Methodenartikel

Het combineren van meerdere Data Acquisition Systems corticospinale Output en Multi-segment biomechanica Studie

DOI:

10.3791/53492

⸱

9 januari 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Kinesiology, McMaster University, 22Els Espots

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het gebruik van transcraniële magnetische stimulatie (TMS) om menselijke motorische controle te bestuderen, vereist de integratie van data-acquisitiesystemen om de aflevering van TMS te regelen en tegelijkertijd menselijk gedrag op te nemen. Het huidige manuscript biedt een gedetailleerde methodologie voor het integreren van data-acquisitiesystemen met als doel menselijk bewegen via TMS te onderzoeken.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Technieken voor transcraniële magnetische stimulatie maken een diepgaande onderzoek mogelijk naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan menselijk gedrag. Tot op heden is het gebruik van TMS om menselijke beweging te bestuderen, beperkt door de uitdagingen die verband houden met het nauwkeurig timen van de toediening van TMS op kenmerken van de zich ontvouwende beweging en ook door het nauwkeurig karakteriseren van kinematica en kinetiek. Om deze technische uitdagingen te overwinnen, moeten TMS-leverings- en acquisitiesystemen worden geïntegreerd met een online bewegingsvolgsysteem. Het huidige manuscript beschrijft technische innovaties die meerdere acquisitiesystemen integreren om het gebruik van TMS te vergemakkelijken en te bevorderen om menselijke beweging te bestuderen. Met behulp van commercieel verkrijgbare software- en hardwaresystemen wordt een stapsgewijze benadering geboden voor zowel de hardware-assemblage als de softwarescripts die nodig zijn om TMS-studies te activeren die worden geactiveerd door specifieke kenmerken van een beweging. De benadering is gericht op de studie van bovenste ledematen, vlakke, multi-joint-reikbewegingen. Echter, hetzelfde integratieve systeem is geschikt voor een veelvoud van gesofisticeerde studies van menselijke motorische controle.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve methode voor het menselijke cortex stimuleren. 3,5 Er zijn verschillende TMS protocollen die worden gebruikt voor corticale functies begrijpen zoals enkelvoudige en meervoudige pulsen, dual-ter stimulatie functionele connectiviteit sonde en herhalende pulsen om neurale plasticiteit te promoten. 4,6-8 TMS protocollen kunnen ook worden gecombineerd om de huidige begrip van de menselijke corticale processen te bevorderen en te begeleiden neurale revalidatie strategieën. Naast het stimuleren van de cortex, TMS kan ook worden gebruikt om sub-corticale functie begrijpen door stimulatie van de corticospinale tractus en cerebellum.

Eén van de grootste technische uitdagingen moment geconfronteerd TMS onderzoek is de mogelijkheid om de rol van corticale gebieden te bestuderen gedurende doelgerichte willekeurige beweging bij de mens. Verschillende overwegingen bijdragen aan deze technische uitdaging. Ten eerste moet TMS levering combinatie met real-time menselijke beweging cApture. Zo kan TMS pulsen worden afgegeven of geactiveerd op criteria binnen een bewegingsverloop verschaffen van een tijd vergrendeld aanpak van complexe bewegingen te bestuderen. Ten tweede, de integratie van TMS levering en motion capture maakt een gedetailleerde karakterisering van complexe bewegingen zoals het zich ontvouwt, waarin het begrip van de hersenen-gedrag relaties die motor control onderbouwen zal vooraf. Op dit moment zijn er geen commercieel beschikbare systemen die inclusief de integratie van TMS en motion capture methodologieën. Voor neuroscientists op het gebied van motorbesturing, deze leegte vertaalt zich gewoonlijk in tijdrovend, technische uitdagingen meerdere software en hardware data acquisitie en systemen integreren. Deze technische beperking heeft ook geleid tot schaars onderzoek gewijd aan het onderzoek van dynamische multi-joint bewegingen van de bovenste ledematen. Voor TMS op het gebied van de menselijke motorische controle te bevorderen, is het noodzakelijk dat corticale functie in complexe menselijke beweging worden gesondeerd.

Om effectief te integreren TMS en motion capture methodologieën, de acquisitie systeem moet real-time simultane TMS en motion capture mogelijk te maken. Ten tweede moet het systeem geschikt om beweging kinematica bestuderen (bijv., Beschrijving van de beweging), beweging kinetiek (bijv., Krachten die aanleiding beweging) en spieractiviteit. Ten derde moet het systeem kunnen TMS pulsen synchroniseren deze beweging functies en worden geactiveerd door criteria op basis van complexe beweging features. Een dergelijk systeem zal een essentiële koppeling tussen corticale functie en kinematische en de kinetiek van de beweging te bieden.

