Kombinera flera datainsamlingssystem för att studera kortikospinala utgång och Multi-segment biomekanik

Introduction

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är en icke-invasiv metod för att stimulera den mänskliga cortex. ^3,5 Det finns flera TMS protokoll som används för att förstå kortikal funktion som enkla och multipla pulser, dual-site stimulering för att undersöka funktionell uppkoppling, och repetitiva pulser för att främja neural plasticitet. ^4,6-8 TMS protokoll kan också kombineras för att främja nuvarande förståelse av mänskliga kortikala processer guide neurala strategier rehabilitering. Förutom att stimulera cortex, kan TMS också användas för att förstå under-kortikal funktion genom stimulering av corticospinal kanalen eller lillhjärnan.

En av de största tekniska utmaningarna för TMS forskning är förmågan att studera betydelsen av kortikala områden under målinriktad frivilliga rörelser hos människor. Flera överväganden bidrar till denna teknisk utmaning. För det första bör TMS leverans kombineras med realtid mänsklig rörelse capture. På detta sätt kan TMS pulser levereras eller utlösas av funktioner inom ett rörelseförlopp tillhandahåller en tidslåst tillvägagångssätt för att studera komplex rörelse. För det andra, att integrera TMS leverans och motion capture tillåter en detaljerad beskrivning av komplex rörelse som det utvecklar sig, vilket kommer att öka förståelsen av hjärnan beteende relationer som ligger till grund för motorstyrning. För närvarande finns det inga kommersiellt tillgängliga system som inklusivt integrerar TMS och motion capture metoder. För neuroforskare inom motorstyrning, översätter detta tomrum typiskt i tidskrävande, tekniska utmaningar för att integrera flera mjukvara och hårdvara datainsamling och leveranssystem. Denna tekniska begränsning har också resulterat i glesa forskning ägnas åt att studera dynamiska flera gemensamma rörelser som involverar de övre extremiteterna. För TMS att främja området för mänskliga motorstyrning, är det absolut nödvändigt att kortikala funktion sonderas under komplex mänsklig rörelse.

(ie., Beskrivning av rörelse), rörelse kinetik (dvs., Tvingar som orsakar rörelse), och muskelaktivitet. För det tredje måste systemet kunna synkronisera TMS pulser till dessa rörelse funktioner och utlösas av kriterier baserade på komplexa rörelsefunktioner. Ett sådant system kommer att ge en viktig koppling mellan kortikala funktion och kinematisk och kinetik rörelse.

Detta manuskript detaljer en unik metod för att integrera metoder för TMS och motion capture. Detta tillvägagångssätt gör detaljerad analys av mekaniken i komplexa flera gemensamma rörelser, och medger automatisk kontroll av TMS pulser utlöses av särdragen i rörelsen (dvs kinematik, kinetik, eller muskelaktivitet). Vidare, dessa data ACQuisition system möjliggör TMS och motion capture att integreras med experimentella paradigm som kräver visuo-motor eller sensomotoriska uppgifter. Detta manuskript detaljer en innovativ strategi för att integrera allmänt använda hårdvaru- och mjukvarusystem motion capture för att kombinera TMS och mänsklig rörelse och analys. Data presenteras med hjälp av en provstudie av människans kortikal funktion under plana flera gemensamma rörelser. Programvaran skript som krävs för att utföra experimentet finns att ladda ned.

Protocol

OBS: Följande protokoll kan tillämpas på en mängd olika experiment. Nedan finns uppgifter om ett experiment som involverar en visuellt styrd arm når uppgift att en av sex rumsliga mål som visas på en datorskärm. TMS, för att sondera kortikospinala retbarhet, utlöses av antingen analoga signaler som kommer ut från rörelsen (dvs EMG eller elektrogoniometem ingång) eller digitala signaler som genereras från svepbaserade datainsamlingsprogram. Studien godkändes av McMaster forskningsetiska styrelsen i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Ett prov dataset tillhandahålls.

1. hårdvara / mjukvara Krav

OBS: Figur 1 visar en schematisk bild av hårdvarukraven för att integrera TMS och motion capture-system i samband med en datorstyrd visuo-motor experiment.

