Alle deelnemers aan experimenten ondergaan informed consent procedures die door de West Virginia University Institutional Review Board (IRB) goedgekeurd.
1. Algemene systeemkenmerken, Ontwerp en Algemene experimentele Task
Opmerking: De gehele installatie bestaat uit de volgende hoofdcomponenten: EMG apparatuur en bijbehorende digitale acquisitie (DAQ) apparatuur; een motion capture systeem (dit protocol bevat een actief LED-systeem); een TMS-eenheid met een spoel-figuur acht en stereotactische lokalisatie apparatuur; een VR headset en bijbehorende computer en software; en een aangepaste synchronisatie circuit. Figuur 1 schematisch overzicht van de verbinding tussen het protocol componenten.
- Aansluiting van systeemcomponenten
- Sluit EMG voorversterker naar de belangrijkste versterker.
- Verbind de uitgang van EMG versterker DAQ opnameapparatuur ingang blokkeren met behulp van BNC of soortgelijke aansluigen.
- Sluit DAQ opname apparatuur aan speciale computer die een data-acquisitie script (aanvullende bestand) zal uitvoeren.
- Sluit VR controle computer parallelle uitgang om aangepaste circuit eenheid (zie volgende paragraaf voor details).
- Sluit synchronisatie en motion capture triggering uitgangen van aangepaste circuit DAQ opnameblok naast EMG signaal verbindingen.
- Split motion capture trekker en sluit deze aan op de "analoge ingang Start" poort op de EMG DAQ apparatuur, alsmede de trigger-aansluiting op de computer die motion capture apparatuur controleert.
Opmerking: De tijd tussen het begin van de betreffende data-acquisitie streams voor de beschreven apparatuur (motion capture en EMG) kan variëren 160-190 msec. Deze temporele verschil aanleiding gaf tot het ontwerp van de synchronisatie circuit in dit protocol beschreven en wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de software en hardware verschillen tussen deze twee systemen. - Verbinden TMS triggeren poort van aangepaste circuit eenheid ingang trekker BNC op het TMS besturing.
- Vestigen netwerkconnectiviteit tussen de VR en de motion capture-computers met behulp van software-leverancier geleverd en fysieke netwerkverbindingen.
- Sluit VR headset VR computer en zorgen voor compatibiliteit met alle scripts / programma's die virtuele omgevingen aan de deelnemers weer te geven.

Figuur 1:. Connectivity van volledige setup Deze baan beschrijft de algemene verbinding tussen de elementen van ons systeem. De synchronisatieschakeling wordt elders in de tekst nader. De blauw spoor komt overeen met het signaal dat zowel motion capture en EMG datastromen begint. Deze gebeurtenis is de bron van de tijdelijke vertraging van ongeveer 190 msec volgens de in dit protocol beschreven apparatuur. Het rode spoor komt overeen met de VR-geïnitieerde synchronization geval dat gelijktijdig wordt opgenomen door de motion capture en EMG systemen en vervolgens gebruikt voor de tijdelijke aanpassing van de respectievelijke gegevensstromen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Algemene Details van System Integration en synchronisatie
Opmerking: Synchronisatie van de afzonderlijke data acquisitie systemen in dit protocol (motion capture en EMG) wordt bereikt door het gebruik van een gebeurtenissignaal die gemeenschappelijk is voor alle streams opnemen. Met behulp van een gewone gebeurtenis, kunnen alle van de signalen tijdelijk opnieuw uitgelijnd worden na het verzamelen van gegevens om real-time opname discrepanties te minimaliseren (ruim 190 msec gebruik van de apparatuur in dit protocol). In dit protocol, de gemeenschappelijke signaal is afkomstig van de VR-systeem als een parallelle poort signaal. De gemeenschappelijke signaal wordt doorgestuurd naar een circuit dat de synchronisatie van de afzonderlijke gegevens toestaatstroomt door directe opname met EMG signalen en door het gelijktijdig uitschakelen van een motion capture LED. De schakeling is gebouwd met behulp fundamentele instrumenten en technieken voor het bouwen van elektronische componenten, vergelijkbaar met schakelingen beschreven elders 9.