Dit manuscript Gegevens een unieke benadering van methoden van TMS en motion capture integreren. Deze aanpak maakt het mogelijk gedetailleerde analyse van de mechanica van complexe multi-joint bewegingen en vergunningen geautomatiseerde controle van TMS pulsen veroorzaakt door specifieke kenmerken van de beweging (dwz, kinematica, kinetiek, of spieractiviteit). Verder zijn deze gegevens acquisition systeem maakt TMS en motion capture worden geïntegreerd met experimentele paradigma's die visueel-motor of sensorimotorische taken vereisen. Dit manuscript Gegevens een innovatieve aanpak tot veelgebruikte motion capture hardware en software te integreren met het oog op het combineren van TMS en de menselijke beweging acquisitie en analyse. De gegevens worden gepresenteerd met behulp van een steekproef studie van de menselijke corticale functioneren tijdens vlakke multi-gezamenlijke beweging. De software scripts die nodig is om het experiment uit te voeren zijn beschikbaar voor download.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

OPMERKING: Het volgende protocol kan worden toegepast op een verscheidenheid van experimenten. Hieronder vindt u meer informatie over een experiment dat een visueel geleide arm bereiken taak om een ​​van de zes ruimtelijke doelen weergegeven op een computer monitor gaat. TMS, te corticospinale prikkelbaarheid sonde, wordt veroorzaakt door een van beide analoge signalen die uit de beweging (dwz, EMG of electrogoniometer input) of digitale signalen gegenereerd uit de sweep gebaseerde data acquisitie software. Dit onderzoek is in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki van de McMaster Research Ethics Board goedgekeurd. Een voorbeeld dataset wordt verstrekt.

1. Hardware / software Eisen

Opmerking: Figuur 1 toont een schema van de hardware-eisen TMS en motion capture systemen in de context van een computergestuurde visueel-motorisch experiment integreren.