1. Utrusta två stationära datorer med seriella och parallella portar (om inte redan finns tillgängliga). Utrusta PC 1 (figur 1) med svepbaserad datainsamling programvara och PC 2 med en visuell stimulans leverans program.
2. Programvaruverksamheten
   1. Intern Analog / Digital Box (A / D-box) Verksamhet
      OBS: Följande åtgärder ger information till läsarna om de vill skapa en liknande program själva. Dessa steg är inte nödvändigt att utföra experimentet, eftersom experimentet helt enkelt kan använda den medföljande programvaran av författarna, men riktlinjer finns för att tillåta användare att skapa sina egna program.
      1. Skapa en sequencer fil i svepbaserade datainsamlingsprogram (se "sequencer file" exempel (i kompletterande information 2) som ska utföras på datorn 1.
         OBS: Ett exempel på åtgärder för att skapa en sequencer fil med svepbaserade datainsamling programvara i detta experiment kan hittas på http://ced.co.uk/products/signal#script.
         NEJTE: Den här filen verkar för att ge alla den exakta tidpunkten krävs sekvensen exekverar parallellt med förvärvet faktiska uppgifter och ger flexibilitet tillsammans med synkron timing externa triggers. Förändringar i externa utlösningskriterium kan utföras i konfigurations dialogrutan som tas upp när man kör skriptet (se avsnittet "Experimentella studier" för mer information och "Sequencer File" skärmbilden).
      2. Skapa separata subrutiner inom sequencer-filen för att kontrollera hörsel kö generationen och TMS utlösningskriterium. Har en subrutin styra hörsel kö baserat på insatsvaror från den visuella stimulans display programvara. Dessutom har en subrutin kontroll TMS Utlösning baserad på insatsvaror från en analog ingång till A / D-box.
         OBS: Ett exempel på hur separata subrutiner ingår i en sequencer-fil finns i Tilläggsinformation (manus och sequencer-fil). Se 1.2.1.1 för ytterligare webbplats stödspecifika för mjukvarusystem som används i denna demonstration. Detta upplägg ger hörsel kö generation att ske parallellt med att testa för TMS utlösningskriterium.
      3. Skapa kodrader i sequencer-fil som anropar subrutiner (som beskrivs i 1.2.1.2). Låt varje subrutin funktion sådan att den väntar på ankomsten av insatsvaror från deras källor (dvs visuell stimulans display programvara för hörsel kö och analog ingång för TMS trigger).
   2. Anslutning och kommunikation mellan elektromagnetiska motion capture system för att sopa baserad datainsamling programvara
      1. För att få den elektromagnetiska motion capture-system för att kontinuerligt generera data, generera rader kod i skriptfilen på svepbaserade datainsamling programvara för att mata ut ett antal kommandon till den elektromagnetiska motion capture via seriell anslutning (dessa kommandon bör finnas i den elektromagnetiska motion capture systemets manual).Dessa kommandon finns i den nedladdningsbara skriptfilen (script_file.sgs, se rader 88-114 och 635-650).
      2. Skapa rader kod för att ha skriptfilen lägga till motion capture data till varje försöks svep. Därefter måste skriptet passera motion capture data via en seriell anslutning från PC 1 till den visuella stimuli leveransprogramvara (PC 2) för att styra hårkorset markören på skärmen PC 2.
         OBS: Denna sekvens av händelser gör det möjligt för den elektromagnetiska fånga rörelse för att generera ASCII-data kontinuerligt, och data läses sedan från datalinjen.
      3. Vid slutet av ett experiment, skapa rader kod att ha skriptfilen skicka kommandon för att stänga av det elektromagnetiska motion capture systemdatautgång. För att göra detta, har svepbaserade datainsamling programvara skicka ut textrader håller en sensor nummer följt av sex koordinatvärden (se script_file.sgs för kommandokoder som används för denna demonstration, speciellt linjerna 88 till 114 och 653-658).
         OBS: Mer information om dessa kommandon finns också på elektromagnetiska motion capture-system webbplats (avsnitt 1.2.1.1).
         OBS! Innan extrahera numeriska värden, har strängen "sanerade" eftersom om koordinat var negativ, kan det inte skiljas från det föregående numret av några mellanslag.
   3. Sweep baserad datainsamling programvara till visuell stimulans leveransprogramvara kommunikation
      1. Set-up tre separata kanaler för kommunikation mellan svepbaserade datainsamling programvara och den visuella stimulans leveransprogramvara.
      2. Set-up två seriella linjer som används för att bära textdata i båda riktningarna mellan PC 1 och PC 2. För att göra detta ansluter du en seriell kabel mellan PC 1 och PC 2 (varje serieledningen skall vara enkelriktad mellan varje dator, figur 1).
      3. Koppla PC 2 till A / D-boxen. För att göra detta, skapa eller köpa en kabel som har en LPT-port på en svd och en manlig BNC-anslutning på den andra änden. Anslut LPT-porten till dator 2 och anslut BNC-anslutning till triggingången på A / D-boxen.
         OBS: Denna anslutning tillåter linjen att bära en puls som genereras av LPT1-porten på det visuella stimuli leveransmjukvarusystem till A / D-box triggeringången (dvs, PC 2, figur 1.).
         OBS: TTL-signal ger exakta tidpunkten för starten av datainsamlings sopa synkront med de visuella stimulans leverans programvaruverksamheten, medan den seriella linjer överförs för all annan information.