- Ontwerp, lay-out, en de bouw van synchronisatie Circuit
- Identificeer elke analoge-TTL gebaseerd triggering mechanismen van apparatuur controle-eenheden (bijv TMS, motion capture) en vertrouwd te raken met triggering eisen, zoals TTL puls richting (positief / negatief) en amplitude. Analoge triggering mechanismen bezitten vaak voorkomende "BNC" coaxiale aansluitingen die aansluiten componenten eenvoudig te maken.
- Voeg een extra LED aan de motion capture-systeem moet worden gebruikt voor het signaal synchronisatie; route draden van de LED's door de synchronisatieschakeling (figuur 3).
- Bepaal de parameters elektrische component (bijvoorbeeld weerstand, capaciteit) die nodig turn van de synchronisatie LED voor een bepaalde tijd. Vind de hoeveelheid tijd die het circuit synchroniseren LED wordt uitgeschakeld door de vergelijking: t = 1.1 * R1 * C1. Deze tijd wordt voorgesteld lager dan de gemiddelde duur van een experimentele beweging. Bijvoorbeeld, de momenteel beschreven proef vereist een weerstand en condensator gewaardeerd op ongeveer één megaohm en één microfarad resp.
- Gebruik een soldeerbout elektrische componenten op een gedrukte "protoyping" of "project" printplaat overeenkomstig de in figuur 3 schematisch hechten Sluit dit circuit in een algemeen beschikbare plastic "project" box.; zal het waarschijnlijk nodig zijn gaten in dit vak voor het BNC-connectoren. Het circuit kan gemakkelijk worden aangedreven door 5 V USB-stroom van een desktop computer; is het nodig een USB kabel deconstruct de kracht en aarddraden isoleren. Bypass condensatoren kan ook nodig zijn om de kracht te regelen naar de 555chip (niet in figuur 3 getoond).
- Inspecteer de printplaat voor onbedoelde soldeer bruggen tussen de elektrische componenten. Indien gevonden, verwijdert soldeertin met een zuigkracht gereedschap of verwarmen het soldeer en mechanisch verwijderen van de overbrugging verbinding.

Figuur 2:. Trial stroomschema Dit stroomschema schetst de stimulus en signaal gebeurtenissen die zich voordoen tijdens een typische experimentele studie die TMS stimulatie omvat. Parallelle poort codes die optreden gedurende een proef worden getoond in de DB25 schematische symbolen (lichtblauw).
- Synchronisatie Details
- Met een stroomschema soortgelijk aan figuur 2, bepalen wanneer individuele onderdelen van de uitrusting tijdens experimentele beweging moet worden geactiveerd. Zo kunnen sommige apparaten afzonderlijk worden geactiveerd, terwijl de andere gelijktijdig worden geactiveerd.
- Op tijdstippen die vereisen activering of signalering (bijvoorbeeld blauwe parallelle poort symbolen in figuur 2), welke parallelle poorten signaallijnen te gebruiken en ze in het VR systeem. Dit wordt bewerkstelligd door het sturen numerieke waarden op de parallelle poort op de aangegeven tijdstippen gedurende bewegingen elke lijn die een binair cijfer. Voor meer informatie over de parallelle poort gebaseerd signalering, verwijzen wij u naar de discussie.

Figuur 3:. Synchronisatieschakeling Dit schema toont de indeling van onze aangepaste synchronisatieschakeling. De standaard output van de NAND-poort is een hoge spanning staat; Deze uitgangsspanning is met de poort van een transistor waardoorheen de LED's sync circuit wordt gerouteerd verzonden. Deze standaard staat maakt het circuit gesloten, waarbij de LED in een verlichte staat onderhoudt. Na ontvangst van een sync trigger parallelle poort signaal (rood spoor in inzet), een interne toestand van de 555-apparaat wordt omgedraaid waardoor de output in een hoge staat, het afsluiten van de LED (blauw trace). Wanneer dit gebeurt, de spanning over C1 (groene sporen) bouwt een spanning die de interne toestand van de 555 reset, reactivering van de LED. De parallelle poort sync signaal verschijnt ook rechtstreeks doorgestuurd naar een BNC-connector die is verbonden met de ingang TMS triggerpoort. Opmerking: De richting van deze trigger signaal kan moeten worden teruggedraaid (van positieve- naar negatief-gaande of vice-versa) afhankelijk van de specifieke apparatuur eisen van een onderzoeker. De toevoeging van een "inverter" chip op deze trigger uitgang eenvoudig deze taak zou volbrengen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Experimentele Procedures
- Veiligheid Procedures en Informed Consent
- Ensuopnieuw dat alle experimentele procedures worden goedgekeurd door een Institutional Review Board (IRB). Uitleggen alle procedures voor de deelnemers en het verwerven van informed consent met IRB goedgekeurde documentatie.
