筋肉が活性化する必要がある目標に到達します。また、上腕三頭筋と三角筋後部から記録された運動誘発電位も示されており、これらの筋肉が活性化する必要がある目標に到達します。一度習得すると、このテクニックは適切に行えば2〜3時間で実行できます。

この手順を試行する際には、EMG活動や関節角度など、TMSパルスをトリガーするために使用されるアナログ信号を決定することが重要です。この情報は、実験のコンテキストによって決定されます。この手順に続いて、脳波などの他の方法を実行して、脳の振動の変化が皮質脊髄出力の変化と並行して調節されるかどうかなどの追加の質問に答えることができます。