         OBS: Se till att använda faktiska PCI-Express LPT och COM-port kort installerat på datorn med den visuella stimulans leveransprogramvara. Denna uppställning gör programvara för att fungera framgångsrikt och det rekommenderas starkt. De visuella stimulans leverans programvara kommunikation, genomförs på en låg nivå för att undvika förseningar, i allmänhet inte fungera tillförlitligt under den simulerade LPT och COM-port hårdvara provided av USB-donglar.
      4. Ställ rättegången varaktighet värden till 20 ms i den visuella stimulans leverans programvara fil, som värden mycket kortare eller längre än 20 ms orsakar problem. Resurser på hur man fyller denna process kan hittas på följande webbplats: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Se linjerna 39-46 i scenariot filen i tilläggs handlingar (Presentation scenario fil).
         OBS: Eftersom de visuella stimulans leverans programvaruverksamheten är mycket nära knutna till bildgenerering, och vår erfarenhet av seriell kommunikation inte beter sig som förväntat, om försökstiden satt i rättegången funktionen var lämplig (dvs. 20 ms.).
      5. Skapa kommunikationsprotokoll för att överföra information mellan svepbaserade datainsamling programvara och den visuella stimulans leveransprogramvara.
         OBS: Avsnitt 1.2.3.7 till 1.2.3.11 beskriver hur detta har slutförts. Se de resurser i steg 1.2.1.1och 1.2.3.5 för ytterligare stöd för svepbaserade datainsamling programvara och den visuella stimulans leveransprogramvara, respektive.
      6. För svepbaserade datainsamling programvara till den visuella stimuli leveransprogramvara riktning, skapa rader kod i svepbaserade datainsamlings programvara för att skicka två former av information; nummer rättegång att starta och stoppa en rättegång, och hårkorsmarkören positioner. Har svepet baserade datainsamlings skickar programvaran all information som textrader avslutas med en radbrytning. Se linjerna 700-708 i Signal skriptfilen på hur detta genomfördes.
      7. För den visuella stimulans leverans programvara för att skilja två typer av information, ställa in första tecknet att vara en 0 eller 1 följt av en eller två siffror i enlighet med den typ av information, med alla värden separeras med mellanslag. Den visuella stimulans leverans programvara kommer att ha några svårigheter att hantera den här informationen. Se rader 89-153 av scenariot filen för att se how denna operation genomfördes inom visuell stimulans leveransprogramvara.
      8. I den visuella stimulans leverans programvara för att sopa baserad datainsamling programvara riktning, skapa rader kod från den visuella stimuli leveransprogramvara som matar ut enstaka heltalsvärden, 0-9, som ska skickas till svepbaserade datainsamlings programvara som enda ASCII tecken "0" till "9" följt av en radmatning. Se rader 82-87 av scenariot filen för att avgöra hur denna operation är klar.
      9. Skapa rader kod inom visuell stimulans leverans programvara för att skicka ut värdet 0 och 1 för att återgå information till svepbaserade datainsamlingssystem om huruvida eller inte deltagaren hade träffat målpositionen. Se rader 72-80 och 154-220 i scenariot filen för att avgöra hur denna operation är klar.
      10. Skapa rader kod i den visuella stimulans leverans programvara för att skicka information om slutet av rättegången meddelande (dvs.
   4. Sekvens of Operations inom en rättegång
      1. Set-up sekvensen av en rättegång så att verkställandet av en rättegång delas mellan svepbaserade datainsamling programvara och den visuella stimulans leveransprogramvara, med svepbaserade datainsamling programvara är "ansvarig" av den totala sekvensering.
      2. Sätt svepbaserade datainsamling programvara kontroll över experiment sekvense eftersom svepbaserade datainsamling programvara genererar faktiska datafil som måste kommenteras med provuppgifter och därför är mindre kommunikation krävs.
      3. Set-up skriptet så att sekvensen av operationer börjar med svepbaserade datainsamling programvara välja inställningar nästa rättegång (mål ställning och TMS trigger typ). Se linjerna 335-345, och motsvarande slingor beskrivs i dessa linjer, i skriptfilen för att förstå hur man fyller dessa operationer.
         OBS: Slingorna ingår också i skriptfilen.
      4. Därefter måste svepbaserad datainsamling programvara inställda parametrarna i A / D-box som styr TMS avtryckartyp och andra aspekter av rättegången. För att göra detta, har svepbaserade datainsamling programvara initiera datainsamling så att A / D-box väntar på en svep trigger från den visuella stimulans leveransprogramvara, och meddelar den visuella stimulans leveransprogramvara via serielinjen målnumret (ett till 7) som används, vilket gör att visuell stimulans leveransprogramvara för att starta ett försök (dvs.., via TTL-puls). Se linjerna 180-303 av signal skript för att förstå hur man kan slutföra den här åtgärden.
      5. Efter att ha avslutat den ovan nämnda steg, har svepbaserade datainsamling programvara vänta för slutförande av insamling av en sweep av data från A / D-box, och lägga till positionsdata den får från den elektromagnetiska motion capture-system till de uppgifter som ingår i urvalet. Se rader 117-178 och 661-697 i skriptfilen för mer information om hur du slutför den här åtgärden.