- Na het verkrijgen van informed consent, voeren een fundamentele TMS veiligheids- screening met de deelnemers te zorgen dat ze niet tinnitus, een familiegeschiedenis van epilepsie of aanvallen, of andere aandoeningen met verhoogde risico van inbeslagneming.
- Tijdens TMS stimulatie, strikt vereisen het gebruik van beschermende oordopjes gehoorschade te voorkomen.
- Elektromyografie Collection
- Afhankelijk van de wetenschappelijke doelen van de studie van een lezer, bepalen van welke spieren arm om EMG signalen op te nemen. Voor de in dit protocol beschreven onderzoek, draaimomenten gegenereerd op de schouder en elleboog tijdens beweging werden onderzocht. Aldus EMG signalen die was van de grote oppervlakkige spieren die werken op beide gewrichten, zoals de deltaspier, pectoralis, biceps, triceps en brachioradialis.
- Maak alle benodigde elektrische verbindingen tussen verschillende EMG apparatuur zoals versterkers, voorversterkers, sensor draden en sensor pads volgens de specificaties van de fabrikant door het aansluiten van passende connectoren.
- Bereid elke elektrode door licht te reinigen met een alcoholdoekje, het verwijderen van overbeharing met een scheermes, en door het toepassen van een milde schurende gel. Een goede ter voorbereiding garandeert consistente en lage elektrode-op-huid impedantiewaarden (<10 kOhm) en hoge signaal-ruisverhouding van opgenomen EMG signalen.
- Hebben proefpersonen voeren isometrische contracties ontworpen om individuele spieren van belang op basis van aanvaarde anatomische en biomechanische omschrijvingen 10 isoleren. Om bijvoorbeeld de biceps isoleren, vraagt de deelnemer een opgelegde verlenging van de elleboog weerstaan.
- Na het uitvoeren van onderwerpen spier isoleren contracties aanbrengen differentiële bipolaire EMG elektroden over de dikste, centrale portiop, of "buik", elke spier geaccepteerd locaties 11. Dit zorgt dekking van een maximaal aantal spiervezels en minimaliseert "crosstalk" tussen aangrenzende spieren. Zorg ervoor dat de langste assen van de bipolaire elektroden 'lijnen langs de spieren, parallel aan de vezels.
- Bevestig de EMG aardelektrode volgens de specificaties van de apparatuur (bijvoorbeeld de huid over de C7 wervel).
- Record versterkte EMG signalen via DAQ apparatuur gecontroleerd door een aangepaste computer script. De schrijfwijze van het huidige protocol is een aanvullend bestand bijgevoegd.
- Pas winsten door het bewegen wijzerplaten op de EMG voorversterker toegepast opgenomen signalen op het gewenste niveau. Vermijd winst waarden die veroorzaken opgenomen signalen aan de ingang bereik van de opname-apparatuur (meestal 5V) overschrijden. Gemeenschappelijke EMG winst waarden tussen 1.000-4.000.
- Voeren vergelijkbaar isometrische contracties die uitgevoerd in stap 3.2.4 en visueel inspecteren EMG Signals zodat ze hoge kwaliteit (bijvoorbeeld hoge signaal-ruisverhouding). Herpositioneren elektroden en de signaalversterking te veranderen indien nodig.
- Motion Capture Systeem Voorbereiding
- Kalibreren motion tracking camera's met leverancier geleverde instructies en apparatuur volgens de instructies van de fabrikant.
- Met behulp van tape en andere verpakkingsmaterialen, hechten actieve LED sensoren om benige oriëntatiepunten in de buurt van de gewrichten van de arm en andere anatomische aandachtspunten gebruikt in de bouw van biomechanische modellen: de distale falanx van de wijsvinger, radiale en ulnaire styloideus processen bij de pols , olecranon werkwijze bij de elleboog, coracoideus acromion en processen van de schouder, sternoclaviculaire inkeping, zwaardvormig proces en processus spinosus van C7. Voeg nog een LED aan de VR-headset om het uitzicht punt in de virtuele omgeving.