  1. Rust twee desktop computers met seriële en parallelle poorten (indien nog niet beschikbaar). Rust PC 1 (figuur 1) met sweep gebaseerde data acquisitie software en PC 2 met een visuele stimulus levering softwareprogramma.
  2. Software Operations
    1. Interne analoog / digitaal Box (A / D doos) Operations
      OPMERKING: De volgende handelingen geven informatie aan de lezers of ze zouden graag een soortgelijke software programma zelf te creëren. Deze stappen zijn niet essentieel voor het uitvoeren van het experiment, zoals het experiment kan gewoon gebruik maken van de software die door de auteurs, maar richtlijnen zijn bedoeld om gebruikers in staat om hun eigen software te creëren.
      1. Maak een sequencer-bestand binnen de sweep-gebaseerde data-acquisitie software (zie 'sequencer bestand' bijvoorbeeld (in aanvullende informatie 2) worden uitgevoerd op de PC 1.
        OPMERKING: Een voorbeeld van de operaties naar een sequencer bestand met de sweep-gebaseerde data acquisitie software in dit experiment is te vinden op http://ced.co.uk/products/signal#script creëren.
        NEETE: Dit bestand dient om alle exacte timing te verstrekken als de volgorde uitgevoerd in parallel met de acquisitie feitelijke gegevens en maakt flexibiliteit met synchrone timing van externe triggers. Veranderingen in de externe trigger criteria kunnen in het configuratie dialoogvenster dat wordt opgevoed bij het uitvoeren van het script worden uitgevoerd (zie hoofdstuk "Experimentele studies" voor meer details en "Sequencer File" screenshot).
      2. Maak aparte subroutines binnen de sequencer-bestand naar de auditieve cue generatie en de TMS trekker criteria te controleren. Hebben een routine controle van de auditieve cue op basis van input van de visuele stimulus weergave software. Ook hebben een subroutine controle TMS triggering van de gegevens die vanaf een analoge ingang van de A / D-box.
        OPMERKING: Een voorbeeld van hoe aparte subroutines zijn vervat in een sequencer-bestand wordt in de aanvullende informatie (script en sequencer-bestand). Raadpleeg 1.2.1.1 voor extra ondersteuning op de websitespecifiek voor het softwaresysteem gebruikt in deze demonstratie. Deze set-up maakt auditieve cue generatie optreden parallel met het testen voor de TMS trekker criteria.
      3. Maak regels code in de sequencer bestand dat de subroutines (in 1.2.1.2 beschreven) noemt. Laat elke subroutine functie zodanig dat het wachten op de komst van de input van hun bronnen (dwz, visuele stimulus weergave software voor auditieve cue en analoge input voor TMS trigger).
    2. Verbinding en communicatie tussen de elektromagnetische motion capture systeem te vegen-gebaseerde data acquisitie software
      1. Om de elektromagnetische motion capture systeem te krijgen om continu genereren van gegevens, het genereren van regels code in het script van de sweep gebaseerde data acquisitie software om de productie van een aantal commando's aan de elektromagnetische motion capture via de seriële verbinding (deze commando's moeten worden gevonden in handleiding van de elektromagnetische motion capture systeem).Deze commando's zijn te vinden in de downloadbare script (script_file.sgs, zie lijnen 88-114 en 635-650).
      2. Maak regels code om het script van de motion capture data toe te voegen aan elke proef vegen. Vervolgens hebben het script passeren de motion capture data via een seriële verbinding van de PC 1 naar de visuele stimulus levering software (PC 2) om de draadkruiscursor positie op het beeldscherm van de PC 2 te controleren.
        LET OP: Deze opeenvolging van gebeurtenissen maakt het mogelijk om elektromagnetische motion capture om ASCII-gegevens continu te genereren, en de gegevens worden dan gelezen uit de seriële lijn.
      3. Aan het einde van een experiment, maak regels code om het script te sturen commando's de elektromagnetische motion capture systeem data-uitgang uit te schakelen. Om dit te doen, hebben de sweep-gebaseerde data-acquisitie software sturen regels tekst met een sensor gevolgd door zes coördinaat waarden (zie script_file.sgs voor de opdracht codes gebruikt voor deze demonstratie, met name lijnen 88-114 en 653-658).
        OPMERKING: Meer informatie over deze commando's zijn ook te vinden op de elektromagnetische motion capture systeem website (paragraaf 1.2.1.1).
        LET OP: Voor het extraheren van de numerieke waarden, hebben de string "gezuiverd", want als de coördinaat negatief was, zou het niet worden gescheiden van het vorige nummer van elke ruimte karakters.
    3. Sweep-gebaseerde data-acquisitie software om visuele stimulus levering software communicatie
      1. Set-up drie afzonderlijke kanalen van communicatie tussen de sweep-gebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering software.
      2. Set-up twee seriële lijnen gebruikt om tekst gegevens in beide richtingen tussen de PC 1 en PC 2. dragen Hiervoor sluit u een seriële kabel tussen de PC 1 en PC 2 (elke seriële lijn wordt eenrichtingsverkeer tussen elke PC, figuur 1).
      3. Aansluiten PC 2 de A / D-box. Om dit te doen, maken of kopen, een kabel die een LPT-poort heeft op een eigend en een mannelijke BNC verbinding op het andere uiteinde. Sluit de LPT poort naar de PC 2 en sluit de BNC aansluiting op de trigger-ingang van de A / D-doos.
        NB: Deze verbinding maakt het mogelijk de lijn om een puls gegenereerd door de LPT1-poort op de visuele stimulus levering software systeem om de A / D doos trigger ingang te dragen (dwz PC 2, figuur 1.).
        LET OP: Het TTL signaal zorgt voor een precieze timing van de start van de data-acquisitie sweep synchroon met de visuele stimulus levering software operaties, terwijl de seriële lijnen overgebracht voor alle andere informatie.