      6. Ställ upp den visuella stimulans leverans programvara för att övervaka ämnet styrda hårkorsmarkören position. Ställ upp den visuella stimulans leverans programvara för att flytta målet till den angivna positionen och skapa en TTL puls på LPT1 port efter markören ligger inom utgångsläget för en viss tid (som anges i den visuella stimulus leveransprogramvara). Se rader 89-232 i scenariot filen om hur man slutföra det här steget.
      7. Skapa kodrader som gör den visuella stimulus leverans skickar programvaran en TTL puls för att trigga A / D-boxen datainsamling och därigenom starta försöket timingen inuti A / D-boxen. Se linjerna 222-232 av scenariot filen på hur man slutföra det här steget.
      8. Samtidigt har den visuellastimulans leveransprogramvara scenario fil börjar en fördröjning varefter den kommer att flytta målet till den angivna platsen och börja övervaka hårkorsmarkören för att titta på det "slår" målet (dvs.., kvar på målet för en viss tid). Ställ upp den visuella stimulus leveransprogramvara så att den fortsätter denna övervakning av hårkorsmarkören läge tills svepbaserade datainsamling programvara informerar visuella stimulans leverans programvara som slutförde prövningen.
         OBS: Dessa funktioner är på samma kodrad i scenariot filen i steg 1.2.4.6 och 1.2.4.7.
      9. Inuti A / D-boxen, skapa en tidsfördröjning. Under en viss period, som löper fram till slutet av fördröjningen, har mjukvaran Skärmens två EMG-signaler (OBS: kan vara några analoga signaler) för att kontrollera att de har låg amplitud (detta amplitudvärde är användardefinierad). Författarna rekommenderar en EMG amplituden på +/- 100 μV eller ~ 1% av en Deltagarnas maximala frivillig aktivering. Se linjerna 45-75 i sequencer-filen för att slutföra den här åtgärden.
      10. Skapa rader kod som gör början av denna tysta EMG övervakningsperioden präglats av en A / D-box-genererade digital markör med kod 1. Även om en "icke-tyst" EMG signal upptäcks, inte tillåter någon ytterligare A / D box utgångar (t ex., pip eller TMS trigger) genereras under rättegången. Inrätta ett kommando i programmet så att om det finns en "icke-tyst" EMG-signal, är rättegången upprepas. Se linjerna som nämns i steg 1.2.4.9 plus ledningar 118 till 124 av sekvensfilen och linjer 347-420 av skriptfilen för dessa operationer.
      11. I slutet av fördröjningen, och efter inspelningen tyst EMG-signaler, har A / D-box generera en DAC 0 utpuls (i detta set-up, orsakar DAC utgång ett hörbart "pip"). Ha en A / D-box -generated digitala datapunkt markerar starttiden för "pip" med "kod 2" Se linjerna 126-138 av sekvensfilen för att förstå huratt slutföra den här åtgärden.
      12. Set-up skriptet i svepet baserade datainsamlings programvara för att ha A / D-box övervaka sveptiden och inkommande signaler och generera en TMS trigger baserad på lämpliga kriterier. Skapa rader kod så att en digital "kod 3 'datapunkt markerar tidpunkten för denna TMS avtryckaren (om det förekommer). Se rader 77-116 av sekvensfilen för att förstå hur man kan slutföra den här åtgärden.
      13. Ha Vänteperioden, efter lämpliga utlösningsvillkor, fortsätta tills en viss tid före slutet av svepet.
          OBS: Detta förhindrar rättegången uppstår oändligt om ett kriterium inte är uppfyllt. Se rader 65-76 och 118-138 i sequencer-filen för att förstå hur man kan slutföra den här åtgärden.
      14. Ställ upp svepet baserade datainsamlings programvara för att upptäcka slutförandet av A insamlingsbössa data / D och meddela den visuella stimuli leveransprogramvara att rättegången är över. Se linjerna 180-303 av skriptfilen för att förståhur man slutföra det här steget.
      15. När den visuella stimulus leveransprogramvara meddelas att rättegången är över, har den visuella stimulans leveransprogramvara tillbaka målet till hemmaläget och skicka information till svepbaserade datainsamling programvara om huruvida deltagaren "träff" målet. Har "tag" sweep baserad datainsamling programvara nyligen samplade dataram om deltagaren inte träff målet ,. Se rader 89-221 av scenariot filen om hur man slutföra den här åtgärden.
      16. Set-up skriptet i svepet baserade datainsamlings programvara för att vänta på en post-rättegång dröjsmål och i slutet av denna fördröjning, har processen återgång till steg 1 och kasta samplade data och upprepa den sista rättegången om sweep- baserad datainsamling programvara inte utlösa TMS, eller gå vidare till nästa rättegång om allt var "OK". Se rader 180-303 och motsvarande loopar i skriptfilen för att förstå hur man kan slutföra dettadrift.
          OBS: sopa baserade datainsamlings programvara och de visuella stimulans leverans programvara används tillståndsmaskiner för att styra den nödvändiga sekvens av operationer, eftersom det tillåtet för enkel justering av den experimentella beteende, om det behövs.
3. Placera sensorerna om sevärdheter beniga att få motion capture-data. För att samla in uppgifter om att beväpna hållning, plats sensorer på bålen (hals notch), axel (acromion), armbåge (8 mm överlägsna sido epikondylen), och handled (mellan lunate och CAPITA ben på ryggen på handen och i linje med den ^{3: e} siffran), enligt rekommendationerna för att spåra gemensamma rotationscentra med minimala sensorer. ¹⁰

