Name: 여러 데이터 수집 시스템을 결합하면 피질 출력 및 멀티 세그먼트 역학을 연구하는 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: 배우세요 경두개 자기 자극(TMS)과 데이터 수집 시스템을 통합하여 인간 운동 제어를 연구하는 방법을. 관절 각도나 근육 활동에 따라 자동으로 뇌 자극을 전달하여 운동 신경 출력 조절 메커니즘을 탐구합니다.

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저자는 자연과학 및 공학 연구 위원회(Natural Sciences and Engineering Research Council)가 AJN에 자금을 지원한 것에 감사를 표합니다.

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</ol>

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본 원고는 시각 운동 작업의 맥락에서 TMS와 모션 캡처 시스템을 통합하는 혁신적인 방법을 자세히 설명합니다. 인간 운동 제어 연구에서 빠르고 의미 있는 발전을 이루려면 방법론을 통해 여러 하드웨어 및 소프트웨어 시스템 전반에 걸쳐 정확한 통신이 가능해집니다. 제시된 패러다임은 운동 학습에 대한 피질 기여, 운동 제어의 신경생리학, 특수 집단의 다관절 운동 제어를 포함한 다양한 연구 관심사를 연구하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 이 패러다임을 사용하여 피질 척수 흥분성이 어깨와 팔꿈치 관절에 작용하는 상호 작용 토크의 다양한 크기와 방향에 따라 어떻게 변하는지 연구했습니다. 상호 작용 토크는 모든 "실제" 다중 관절 움직임에 존재하며 움직임 계획에 미치는 영향은 더 빠른 동작으로 더욱 분명해집니다. 그러나 소뇌 운동실조증이 있는 개인과 발달 조정 장애가 있는 어린이는 자발적인 목표 지향적 팔 움직임을 수행할 때 이러한 상호 작용 토크에 대한 "설명"에 문제가 있습니다. 제시된 패러다임은 이러한 집단의 피...

경 두개 자기 자극 (TMS)의 기능적 연결성을 프로빙 그러한 단일 및 다중 펄스, 이중 사이트 자극으로 피질 기능을 이해하기 위해 사용되는 여러 TMS 프로토콜이있다. 3,5- 인간 피질 자극하는 비 침습적 방법이며 반복 펄스는 신경 가소성을 촉진. 4,6-8 TMS 프로토콜은 신경 재활 전략을 인간의 대뇌 피질 프로세스의 현재 이해를 발전 안내하기 위해 결합 될 수있다. 피질 자극 이외에, TMS는 피질 또는 소뇌 요로 자극에 의​​해 서브 피질 기능을 이해하기 위해 사용될 수있다. 현재 TMS 연구가 직면하고있는 가장 큰 기술적 과제 중 하나는 인간의 목표 지향적 자율 이동하는 동안 대뇌 피질 영역의 역할을 연구 할 수있는 능력이다. 몇 가지 고려 사항이 기술적 인 도전에 기여하고 있습니다. 우선, TMS 전달 실시간 인간 움직임 C와 결합되어야apture. 이러한 방식으로, TMS 펄스는 복잡한 움직임을 연구 시각 동기 방법을 제공하는 움직임 시퀀스 내의 기능으로 전달하거나 트리거 될 수있다. 이 모터 제어를 뒷받침 뇌 동작 관계의 이해를 향상 할 펼쳐져 둘째, TMS 전달 및 모션 캡쳐를 통합하면 복합 운동의 상세한 특성을 허용한다. 현재, 포괄적으로 TMS와 모션 캡쳐 방법을 통합 상업적으로 사용 가능한 시스템이 없습니다. 모터 제어 분야에서 신경 과학자,이 보이드는 통상적으로 다수의 소프트웨어 및 하드웨어의 데이터 수집 및 전송 시스템을 통합하는 기술적 문제를 소비 시간으로 변환한다. 이 기술 제한은 상지를 포함하는 동적 다 관절 운동의 연구에 전념 스파 스의 연구 결과이다. TMS 인간 모터 제어의 미리 필드 들어, 피질 기능 복잡한 인간 이동중 프로브 할 것이 필수적이다. (예., 움직임의 설명), 운동 역학 (예., 그 원인을 강제 이동)과 근육 활동. 셋째로, 이러한 시스템은 이동 기능을 TMS 펄스를 동기화하고, 복잡한 운동 기능에 기초한 기준에 의해 트리거 될 수 있어야한다. 이러한 시스템은 대뇌 피질의 기능과 운동과 운동의 역학 사이의 필수적인 연결을 제공 할 것입니다. 이 원고는 TMS와 모션 캡쳐의 방법을 통합하는 독특한 접근 방식을 자세히 설명합니다. 이 방법은 복잡한 다중 관절 운동 역학의 상세한 분석이 가능하고, 이동 (즉, 운동학, 동력학, 또는 근육 활동)의 특정 기능을 트리거 TMS 펄스 제어를 자동화 허용한다. 또한,이 데이터 ACQuisition 시스템은 TMS와 모션 캡쳐가 visuo 모터 또는 감각 작업을 필요로 실험 패러다임과 통합 할 수 있습니다. 이 원고는 TMS 인간 이동 수집 및 분석을 결합 할 목적으로 일반적으로 사용되는 모션 캡쳐 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 통합하는 혁신적인 방법을 자세히. 데이터는 평면 다 관절 운동시 인간의 대뇌 피질 기능의 샘플 연구를 사용되게됩니다. 실험을 수행하는 데 필요한 소프트웨어 스크립트를 다운로드 할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>폴헤머스 FASTRAK</td><td>폴헤머스</td><td></td><td>6 자유도의 전자기 모션 추적 장치 4 개의 센서가있는 프리</td></tr><tr><td>젠 테이션</td><td>: Neurobehavioural Systems, Inc.</td><td></td><td>데이터 수집 및 자극 전달과 관련된 실험을 위한 완전히 프로그래밍 가능한 소프트웨어</td></tr><tr><td>Cutom은 Exoskeleton</td><td>80/20 Inc.를 구축했습니다 - 산업용 이렉터 세트는</td> 외<td>골격 Brainsight Rogue Research Inc.를 구축하는 데 사용되는 다양한 부품을</td><td>다양하게</td> 제작했습니다</tr><tr><td></td><td>.</td><td></td><td>실험 전반에 걸쳐 코일 위치를 추적하는 신경 항법 소프트웨어</td></tr></tbody></table>