        OPMERKING: Zorg ervoor dat de werkelijke PCI-Express LPT en COM-poort kaarten op de PC met de visuele stimulus levering geïnstalleerde software gebruiken. Deze set-up kan de software succesvol samen te werken en het is sterk aanbevolen. De visuele stimulus levering software communicatie, wordt uitgevoerd op een laag niveau worden uitgevoerd om eventuele vertragingen te voorkomen, in het algemeen niet werken betrouwbaar over de gesimuleerde LPT en COM-poort hardware provided via USB-dongles.
      4. Stel de proef duurwaarden tot 20 ms in de visuele stimulus bezorgingssoftware bestand als waarden veel korter of langer is dan 20 ms veroorzaakt problemen. Bronnen op hoe dit proces te voltooien kan worden gevonden op de volgende website: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Zie lijnen 39-46 in het scenario bestand voorzien in de aanvullende documenten (Presentatie scenario bestand).
        OPMERKING: Aangezien de visuele stimulus levering software operaties zeer nauw verbonden zijn met het beeld generatie, en in onze ervaring de seriële communicatie niet gedragen zoals verwacht, tenzij het ​​proces duur in het proces-functie geschikt was (dat wil zeggen, 20 ms.).
      5. Maak communicatieprotocollen van informatie tussen de sweep-gebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering software passeren.
        LET OP: de afdelingen 1.2.3.7 tot 1.2.3.11 beschrijven hoe deze is voltooid. Zie de verstrekte middelen in stap 1.2.1.1en 1.2.3.5 voor verdere steun voor de sweep-gebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering software, respectievelijk.
      6. Voor de sweep-gebaseerde data-acquisitie software om de visuele stimulus levering software richting, maken regels code in de sweep-gebaseerde data-acquisitie software om twee vormen van informatie te sturen; proef nummers te starten en stoppen van een proces, en crosshair cursorposities. Hebben de sweep-gebaseerde data acquisitie software te sturen alle informatie tekstregels beëindigd door een nieuwe regel. Zie lijnen 700-708 in het Signal script van hoe dit werd voltooid.
      7. Voor de visuele stimulus bezorgingssoftware twee soorten informatie te onderscheiden, stelt het eerste teken om een ​​0 of een 1 gevolgd door één of twee nummers volgens de soort informatie, met waarden gescheiden door spaties. De visuele stimulus levering software zal geen problemen in de omgang met deze informatie. Zie lijnen 89-153 van het scenario bestand h zienow deze operatie is voltooid binnen de visuele stimulus levering software.
      8. In de visuele stimulus bezorgingssoftware te vegen gebaseerde data acquisitie software richting, maken regels code uit de visuele stimulus bezorgingssoftware die één integers uitgangen, van 0 tot 9, aan de sweep gebaseerde data acquisitie software als enkele ASCII te versturen tekens '0' tot '9', gevolgd door een nieuwe regel. Zie regels 82 tot 87 van het scenariobestand te bepalen hoe deze omvatten.
      9. Maak regels code binnen de visuele stimulus bezorgingssoftware te zenden waarden 0 en 1 tot informatie terug naar de sweep-gebaseerde meetsysteem over of de deelnemer de doelpositie had geraakt. Zie regels 72 tot 80 en 154 tot 220 in het scenariobestand te bepalen hoe deze omvatten.
      10. Maak regels code in de visuele stimulus levering van software om informatie te sturen over de boodschap einde van de proef (dwz ., of het doel was "hit" of niet) aan de sweep gebaseerde data-acquisitie software.See dezelfde regels code in het scenario bestand verschaft in stap 1.2.3.10.
    4. Opeenvolging van handelingen binnen een proef
      1. Set-up van de sequentie van een proces, zodat de uitvoering van een proef wordt gedeeld tussen de sweep gebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering van software, met de sweep gebaseerde data acquisitie software zijn 'in charge' van de totale sequencing.
      2. Zet de sweep-gebaseerde data acquisitie software controle experiment sequencing omdat de sweep-gebaseerde data acquisitie software genereert het werkelijke gegevensbestand dat moet worden geannoteerd met vallen details en derhalve minder communicatie vereist.
      3. Set-up van het script zodanig dat de volgorde van de werkzaamheden begint met de sweep-gebaseerde data acquisitie software de volgende proef instellingen (doelpositie & TMS trigger-type) selecteren. Zie lijnen 335-345, en de bijbehorende lussen beschreven binnen deze lijnen, in het script-bestand om te begrijpen hoe deze activiteiten af ​​te ronden.
        LET OP: De lussen worden ook opgenomen in het script.
      4. Vervolgens hebben de sweep-gebaseerde data-acquisitie software ingestelde parameters in de A / D vak beheersen van het type TMS trekker en andere aspecten van het proces. Om dit te doen, hebben de sweep gebaseerde data acquisitie software initiëren gegevens verzamelen, zodat de A / D-doos voor een sweep trekker van de visuele stimulus levering software wacht, en waarschuwt de visuele stimulus levering van software via de seriële lijn van het beoogde aantal (1 tot 7) gebruikt, die de visuele stimulus levering software om een proces te starten veroorzaakt (bijv., via de TTL pulse). Zie lijnen 180-303 van het signaal script om te begrijpen hoe deze operatie te voltooien.
      5. Na het voltooien van de bovengenoemde stap, hebben de sweep-gebaseerde data acquisitie software wachten voor de voltooiing van de collectie van een sweep van gegevens door de A / D-box en voegt eventuele positiegegevens ontvangt van de elektromagnetische motion capture systeem om de bemonsterde gegevens. Zie lijnen 117-178 en 661-697 van het script-bestand voor informatie over hoe u deze bewerking te voltooien.