Figur 1. Hardware Set-up. För att möjliggöra de elektromagnetiska motion capture data som ska skickas till sopabaserad datainsamling programvara och den visuella stimulans leveransprogramvara, först montera de 4 elektromagnetiska sensorer med systemets konsolen. Anslut systemets konsolen till PC 1 med en 9 stifts seriell kabel. Anslut datorn 1 till PC 2 med en 9 stifts seriell kabel. För att möjliggöra TMS leverans, ansluta datorn 1 med A / D-box med en USB-kabel och anslut en BNC-kabel mellan A / D-box och TMS enheten. För att möjliggöra EMG inspelning, anslut EMG leder till EMG förstärkare och anslut EMG amp till A / D-box via BNC-kablar. Anslut elektrogoniometem (Elgon) till A / D-boxen via en BNC-kabel för att spela in ledförändringar vinkel på nätet. För att möjliggöra den visuella stimulans leverans programvara för att utlösa rättegången start, ansluta datorn 2 till A / D-box trigger ingång via en LPT-port till BNC-kabel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

4. Hårdvara anslutningunder försöket (figur 1)
   1. Anslut den elektromagnetiska motion capture-system till datorn kör svepbaserade datainsamling programvara med 9 stift seriella kablar.
   2. Har datainsamlings rutan samordna TMS leverans och registrering av motion capture uppgifter etc. Detta görs genom att alla ovannämnda verksamhet som finns i manus och sequencer-filer. Anslut A / D-box med en USB-kabel till PC 1 och en BNC till parallella kabeln från A / D-box triggingång till PC 2.
   3. Anslut EMG leder in till EMG filtret (bandpass satt till 20 och 2500 Hz) och förstärkare (vinst x1,000) för uppsamling av EMG-aktivitet och kortikospinala utgång mätt som motor framkallade potentialer (ledamöter).
   4. Anslut Monofasiska transkraniell magnetisk Stimulator till lämplig datainsamling box digitala utgångar (Digital utgång "0" i detta experiment) för att tillåta svepbaserade datainsamlings programvara på PC1 att utlösa TMS pulser under försöket. li>
   5. Anslut en elektrogoniometem till datainsamlings rutan på analog kanal 2. Denna anslutning gör det möjligt att sopa baserade datainsamlings programvara för att utlösa TMS baserat på axeln vinkel med den medföljande programvaran av författarna.
   6. Bygga eller köpa en arm stärkande enhet som stöder armen mot tyngdkraften. Denna enhet möjliggör plana rörelser i horisontalplanet (se figur 2). Om att bygga enheten, finns tillgänglig på begäran från motsvarande författaren ett exempel ritning. Figur 2 visar en bild av den anordning som används i demonstrationen.