여러 데이터 수집 시스템을 결합하면 피질 출력 및 멀티 세그먼트 역학을 연구하는

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

Transcranial magnetic stimulation 기술은 인간 행동을 뒷받침하는 신경 메커니즘에 대한 심층적인 조사를 가능하게 합니다. 지금까지 인간의 움직임을 연구하기 위한 TMS의 사용은 전개되는 움직임의 특징에 대한 TMS의 전달 시간을 정확하게 맞추는 것과 관련된 문제와 운동학 및 운동학을 정확하게 특성화하는 것과 관련된 문제로 인해 제한되었습니다. 이러한 기술적 과제를 극복하기 위해 TMS 전달 및 수집 시스템을 온라인 모션 추적 시스템과 통합해야 합니다. 본 원고는 인간의 움직임을 연구하기 위해 TMS의 사용을 촉진하고 발전시키기 위해 여러 수집 시스템을 통합하는 기술 혁신에 대해 자세히 설명합니다. 상업적으로 이용 가능한 소프트웨어 및 하드웨어 시스템을 사용하여 무브먼트의 특정 기능에 의해 트리거된 TMS 연구를 수행하는 데 필요한 하드웨어 어셈블리와 소프트웨어 스크립트 모두에 대한 단계별 접근 방식이 제공됩니다. 이 접근 방식은 상지, 평면, 다관절 도달 움직임에 대한 연구에 중점을 둡니다. 그러나 동일한 통합 시스템은 인간 운동 제어에 대한 수많은 정교한 연구에 적용할 수 있습니다.