      6. Set-up van de visuele stimulus levering software om de subject-gecontroleerde draadkruiscursor positie te bewaken. Set-up van de visuele stimulus levering van software om het doel te verplaatsen naar de opgegeven positie en het genereren van een TTL puls op LPT1 poort na de cursor binnen de uitgangspositie voor een bepaalde periode (gedefinieerd in de visuele stimulus levering software). Zie lijnen 89-232 in het scenario bestand van hoe deze stap te voltooien.
      7. Maak regels code dat maakt de visuele stimulus bezorgingssoftware versturen TTL-puls naar de A / D-box data acquisitie veroorzaken en daardoor begint het proces timing in de A / D-box. Zie lijnen 222-232 van het scenario bestand op hoe deze stap te voltooien.
      8. Tegelijkertijd hebben de visuelestimulus levering software scenario bestand beginnen een vertraging waarna het de doelgroep zal verplaatsen naar de opgegeven positie en beginnen met het toezicht op de draadkruiscursor naar te kijken want het 'raken' de doelgroep (bijv., de resterende op schema voor een bepaalde periode). Set-up van de visuele stimulus levering software zodanig dat het blijft deze monitoring van de draadkruiscursor positie totdat de sweep gebaseerde data acquisitie software informeert de visuele stimulus levering van software proces voltooid.
        OPMERKING: Deze handelingen zijn op dezelfde regel code in het scenario bestand voorzien in stappen 1.2.4.6 en 1.2.4.7.
      9. Binnen de A / D-box, maakt een tijdvertraging. Voor een bepaalde periode, loopt tot het einde van de vertraging, de software-monitor twee EMG signalen (NB: kan zijn een analoge signalen) om te controleren of ze zijn van lage amplitude (dit amplitudewaarde is door de gebruiker gedefinieerde). De auteurs bevelen een EMG amplitude van +/- 100 mV of ~ 1% van de maximale vrijwillige activering van een van de deelnemers. Zie regels 45 tot 75 in de sequencer bestand om deze verrichting.
      10. Maak regels code die het begin van deze rustige EMG controleperiode gemarkeerd door een A / D-box gegenereerde digitale marker met code 1. Ook maakt, als een 'niet-stille' EMG signaal wordt gedetecteerd, niet verder laten A / D doos uitgangen (bijv., piep of TMS trigger) worden tijdens het proces gegenereerd. Stel een opdracht in de software zodanig dat als er een niet-stille "EMG-signaal, wordt het proces herhaald. Zie het in stap 1.2.4.9 plus lijnen 118-124 van de sequencer-bestand en lijnen 347-420 van het script voor deze operaties genoemd lijnen.
      11. Aan het einde van de vertraging na opname stille EMG signalen, de A / D-box genereren DAC 0 uitgangspuls (in deze opstelling, de DAC uitgang veroorzaakt een hoorbare piep). Hebben een A / D doos -generated digitale gegevens punt markeert de starttijd van de 'piep' met 'code 2' Zie lijnen 126-138 van de sequencer-bestand om te begrijpen hoeom deze bewerking te voltooien.
      12. Set-up van het script in de sweep-gebaseerde data-acquisitie software om de A / D-box controleren de sweep tijd en de binnenkomende signalen, en het genereren van een TMS trekker op basis van de juiste criteria. Maak regels code zodanig dat een digitale nummer "3" gegevenspunt markeert het moment van TMS trekker (als het zich voordoet). Zie lijnen 77-116 van de sequencer-bestand om te begrijpen hoe deze operatie te voltooien.
      13. Hebben de wachttijd, voor geschikte trigger-voorwaarden, doorgaan tot een bepaalde periode vóór het einde van de sweep.
        NB: Dit voorkomt het proces optreedt oneindig als een criterium niet is voldaan. Zie lijnen 65-76 en 118-138 in de sequencer-bestand om te begrijpen hoe deze operatie te voltooien.
      14. Set-up van de sweep-gebaseerde data-acquisitie software om de voltooiing van de A / D collectebus van gegevens op te sporen en kennis van de visuele stimulus levering software die het proces voorbij is. Zie lijnen 180-303 van het script te begrijpenhoe deze stap te voltooien.
      15. Wanneer de visuele stimulus levering software wordt gemeld dat het proces voorbij is, hebben de visuele stimulus levering software weer de doelstelling om de uitgangspositie en stuurt informatie naar de sweep-gebaseerde data acquisitie software over de vraag of de deelnemer 'hit' het doel. Hebben de sweep-gebaseerde data acquisitie software "tag" de nieuw bemonsterde kader van gegevens, indien de deelnemer niet 'hit' het doel ,. Zie lijnen 89-221 van het scenario bestand van hoe deze operatie te voltooien.
      16. Set-up van het script in de sweep-gebaseerde data acquisitie software om te wachten op een post-proces vertraging en aan het eind van deze vertraging, hebben het proces terug naar stap 1 en gooi de bemonsterde gegevens en het herhalen van de laatste proef als de veeg- gebaseerde data acquisitie software niet leiden TMS, of gaan naar de volgende proef als alles was op 'OK'. Zie lijnen 180-303 en bijbehorende lussen in het script-bestand om te begrijpen hoe deze te voltooienoperatie.
        OPMERKING: De sweep-gebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering software gebruikt state machines om de noodzakelijke volgorde van handelingen te controleren, omdat het toegestaan ​​voor eenvoudige aanpassing van het experimentele gedrag, als dat nodig is.
  3. Plaats de sensoren op benige oriëntatiepunten om vastleggen van gegevens beweging te verwerven. Om gegevens met betrekking tot de houding arm, plaats sensoren op de romp (suprasternal notch), schouder (acromion), elleboog (8 mm superieur aan de laterale epicondylus), en pols (tussen de lunate en capitatum botten op het dorsale gedeelte van de hand te verzamelen en in overeenstemming met de 3 rd cijfer), volgens aanbevelingen gezamenlijke draaicentra volgen met een minimum sensors. 10