Figur 2. Arm stärkande enhet. Avbildas en deltagare placeras i armen stärkande anordningen, medan en TMS spole placeras på deltagarens hårbotten.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Experiment Set-up

1. Kroppsmått
   1. Notera den totala kroppsmassa deltagare som använder en skala.
   2. Mät längden på alla segment för kinematiska och kinetiska analys. Till exempel i denna ansökan med armen, mäta längden av handen, underarm, och överarm med ett måttband.
   3. Beräkna antropometriska åtgärder, såsom segment masscentrum, segment masscentrum plats och tröghetsradie med hjälp av ekvationer från forskningslitteratur. ^9,12,13 (Se Tilläggsinformation 1).
2. EMG set-up
   1. Förbered huden över muskeln (s) av intresse med en lätt slip gel och torka rent med alkohol. Kontrollera impedansen med en impedans mätaren. Se till att huden elektrodimpedansen är under 10 kQ att öka EMG-signal acquitidpunkten.
   2. Placera två elektroder över muskeln magen av musklerna av intresse i en bipolär montage. Författarna riktar läsaren om resurser för att hjälpa till med EMG placering. ² För detta experiment, placera elektroderna över biceps brachii, triceps brachii, pectoralis major, bakre delta och brachioradialis.
   3. Använda BNC kablar, anslut utgångarna från EMG förstärkaren till de analoga kanalerna 0, 1, 3, 4, och 5 (för detta specifika experiment, de kanaler i samband med dem som används i de nedladdningsbara skript) på A / D-box.
3. TMS
   1. Kalibrera TMS spolen till deltagaren med hjälp av en neuro-navigation program, som beskrev i programvarans handbok.
      OBS: Andra metoder kan användas för att kalibrera spole läge till personens hårbotten, men det rekommenderas att använda en neuro-navigationsprogrammet.
   2. Leta motor hotspot. Som en startplats, placerar spolen på den kontra hanmisphere av armen / handen studeras och 5 cm i sidled till vertex för att ge en ungefärlig plats för hand / arm område av primära motoriska cortex. Leta vertex enligt det internationella 10-20 elektroencefalografi elektrodplacering systemet.
   3. Placera TMS spolen platt på deltagarens huvud och orientera spolen så att den är 45 ° i förhållande till sagittalplanet. Denna placering kommer att inducera en latero-posterior till medio-anterior monofasiska ström i cortex.
   4. Början på ~ 30% av den maximala stimulator utgång (MSO) levererar TMS pulser med en inter-stimulus intervall på 6 sekunder eller mer, som beskrivs i svepbaserade datainsamlingsprogram.
   5. Flytta TMS spolen för att något olika platser med små förändringar i orienteringen tills en MEP observeras i muskeln av intresse.
   6. Bestäm MSO som ger ledamöterna av ~ 1 mV i målet muskeln. Använd neuro programvaran för att digitalt registrera den här platsen. Upprepaproceduren för varje muskel som en motor hotspot krävs för experimentet.
   7. Bestäm vila motortröskeln (RMT) genom att starta vid den intensitet som producerar den mest pålitliga ~ 1 mV ledamot i muskeln av intresse, leverera enstaka TMS pulser och registrering av MEP topp till topp amplitud på nätet.
   8. Bestäm MSO varvid topp-till-toppamplituden hos MEP är ≥ 50 μV i 5 okt 10 försök i rad. ^3,11
      OBS: För att vara konsekvent med tidigare litteratur, ^1,3 se till att ledamoten är inspelad från en monopolär EMG montage.
4. Experimentella försök
   1. Starta experimentet genom att köra den visuella stimulans leverans program första (dvs.. Scenario fil). Starta visuell stimulans leverans program första möjliggör programvaran för att börja läsa i de elektromagnetiska motion capture uppgifter och tillåta en motion capture sensor för att styra enmarkören på skärmen.
   2. Kör "skriptfilen" för experimentella försök inom svepbaserade datainsamlingsprogram. Detta skript fil läser i "sequencer filen" som levererar externa utlösningsmekanismer baserade på typ rättegången.