그림 3은 하나의 재판의 결과를 표시합니다. 이 시험에서, 그림 3a는 참가자의 초기 위치를 표시하고, 청각 &#39;이동&#39;큐 후, 참가자는 대상 (예., 최종 위치)에 가능한 한 신속하고 정확하게로 이동했다. 스윕 기반 데이터 수집 소프트웨어 상완 이두근 근 EMG의 발병에 기초 TMS 펄스를 트리거. 이 작업의 성능 동안 특정 시간에 평가되는 상부 팔 근육에 관한 피질 출력의 측정을 허용. 그림 3b는이 시험의 EMG 발병하는 동안 하나의 TMS 펄스의 각 근육에서 얻은 MEP를 표시합니다. TMS 펄스에서 MEP의 피크 - 피크 진폭은 각 근육에서 측정된다. 대안 적으로, MEP의 면적을 측정 할 수있다. 운동 단계 또는 이동 유형에 걸쳐 다른 MEP 크기의 변화는 corticospi의 변화를 나타냅니다시간에 다른 작업이나 점에서 최종 흥분. 모션 캡...

인간의 운동 제어를 연구하기 위해 경두개 자기 자극(TMS)을 사용하려면 TMS 전달을 제어하고 동시에 인간 행동을 기록하기 위한 데이터 수집 시스템의 통합이 필요합니다. 본 원고는 TMS를 통한 인간의 움직임을 조사하기 위한 목적으로 데이터 수집 시스템을 통합하기 위한 상세한 방법론을 제공합니다.