figure-protocol-1
Figuur 1. Hardware Set-up. Met het oog op de elektromagnetische motion capture data om de sweep te worden verzondengebaseerde data acquisitie software en de visuele stimulus levering software, eerst de montage van de 4 elektromagnetische sensoren met de console van het systeem. Sluit de console van het systeem om de pc 1 met een 9-pins seriële kabel. Sluit de pc 1 op de PC 2 met een 9-pins seriële kabel. Om voor TMS levering, de pc 1 met de A / D-doos met een USB-kabel en sluit een BNC-kabel tussen de A / D-doos en de TMS-eenheid. Om voor EMG opname, sluit de EMG leidt naar de EMG versterker en sluit de EMG amp A / D doos via BNC kabels. Sluit de electrogoniometer (Elgon) aan de A / D-box via een BNC-kabel aan op gezamenlijke hoek wijzigingen online op te nemen. Om de visuele stimulus levering van software om het proces start leiden, sluit de PC 2 van de A / D-box triggeringang via een LPT poort naar BNC-kabel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Hardware-connectiviteittijdens het experiment (figuur 1)
    1. Sluit de elektromagnetische motion capture systeem om de PC met de sweep-gebaseerde data-acquisitie software met een 9-pins seriële kabels.
    2. Zijn de data acquisitie box coördineren TMS aflevering en registratie van motion capture data etc. Dit wordt gedaan door de voornoemde bewerking in het script en sequencer bestanden. Sluit A / D-box met behulp van een USB-kabel op de pc 1 en een BNC-kabel parallel uit de A / D-box triggeringang naar PC 2.
    3. Steek de EMG leidt naar de EMG filter (band-pas ingesteld op 20 en 2500 Hz) en versterker (winst x1.000) voor het verzamelen van de EMG-activiteit en corticospinale uitgang gemeten als de motor evoked potentials (EP-leden).
    4. Sluit de Monofasische Transcranial Magnetic Stimulator naar de juiste data-acquisitie doos digitale uitgangen (Digitale uitgang '0' in dit experiment) om de sweep gebaseerde data acquisitie software op PC1 toelaten om de TMS pulsen activeren tijdens het experiment. li>
    5. Sluit een electrogoniometer om de doos data-acquisitie op analoog kanaal 2. Deze verbinding zorgt voor de sweep-gebaseerde data-acquisitie software te triggeren TMS gebaseerd op de schouder hoek met behulp van de software die door de auteurs.
    6. Bouwen of kopen een arm verkwikkende apparaat dat de arm tegen de zwaartekracht ondersteunt. Deze inrichting maakt vlakke bewegingen in het horizontale vlak (zie figuur 2). Als de bouw van het apparaat, een voorbeeld tekening is op verzoek van de desbetreffende auteur ter beschikking. Figuur 2 toont een foto van het apparaat dat wordt gebruikt in de demonstratie.