- Sluit elke LED een kabelboom die op het draadloze driver unit is bevestigd. Zet driver unhet en zorgen voor een goede verlichting van alle LED's.
- Plaats de synchronisatie LED op een gunstige locatie, weg van het onderwerp, maar binnen duidelijk zicht van de camera's.
- Transcraniële magnetische stimulatie Stereotaxische Localization
- Kalibreren van hardware en software voor TMS registratie 12, te zorgen voor een nauwkeurige spoel plaatsing. Dit gaat over het algemeen co-registreren TMS spoelen met anatomische oriëntatiepunten zoals de nasion, preauricular punten, en neus tip. Stereotaxisch registratie tussen een deelnemer en de stimulering spoel is een integraal onderdeel van consistente stimulatie lokalisatie.
- MEP Hot-spot lokalisatie en MEP Threshold Pprocedures
- Voer zogenaamde "hot-spot" technieken TMS-gevoelige gebieden van cortex die de grootste amplitude EP met de laagste drempel na stimuleren 8,13,14 produceren lokaliseren. Transcraniële magnetische stimulatie voor het bestuderen van motorische systemen doorgaansgaat het stimuleren van een corticale gebied dat beweging in een specifiek lichaamsdeel controleert (bijvoorbeeld de arm en hand) 15.
- Noteer de locatie van een ideaal stimulatie sites op de deelnemers hoofdhuid met de geijkte stereotaxische registratie-apparatuur en bijbehorende software. Na elke locatie is opgenomen met de software, zorgen voor de nauwkeurigheid door het verplaatsen van de plek en weer te stimuleren, op zoek naar vergelijkbare MEP reacties.
- Behavioral Taak in Virtual Reality
- Ontwerp van de parameters van de gedragstaak (bijv bereiken bewegingen) voor gebruik in het experiment. In de huidige studie, de taak is om te komen tot virtuele doelen achtereenvolgens in verschillende ruimtelijke locaties geplaatst. De grootte van de targets bepaalt de nauwkeurigheid waarmee de deelnemers bewegen. Het ontwerp van de bewegingen zoals die wisselende richtingen en grootten van gezamenlijke draaimomenten worden opgeroepen als deelnemers bereiken voor doelen.
- Het instellen van de VR-omgeving die leidtonderwerpen door middel van de gedrags-taak met behulp van commerciële VR software die compatibel is met de headset en motion tracking systeem is volgens het protocol van de fabrikant. Vertrouwd te raken met het softwarepakket's nodig computationele middelen en eisen programmeertaal. Gemeenschappelijke VR softwarepakketten hebben de mogelijkheid te worden geprogrammeerd met talen waaronder Python, C ++, C #, en anderen. Bovendien, het programma analoge uitgangen via de parallelle poort voor synchronisatie en het markeren van bepaalde gebeurtenissen van belang (figuur 2). In het huidige experiment werd de VR software voert gebeurtenissen bij het begin van elke herhaling van de taak en soms gewenste TMS stimulatie.
- Verbind de VR uitgang met de synchronisatieschakeling (figuur 3) en / of andere apparatuur te synchroniseren via kabels met bijpassende connectoren.
- Instrueer onderwerpen aan de VR gedrags-taak uit te voeren. In de huidige studie, de VR omgeving waspresenteerde met een head-mounted display waarbij de deelnemers bekeken arrays van sferische targets. Met behulp van de VR software, programma specifieke beweging sequenties door het veranderen van het uiterlijk van de doelstellingen (kleur, locatie, enz.) En vertrouwd deelnemers aan deze acties. Daarnaast deelnemers van elke andere gewenste beweging beperkingen te informeren. Zo werden de deelnemers in de huidige studie gevraagd om alle arm segmenten binnen een verticaal vlak van de beweging te houden, terwijl het bereiken van doelen.
- Zodra deelnemers zijn gewend aan de experimentele bewegingen, opnemen EMG en motion capture data en het synchroniseren van signalen met behulp van aangepaste scripts of leverancier geleverde software pakketten. Pas de sampling rate van elk gegevensverzamelsysteem de gewenste waarden; bovendien vertrouwd te raken met en aan te passen elke fabrikant-specifieke parameters zoals motion tracking LED intensiteit.