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

이 방법론의 전반적인 목표는 뇌 자극과 인간의 움직임에 대한 연구를 통합하는 비용 효율적인 접근 방식을 만드는 것입니다. 이 방법은 운동 피질의 신경 출력이 지속적인 움직임 중에 어떻게 조절될 수 있는지와 같은 신경 운동 제어 분야의 주요 질문에 답할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 뇌 자극의 전달이 컴퓨터로 자동화되고 관절 각도 또는 근육 활동의 크기와 같이 연구자가 관심을 갖는 특정 매개변수에 의해 결정된다는 것입니다.이 절차를 시연하는 사람은 제 연구실의 대학원생인 Aaron Bailey입니다. 이 실험적 프로토콜에 대한 하드웨어 및 소프트웨어 설정 지침은 이 비디오와 함께 제공되는 원고를 참조하십시오. 여기에 표시된 다이어그램은 하드웨어 구성에 대한 개요를 제공합니다.참가자의 TMS 안전성을 검사하고 실험에 대한 서면 및 정보에 입각한 동의를 얻는 것으로 시작합니다. 그런 다음 체중계를 사용하여 참가자의 총 체중을 기록합니다. 또한 측정 테이프를 사용하여 참가자의 손, 팔뚝 및 팔뚝의 길이를 결정하면 이러한 세그먼트가 나중에 운동학 및 운동 분석에 사용될 수 있습니다.다음으로, 가벼운 연마 젤을 사용하여 관심 있는 근육 위의 피부를 준비합니다. 그런 다음 알코올로 해당 부위를 깨끗이 닦으십시오. 임피던스 미터를 사용하여 피부 전극 임피던스가 10킬로옴 미만인지 확인하여 EMG 신호 획득을 향상시킵니다.이제 양극성 몽타주에서 근육의 배 위에 두 개의 전극을 놓습니다. 이 실험을 위해 상완 이두근, 상완 삼두근, 대흉근, 후방 삼각근 및 상완근 위에 전극을 놓습니다. 마지막으로 NC 케이블을 사용하여 EMG 증폭기의 출력을 AD 상자의 아날로그 채널 0, 1, 3, 4, 5에 연결합니다.International 10-20 Electroencephalography Electrode Placement System을 사용하여 정점을 찾습니다. 신경 항법 소프트웨어를 사용하여 참가자에게 TMS 코일을 보정합니다. 관심 있는 각 근육에 대한 모터 핫스팟을 찾는 것은 실험에서 가장 중요한 부분입니다.모터 핫 스폿을 잘못 배치하거나 코일의 방향을 잘못 지정하면 획득되는 데이터에 영향을 미칠 수 있습니다. 다음으로, 모터 핫스팟을 찾으려면 먼저 연구 중인 팔이나 손의 반대쪽 반구에 코일을 배치하고 꼭짓점에서 측면으로 5cm 떨어진 곳에 코일을 배치합니다. 코일은 참가자의 머리에 평평해야 하며 시상면에 대해 45도가 되도록 방향을 지정해야 합니다.그런 다음 최대 자극기 출력의 약 30%에서 시작하여 제품군 기반 데이터 수집 소프트웨어에 설명된 대로 6초 이상의 자극 간 간격으로 TMS 펄스를 전달합니다. TMS 코일을 두피의 약간 다른 위치로 이동시키는 동시에 관심 근육에서 모터 유발 전위가 관찰될 때까지 방향을 약간 변경합니다. 이제 약 1m볼트에서 가장 신뢰할 수 있는 응답을 생성하는 강도에서 시작하여 휴지 모터 임계값을 결정합니다.단일 펄스를 전달하고 모터가 유발하는 전위 엿보기 진폭을 온라인으로 기록합니다. 먼저 시각적 자극 전달 소프트웨어 프로그램을 실행하여 실험을 시작합니다. 그런 다음 이 프로토콜과 함께 제공되는 원고에 설명된 대로 제품군 기반 데이터 수집 소프트웨어 내에서 실험 시험에 대한 스크립트 파일을 실행합니다.여기 화면에 표시된 대로 구성 대화 상자에 원하는 정보를 입력합니다. 이 값은 실험 시험에 대한 타이밍 및 기타 설정을 구성합니다. 예를 들어, 자극 세트와 무작위화 값은 시도 유형이 블록에서 수행되는 횟수를 제어합니다.모션 캡처 센서가 환자에게 부착됩니다. 이 단계가 끝나면 소프트웨어는 최소한의 사용자 입력으로 자체적으로 실행됩니다. 참가자가 모든 작업 지침을 이해했는지 확인한 다음 실험을 시작합니다.시험은 참가자가 커서를 홈 위치 대상에 놓을 때 시작됩니다. 그러면 새로운 시각적 대상 위치가 나타납니다. 다음으로, 데이터 수집 상자의 디지털-아날로그 출력을 통해 청각적 이동 메시지가 전달되고 참가자는 커서를 새 대상으로 이동해야 합니다.커서를 이 목표 위치에 1초 동안 유지한 다음 홈 위치로 되돌려 다음 시도를 기다려야 합니다. EMG의 아날로그 신호는 TMS 펄스를 트리거하며, 이는 청각 후 100밀리초 후에 발생하도록 구성해야 합니다. 참가자를 관찰하고 시험 중에 커서가 홈 위치와 목표물에 놓여 있는지 확인합니다.여기에서 볼 수 있듯이 이 실험에는 TMS 펄스가 트리거되는 3개의 서로 다른 시점을 가진 7개의 목표 조건으로 구성된 21개의 조건이 있습니다. 실험의 대략적인 총 시간은 3-4시간입니다. 단일 시도에서 왼쪽의 회로도는 시행 시작의 시작 위치를 보여주고, 오른쪽의 회로도는 시행 중의 끝 위치를 보여줍니다.여기에서 우리는 이 시험의 EMG 시작 동안 단일 TMS 펄스에서 각 근육에서 얻은 MEP의 엿보기 진폭을 볼 수 있습니다. 여기에 보이는 그래프는 어깨와 팔꿈치 관절의 각도 변위를 표시하고, 이 그래프는 동일한 관절에서의 각속도를 보여줍니다. 여기에서 우리는 어깨와 팔꿈치 관절의 운동학을 볼 수 있으며, 파란색, 녹색 및 빨간색 선은 각각 그물 근육과 뼈와 뼈가 접촉하는 순간을 나타냅니다.이 그림은 상완 이두근과 대흉근에서 기록된 운동 유발 전위의 예를 보여주며, 이 두 근육이 모두 활성화되어야 하는 목표에 도달합니다. 또한 상완삼두근과 후방 삼각근에서 기록된 운동 유발 전위가 표시되며, 이러한 근육이 활성화되어야 하는 목표에 도달하는 것이 표시됩니다. 이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 2-3시간 안에 수행할 수 있습니다.이 절차를 시도하는 동안 EMG 활동 또는 관절 각도와 같은 아날로그 신호가 TMS 펄스를 트리거하는 데 사용되는지 결정하는 것이 중요합니다. 이 정보는 실험의 컨텍스트에 따라 결정됩니다. 이 절차에 따라 EEG와 같은 다른 방법을 수행하여 뇌 진동의 변화가 피질 척수 출력의 변화와 병렬로 조절되는지 여부와 같은 추가 질문에 답할 수 있습니다.

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인간의 불완전 SCI에 모터 기능에 Pharmacologically 유도 수선을 계량하는 방법

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