   3. Ingång önskad information i konfigurations dialogrutan som öppnas. Steg, 2.4.4 till 2.4.11 alla hänför sig till konfigurationsdialogruta.
   4. Ange värdet "1" i "stimulans sätter i randomiseringen block" rutan. Detta värde styr antalet gånger en typ prov utförs i ett block.
   5. Ange värdet "20" i "randomiserade block i experiment" rutan. Det här värdet styr antalet block som ska utföras i ett experiment.
   6. Ange värdet "20" i "pip pulslängd" rutan. Detta värde styr tidslängden för DAC utgång och därför, hur länge pip pulsen är "på".
      OBS: Ändra detta värde för att öka längdauditiv tonen är närvarande.
   7. Ange värde "5" i "pip pulsamplituden" rutan. Detta värde styr amplituden i volt DAC produktionen och därför "volym" av pip pulsen.
   8. Ange värdet "100" i "tidsinställd utlösare post pip fördröjning" rutan. Detta värde bestämmer intervallet i ms mellan hörsel "go" cue och den digitala utgången (ie., TMS avtryckaren 1).
   9. Ange värde "0,1" i "EMG triggtröskelnivå" rutan. Detta värde bestämmer amplituden för EMG i volt som krävs för att utlösa den digitala utgången (ie., TMS trigger 2). Dessa åtgärder vidtogs på icke-likriktade EMG-signaler.
   10. Ange värde "0,242" i "Angle triggtröskelnivå" rutan. Detta värde bestämmer tröskelvärdet i volt läses från elektrogoniometem att utlösa den digitala utgången (ie., TMS trigger 3).
       OBS: Detta värde beror på kalibrering avelektrogoniometem. Användaren bör ingång som spänningsvärde som motsvarar en gemensam vinkel tröskelvärde som framkallar en TMS-puls.
   11. Ange värdet "1" (dvs., 1 sek) i "post-rättegången fördröjning" rutan. Detta värde bestämmer bland rättegången intervallet.
       OBS: Mer information om varje funktion finns i manuset eller på begäran från författarna.
   12. Starta skriptet när allt är klart när det gäller deltagaren, TMS, och visuell stimulans visa program.
   13. Efter detta steg, observera programmet köras på egen hand utan någon / eller med minimal inmatning från användare.
       OBS: Ett exempel rättegång börjar med deltagaren att placera markören i utgångsläget mål. Den nya visuella målpositionen visas och deltagare flyttar till detta mål, när en auditiv "go" cue levereras via en digital till analog utgång på datainsamlings rutan.
   14. Efter att ha levererat kön, be deltagarna att flytta markören till tArget. Efter att ha nått målläget med markören, observera utgångsläget och börja nästa rättegång genom att placera markören tillbaka i utgångsläget.
       OBS: Här är exempel på TMS triggas av skriptet. Se till att individen är i utgångsläget. Observera visuella målläget och instruera deltagaren att flytta markören till detta mål. Trigger TMS att inträffa vid 100 ms efter hörsel "gå" cue. Individen håller markören vid målläget för en sekund. Individen återgår sedan till utgångsläget i väntan på nästa försök.
   15. Se till att markören är i utgångsläget. Observera visuella målläget och instruera deltagaren att flytta markören till målpositionen. Trigger TMS att inträffa vid 100 ms efter hörsel "gå" cue. Instruera den enskilde att hålla markören vid målläget för en sekund. Be individen att återställa markören till utgångsläget i väntan på nästa försök.
       OBS: I detta exempel, utlöser den analoga signalen TMS. Specifikt i detta exempel, EMG utlöser TMS pulsen. Experimentet har 21 villkor: 7 Målförhållanden x 3 olika tidpunkter vid vilka en TMS-puls utlöses (dvs., avtryckare 1, avtryckare 2, trigger 3.). I detta exempel är TMS pulser utlöses baserat på digitala händelser eller externa analoga utlösande händelser såsom EMG eller elektrogoniometem ingång. Dessa digitala eller analoga händelser kan modifieras av användaren genom att ändra sekvenser och skriptfiler. Den ungefärliga totala varaktigheten av försöket är 3 till 4 timmar.

