Multifunctionele Setup voor het bestuderen van Human Motor Control Met behulp van Transcraniële Magnetische Stimulatie, Elektromyografie, Motion Capture en Virtual Reality

Het algemene doel van het volgende experiment is het illustreren van een gegeneraliseerde techniek voor het synchroniseren van meerdere datastromen die worden geregistreerd tijdens menselijke biomechanische studies. Dit wordt bereikt door middel van elektromyografische signalen en motion capture-signalen om een analoog synchronisatiegebeurtenis te genereren die onafhankelijk kan worden geregistreerd door twee of meer systemen. Als tweede stap kunnen eenvoudige circuitcomponenten worden ontworpen die deze gebeurtenis omzetten in signalen die geschikt zijn voor elk registratieapparaat.

Gebruik vervolgens analysesoftware om de synchronisatiegebeurtenissen over de onafhankelijk geregistreerde signalen tijdelijk uit te lijnen om alle signalen te synchroniseren. De resultaten tonen aan dat verschillende biomechanische signalen tijdelijk kunnen worden uitgelijnd binnen de bemonsteringsfrequenties van de respectievelijke dataregistratiesystemen, waardoor het verzamelen van een rijke experimentele dataset van naturalistische menselijke beweging mogelijk is om de neuromusculaire aansturing te bestuderen. Er zijn diverse complexe vragen in de velden van motorische controle en biomechanica die het beste beantwoord kunnen worden door natuurlijke menselijke beweging in een laboratoriumsetting te bestuderen.

Hier beschrijven wij de methode om virtual reality te gebruiken voor het definiëren van gedragstaken waarbij verschillende fysiologische signalen gelijktijdig worden geregistreerd. Het voordeel van een experimentele opstelling op basis van virtual reality ten opzichte van bestaande methoden, zoals hardwarematige gedragsopstellingen, is dat deze zeer snel kan worden aangepast aan verschillende experimenten en aan de unieke anatomie van individuele deelnemers. Tijdens gedragsexperimenten is het gebruikelijk om gelijktijdig verschillende signalen te registreren die het gedrag kwantificeren, zoals elektromyografie en motion capture.

Onze methode biedt een oplossing voor het probleem van de temporele uitlijning van deze signalen door gebruik te maken van een aangepaste synchronisatie-eenheid die compatibel is met meerdere fabrikanten. Begin met het maken van alle nodige elektrische verbindingen tussen de EMG-apparatuur, inclusief versterkers, voorversterkers, sensordraden en sensorpads, volgens de specificaties van de fabrikant. Reinig elke elektrodeplaats om consistente en lage impedantiewaarden tussen elektrode en huid te garanderen.

Instrueer de proefpersoon vervolgens om isometrische contracties van de betreffende individuele spieren uit te voeren en bevestig de EMG-elektroden over de gepalpateerde locatie van de spiercontractie. Houd hierbij rekening met de oriëntatie van de actieve sites langs de spiervezels. Bevestig de aardelektrode op de huid boven de zevende halswervel (C7).

Controleer vervolgens de signaalkwaliteit door de versterkte EMG-signalen op de computer te inspecteren terwijl het subject elke relevante spier aanspant. Verlaag tot slot de versterkingsfactor indien de EMG-signalen verzadigen tijdens de spiersamentrekkingen die vereist zijn voor de gedragstaak. Begin met het kalibreren van de motion-trackingcamera's volgens de instructies van de fabrikant.

Plak actieve LED-sensoren op botreferentiepunten nabij de armgewrichten en op andere anatomische punten van belang, zoals nabij de vinger, pols, schouder en borst. Bevestig een andere LED-sensor aan de virtual reality- of VR-headset om het gezichtspunt in de virtuele omgeving vast te stellen. Sluit vervolgens elke LED aan op een kabelboom die is verbonden met de draadloze aansturingseenheid.

Zet de driverunit aan en zorg voor een correcte verlichting van alle LED's. Positioneer tot slot de synchronisatie-LED op een plek uit de buurt van het subject, maar wel binnen het directe zichtveld van de motion capture-camera's. Kalibreer eerst het apparaat en de software voor transcraniële magnetische stimulatie of TMS om een nauwkeurige plaatsing van de spoel mogelijk te maken.

Om dit te doen, corregistreert u de TMS-spoelen met anatomische oriëntatiepunten, zoals de NAS-preauriculaire punten en de neustip, met behulp van een kalibratiepointer. Voer vervolgens hotspot-technieken uit om de TMS-gevoelige regio's op de cortex te lokaliseren die de grootste amplitude voor motorisch opgeroepen potentialen of MEP's produceren.

Registreer met de laagste stimulatie-amplitude de locatie van de beste stimulatieplaats op de hoofdhuid van het subject met de gekalibreerde stereotaxische registratieapparatuur en software. Meet tot slot de drempelwaarde van het subject door de stimulatie-amplitude op de geselecteerde locatie te verlagen totdat er 50% van de tijd mep's van ten minste 50 microvolts worden opgewekt. Stel eerst de VR-omgeving voor de gedragstaak in volgens het protocol van de fabrikant.

Maak gebruik van commerciële VR-software die compatibel is met de headset en het programma voor het motion tracking-systeem. Digitale outputs via de parallelle poort dienen voor de synchronisatie en markering van specifieke gebeurtenissen van belang. Verbind de VR-output met het synchronisatieschakeling en overige apparatuur die gesynchroniseerd moet worden door middel van kabels met passende connectoren.

Informeer de proefpersoon over de vereisten van de taak die hij of zij in VR zal uitvoeren. Vraag de proefpersoon om naar bolvormige doelen te wijzen wanneer deze in zijn of haar gezichtsveld verschijnen. Zodra de proefpersoon de taak begrijpt en de gelegenheid heeft gehad deze te oefenen, start u de opname van de EMG-motion capture-gegevens en de synchronisatiesignalen tijdens één enkele VR-synchronisatieproef.

De software activeert de EMG-apparatuur om signalen vast te leggen die de neuromusculaire activiteit illustreren die optrad tijdens bewegingen van de bovenste ledemaat. Het activeert daarnaast de motion capture-apparatuur om continue bewegingsgegevens vast te leggen. Dit signaal kan worden gebruikt om de EMG- en motion capture-gegevens te synchroniseren. Hier.

De gemiddelde hoekkinematica en -dynamica en de bijbehorende continue en instantane neuromusculaire activiteit over 24 trials worden getoond voor een enkele taak. Deze multidimensionale datasets, geleverd door de virtual reality, stellen onderzoekers in staat om specifieke menselijke motorische controlemechanismen te onderzoeken. Na het bekijken van deze video zou u een algemeen begrip moeten hebben van hoe u meerdere datastromen kunt synchroniseren die tijdens menselijke bewegingsexperimenten kunnen worden geregistreerd, zoals EMG en motion capture. Deze procedure kan worden uitgebreid om aanvullende systemen zoals elektro-encefalografie op te nemen.

Bovendien kan elektrische stimulatie van perifere zenuwen ook worden gebruikt om de bijdrage van sensorische feedback aan de motorische controle na de ontwikkeling ervan te evalueren. Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor neurowetenschappers om veranderingen in de neuraal aangestuurde beweging te onderzoeken bij personen met bewegingsstoornissen, zoals een beroerte of dwarslaesie.