figure-protocol-2
Figuur 2. Arm verkwikkende apparaat. Afgebeeld is een deelnemer geplaatst in de arm verkwikkende apparaat, terwijl een TMS spoel op de hoofdhuid van de deelnemer wordt geplaatst.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Experiment Set-up

  1. Antropometrische Maatregelen
    1. Noteer het totale lichaamsgewicht van de deelnemer op een schaal.
    2. Meet de lengte van alle segmenten van de kinematische en kinetische analyse. Bijvoorbeeld, in deze aanvrage de arm, meet de lengte van de hand, onderarm, bovenarm en een meetlint.
    3. Bereken antropometrische maatregelen, zoals het segment centrum van de massa, segment zwaartepunt locatie en traagheidsstraal met vergelijkingen uit onderzoek literatuur. 9,12,13 (zie Aanvullende informatie 1).
  2. EMG set-up
    1. Bereid de huid over de spier (s) van de rente met een lichte schurende gel en schoon te vegen met alcohol. Controleer de impedantie met een impedantie meter. Zorg ervoor dat de huid-elektrode impedantie lager is dan 10 kOhm voor EMG signaal acqui verbeterenling.
    2. Plaats twee elektroden op de spier buik van de spieren van belang in een bipolaire montage. De auteurs richten de lezer naar middelen om te helpen met EMG plaatsing. 2 Voor dit experiment, plaats de elektroden op de biceps brachii, triceps brachii, pectoralis major, deltoideus posterior en brachioradialis.
    3. Met behulp BNC-kabels, sluit de uitgangen van de versterker EMG de analoge kanalen 0, 1, 3, 4 en 5 (voor dit specifieke experiment, die verwant zijn met die in de downloadbare scripts) op de A / D-box.
  3. TMS
    1. Kalibreren van de TMS spoel aan de deelnemer met behulp van een neuro-navigatie-software, zoals beschreven in de handleiding van de software.
      NB: Andere methoden kunnen worden toegepast om spoelpositie kalibreren hoofdhuid van de persoon, maar het wordt aanbevolen om een ​​neuro-navigation software programma.
    2. Lokaliseren motor hotspot. Als startlocatie, plaats de spoel op de contralaterale hijMiSPHERE van de arm / hand bestudeerd en 5 cm lateraal van de top tot een geschatte locatie van de hand / arm gebied van de primaire motorische cortex geven. Zoek de vertex met behulp van de International 10-20 elektro elektrodeplaatsing systeem.
    3. Plaats de TMS spoel plat op het hoofd van de deelnemer en oriënteren de spoel zodanig dat deze 45 ° ten opzichte van het sagittale vlak. Deze positionering wordt een latero-posterior naar anterior medio-monofase stroom induceren in de cortex.
    4. Beginnend bij ~ 30% van de maximale stimulatoroutput (MSO) brengt TMS pulsen met een inter-stimulus interval van 6 sec of hoger, zoals beschreven in het sweep-gebaseerde data acquisitie software.
    5. Verplaats de TMS spoel iets andere locaties met kleine wijzigingen in de oriëntatie totdat MEP wordt waargenomen in de spier van belang.
    6. Bepaal de MSO dat Europese afgevaardigden van ~ 1 mV oplevert in het doel spier. Gebruik de neuronavigatie software om digitaal te registreren deze locatie. Herhalingdeze procedure voor elke spier waarvoor motor hotspot is vereist voor het experiment.
    7. Bepaal de rust motor drempel (RMT) door te beginnen bij de intensiteit die de meest betrouwbare ~ 1 mV MEP produceert in de spier van de rente, het leveren van enkele TMS pulsen en het opnemen van de MEP piek amplitude online piek.
    8. Bepaal de MSO, waarbij de piek-tot-piek amplitude van het MEP is ≥ 50 uV in 5 uit 10 opeenvolgende proeven. 3,11
      OPMERKING: Om in overeenstemming met eerdere literatuur, 1,3 ervoor te zorgen dat de MEP wordt opgenomen van een monopolaire EMG montage.
  4. Experimentele studies
    1. Start het experiment door het uitvoeren van de visuele stimulus levering softwareprogramma eerste (bijv., Scenario-bestand). Eerste starten van de visuele stimulus levering software maakt voor de software om te beginnen met het lezen in de elektromagnetische motion capture data en laat een motion capture sensor om een ​​controlecursor op het scherm.
    2. Voer het 'script' van de experimentele studies binnen de sweep-gebaseerde data acquisitie software. Dit script leest in de 'sequencer bestand' dat de externe triggers op basis van het type proef levert.
    3. Input gewenste informatie in het configuratie dialoogvenster dat wordt geopend. Stappen, 2.4.4 tot 2.4.11 alle betrekking hebben op de configuratie dialoogvenster.
    4. Voer waarde "1" in de "stimulus sets in randomisatie blok" doos. Deze waarde bepaalt het aantal keren per soort proef wordt uitgevoerd in een blok.
    5. Voer de waarde "20" in de "randomisatie blokken experiment" doos. Deze waarde bepaalt het aantal blokken die in een experiment wordt uitgevoerd.
    6. Voer de waarde "20" in de "piep pulsduur" doos. Deze waarde bepaalt de tijdsduur van de DAC-uitgang en dus, hoe lang de piep puls "aan".
      OPMERKING: Wijzig deze waarde om de lengte verhoging van deauditieve toon is aanwezig.
    7. Voer "5" in het vak "piep pulsamplitude". Deze waarde bepaalt de amplitude in volt van de DAC-output en derhalve de "omvang" van de piep puls.
    8. Voer de waarde "100" in het vak "getimede trekker na de piep vertraging". Deze waarde bepaalt de interval in ms tussen de auditieve "go" cue en de digitale uitgang (bijv., TMS trekker 1).
    9. Voer de waarde "0.1" in het vak "EMG triggerdrempel niveau". Deze waarde bepaalt de amplitude van het EMG in volt nodig is om de digitale uitgang activeren (bijv., TMS trekker 2). Deze maatregelen werden genomen op non-gelijkgerichte EMG signalen.
    10. Voer waarde "0,242" in het vak "Hoek triggerdrempel niveau". Deze waarde bepaalt de drempelwaarde in volt gelezen van de electrogoniometer de digitale uitgang activeren (bijv., TMS trekker 3).
      OPMERKING: Deze waarde is afhankelijk van de kalibratie vande electrogoniometer. De gebruiker dient in te voeren dat spanningswaarde die correspondeert met een gewrichtshoek drempel die een TMS puls opwekken.
    11. Voer waarde "1" (dwz., 1 sec) in het vak "na het proces vertraging". Deze waarde bepaalt de inter proces interval.
      OPMERKING: Meer informatie over elke functie kan worden gevonden in het script of op verzoek van de auteurs.
    12. Start het script zodra alles klaar is met betrekking tot de deelnemer, TMS en visuele stimulus weergave programma.
    13. Na deze stap, observeer de software draaien op zijn eigen, zonder / of met minimale input van de gebruiker.
      Opmerking: Een voorbeeld proces begint met de deelnemer de cursor in het doel uitgangspositie. De nieuwe visuele doelpositie verschijnt en deelnemer gaat naar dit doel, een keer een auditieve 'go' cue wordt geleverd via een digitale uitgang aan op de doos data-acquisitie analoog.
    14. Na het leveren van de cue, vragen de deelnemers om de cursor te verplaatsen naar de target. Na het bereiken van de gewenste positie met behulp van de cursor, observeren de uitgangspositie en beginnen met de volgende proef door de cursor terug in de uitgangspositie.
      LET OP: Hier is het voorbeeld van TMS wordt veroorzaakt door het script. Zorg ervoor dat het individu is in hun eigen positie. Let op de visuele positie van het doel en de opdracht van de deelnemer om de cursor te verplaatsen naar dit doel. Leiden tot de TMS voor te komen op 100 ms na de auditieve 'go' cue. De individuele houdt de cursor naar de doelpositie van 1 sec. De afzonderlijke keert vervolgens terug naar de uitgangspositie afwachting van de volgende proef.
    15. Zorg ervoor dat de cursor in de uitgangspositie. Let op de visuele positie van het doel en de opdracht van de deelnemer om de cursor te verplaatsen naar de gewenste positie. Leiden tot de TMS voor te komen op 100 ms na de auditieve 'go' cue. Vraag de persoon om de cursor naar de doelpositie bewaren 1 sec. Vraag de persoon om de cursor terug naar de uitgangspositie in afwachting van de volgende proef.
      Opmerking: In dit voorbeeld, het analoge signaal activeert de TMS. Specifiek, in dit voorbeeld, het EMG activeert de TMS puls. Het experiment heeft 21 voorwaarden: 7 doel voorwaarden x 3 verschillende tijdstippen waarop een TMS puls wordt geactiveerd (dat wil zeggen, trekker 1 trekker 2, trekker. 3). In dit voorbeeld worden TMS pulsen geactiveerd op basis van digitale gebeurtenissen of externe analoge triggergebeurtenissen zoals EMG of electrogoniometer ingang. Deze digitale of analoge gebeurtenissen kunnen door de gebruiker worden aangepast door het veranderen van de sequenties en scriptbestanden. De geschatte totale duur van het experiment is 3 tot 4 uur.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figuur 3 toont de resultaten van een proef. In dit proces, Figuur 3A toont de uitgangspositie van de deelnemer en na een auditieve 'go' cue, de deelnemer bewoog zo snel en nauwkeurig mogelijk het doelwit (bijv., De eindpositie). De sweep-gebaseerde data-acquisitie software leidde tot een TMS puls gebaseerd op EMG onset in de biceps brachii spier. Hierdoor kon de mate van corticospinale uitvoer gericht op bovenarm spieren worden geëvaluee...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het huidige manuscript beschrijft een innovatieve methode om TMS en motion capture-systemen te integreren in de context van een visueel-motorische taak. Om snelle en zinvolle vooruitgang te boeken in de studie van menselijke motorische controle, is het essentieel dat methodologieën nauwkeurige communicatie mogelijk maken tussen meerdere hardware- en softwaresystemen. Het gepresenteerde paradigma kan worden gebruikt om verschillende onderzoeksinteresses te bestuderen, waaronder de corticale bijdrage aan motorisch leren, d...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs danken de financiering van de Natural Sciences and Engineering Research Council aan AJN.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Polhemus FASTRAKPolhemus Inc.6 graden van vrijheid elektromagnetische bewegingsvolgapparatuur met 4 sensoren
PresentationNeurobehavioural Systems Inc.Een volledig programmeerbare software voor experimenten met gegevensverzameling en stimuluslevering
Cutom built Exoskeleton80/20 Inc. - The industrial erector setVariesVerschillende onderdelen gebruikt voor het bouwen van het exoskelet
BrainsightRogue Research Inc.Neuronavigatiesoftware om de spoelpositie gedurende het experiment te volgen