Representative Results

Figur 3 visar resultaten från en enda rättegång. I denna studie visar figur 3A utgångsläget för deltagare och efter en auditiv "go" cue flyttade deltagaren så snabbt och exakt som möjligt till målet (dvs.., Det slutliga läget). Svepet baserade datainsamling programvara utlöste en TMS puls baserad på EMG debut i biceps brachii muskeln. Detta möjliggjorde mått på kortikospinala utgång riktas mot överarmsmuskler ska utvärderas vid en viss tidpunkt under fullgörandet av uppgiften. Figur 3B visar parlamentsledamot från varje muskel från den enda TMS puls under EMG uppkomsten av denna studie. Topp-till-topp-amplituden av MEP från TMS pulsen mäts från varje muskel. Alternativt skulle området för MEP mätas. Förändringar i MEP storlek över olika rörelse faser eller typer rörelse indikerar förändringar i corticospinal retbarhet mellan olika arbetsuppgifter eller tidpunkter. Använda den integrerade tillvägagångssätt motion capture och TMS-system, kan forskarna kvantifiera neural aktivitet som härrör från motor cortex vid en exakt tidpunkt under beteende, såsom under EMG debut i detta exempel. Vidare kan det finnas en fördröjning infogas mellan EMG debut och utlösning av TMS leverans (se sequencer filen på ledningarna 88-98 och 109-117 för att infoga denna fördröjning) att undersöka tidsförloppet för corticospinal produktion som kan variera under rörelse. Viktigt, kan andra analoga signaler såsom rörelse kinematik (gemensam vinkel, gemensam hastighet, gemensam acceleration) och sensoriska signaler (visuell, auditiv) också användas för att trigga TMS leverans.

Figurerna 3C och 3D visar vinkelförskjutning av axeln och armbågen. Figurerna 3E och 3f visa engular hastighet på axeln och armbågen. Figur 3G och 3H visar kinetiken vid axel- och armbågsleder. De blåa, gröna och röda linjer är nätet, muskler och ben vid kontakt ben ögonblick, respektive. Corticospinal upphetsning, riktade till varje muskel, kan sedan jämföras med de olika rörelseresultatmått (ie., Rörelse kinematik och kinetik). Dessa åtgärder beräknas baserat på rörelse datafångst och antropometriska data. Dessutom ger detta set-up för tids låst TMS pulser att inträffa vid något tillfälle före eller under transporten och kan bedöma förändringar i kortikospinala retbarhet i förhållande till vissa funktioner i rörelsen.

Figur 4 visar exempel ledamöter som spelats in från biceps brachii (A) och pectoralis major (C), medan nå till ett mål som kräver både biceps brachii och pectoralis major (E) att vara aktiv. Figur 4 visar också MEP inspelad från triceps brachii (B) och bakre deltamuskeln (D), medan nå till ett mål som kräver både triceps brachii och bakre deltamuskeln (F) för att vara aktiv.

Figur 3. Representativa resultat från en enda rättegång. (A) den schematiska till vänster visar startpositionen vid rättegången början medan den schematiska till höger visar slutpositionen under rättegången. (B) topp till topp amplitud MEP framkallade i de övre armmuskler. BB = Biceps brachii, TB = Triceps brachii, PM = Pectoralis Major, PD = Posterior Deltoid. (C & D) vinkelförskjutningen tidsprofilen för axel- och armbågsleder hela rättegången. Värdena indikerar rotationen (i radianer) förskjuts av en moturs rotation i förhållande till Right horisontella. Ett ökande vinkel indikerar böjning, medan en minskande vinkel indikerar förlängning. (E & F) vinkelhastigheten tidsprofilen för axel- och armbågsleder hela rättegången. (G & H) ögonblicket tidsprofilen på axeln och armbågen hela rättegången. Den blå linjen visar Net Moment, den röda linjen visar ben mot ben kontakt Moment, och den gröna linjen visar den förutspådda Muscle Moment. Positiva värden indikerar att ögonblicket agerar i flexor riktningen (dvs., Moturs rotation), medan negativa värden indikerar att ögonblicket agerar i extensor riktningen (dvs., Medurs rotation). Se Tilläggsinformation 4 för beräkning av muskler, ben mot ben kontakt och netto ögonblick. Klicka Vänligen här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4. Representativa ledamöter som spelats in från överarmsmuskler. MEP in från biceps brachii (A) och pectoralis major (C), medan nå till ett mål som kräver aktivitet av både biceps brachii och pectoralis major (E). MEP in från triceps brachii (B) och bakre deltamuskeln (D), medan nå till ett mål som kräver aktivitet av både triceps brachii och bakre deltamuskeln (F). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polhemus FASTRAK	Polhemus Inc.		6 degrees of freedom electromagnetic motion tracking device with 4 sensors
Presentation	Neurobehavioural Systems Inc.		A fully programmable software for experiments involving data acquisition and stimulus delivery
Cutom built Exoskeleton	80/20 Inc. - The industrial erector set	Varies	Various parts used to build the exoskeleton
Brainsight	Rogue Research Inc.		Neuronavigation software to track coil position throughout the experiment