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex. J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).
  2. Criswell, E. Cram's Introduction to Surface Electromyorgaphy. , 2nd edn, Jones and Barlett Publishers. Mississauga, Canada. (2011).
  3. Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Clin. Neurophysiol. 115 (2), 255-266 (2004).
  4. Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. J Physiol. 453, 525-546 (1992).
  5. Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
  6. Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45 (2), 201-206 (2005).
  7. Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function. Neural Plast. , 350574(2012).
  8. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. 471, 501-519 (1993).
  9. Miller, D., Nelson, R. Biomechanics of Sport: A Research Approach. , Lea and Febiger. Philadelphia, USA. (1973).
  10. Nussbaum, M. A., Zhang, X. Heuristics for locating upper extremity joint centres from a reduced set of surface markers. Human Movement Sciences. 19, 797-816 (2000).
  11. Rossini, P. M., et al. 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. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 91 (2), 79-92 (1994).
  12. Winter, D. A. Biomechanics and Motor Control of Human Movement. , 4th edn, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, USA. (2009).
  13. Zatsiorsky, V. Kinetics of Human Motion. , Human Kinetics Publishers Inc. Windsor, Canada. (2002).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Transcraniale magnetische stimulatiemotorisch opgeroepen potentieelelektromyografie signaalmotion trackingsysteembeweging van de bovenste ledematengewrichtshoekanalysekinematische kinetische analyseintegratie van gegevensacquisitieneuromotorische controlstudie

Gerelateerde artikelen