Het combineren van meerdere Data Acquisition Systems corticospinale Output en Multi-segment biomechanica Studie
January 9th, 2016
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.
Het algemene doel van deze methodologie is om een kosteneffectieve benadering te creëren voor het integreren van studies over hersenstimulatie en menselijke beweging. Deze methode kan cruciale vragen beantwoorden in het gebied van neuromotorische controle, zoals hoe neuro-output van de motorische cortex kan worden gemoduleerd tijdens een lopende beweging. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de levering van hersenstimulatie geautomatiseerd is door een computer en wordt bepaald door de specifieke parameter die voor de onderzoeker van belang is, zoals de gewrichtshoek of de omvang van spieractiviteit.
Aaron Bailey, een afgestudeerde student uit mijn lab, zal deze procedure demonstreren. Zie het bijgevoegde manuscript voor instructies over hardware en software-opstelling voor dit experimentele protocol. Het hier getoonde diagram geeft een overzicht van de hardwareconfiguratie.
Begin door de deelnemer te screenen op TMS-veiligheid en schriftelijke en geïnformeerde toestemming voor het experiment te verkrijgen. Noteer vervolgens de totale lichaamsmassa van de deelnemer met behulp van een weegschaal. Gebruik ook een meetlint om de lengte van de hand, onderarm en bovenarm van de deelnemer te bepalen, aangezien deze segmenten later kunnen worden gebruikt voor kinematische en kinetische analyse.
Bereid vervolgens de huid boven de belangrijke spieren voor met behulp van een licht schurende gel. Veeg vervolgens het gebied schoon met alcohol. Gebruik een impedantiemeter om ervoor te zorgen dat de huid-elektrode-impedantie lager is dan 10 kilo-ohm om de EMG-signaalaanwinst te verbeteren.
Plaats nu twee elektroden over de buiken van de spieren in een bipolaire montage. Plaats voor dit experiment elektroden over de biceps brachii, triceps brachii, pectoralis major, posterior deltoid en brachioradialis. Verbind ten slotte met behulp van de NC-kabels de uitgangen van de EMG-versterker naar de analoge kanalen nul, één, drie, vier en vijf op de AD-box.
Loceer de vertex met behulp van het Internationale 10-20 Elektro-encefalografie Elektrode Plaatsingssysteem. Kalibreer de TMS-spoel voor de deelnemer met behulp van neuronavigatiesoftware. Het lokaliseren van de motorische hotspot voor elke spier van belang is het meest cruciale deel van het experiment.
Onjuist lokaliseren van de motorische hotspot of onjuiste oriëntatie van de spoel kan effecten hebben op de verworven gegevens. Om vervolgens de motorische hotspot te lokaliseren, begint u door de spoel op de contralaterale hemisfeer van de te onderzoeken arm of hand te plaatsen en vijf centimeter lateraal van de vertex. De spoel moet plat op het hoofd van de deelnemer liggen en zodanig worden georiënteerd dat deze 45 graden is ten opzichte van het sagittale vlak.
Begin vervolgens met ongeveer 30% van de maximale stimulatoruitgang en lever TMS-pulsen met een interstimulusinterval van zes seconden of meer, zoals beschreven in de suite-gebaseerde software voor gegevensverwerving. Beweeg de TMS-spoel rond naar iets verschillende locaties op de schedel terwijl u ook de oriëntatie lichtjes verandert totdat een motor-evocatief potentieel wordt waargenomen in de spier van belang. Bepaal nu de rustende motorische drempel door te beginnen bij de intensiteit die het meest betrouwbare antwoord produceert van ongeveer één millivolt.
Geef enkele pulsen door en noteer de motor-evocatief potentieel peek-to-peek amplitude online. Begin het experiment door eerst het visuele stimulusafleveringssoftwareprogramma te starten. Voer vervolgens het scriptbestand voor de experimentele proeven uit binnen de suite-gebaseerde software voor gegevensverwerving, zoals beschreven in het bijgevoegde manuscript voor dit protocol.
Voer de gewenste informatie in in het configuratiedialoogvenster zoals hier op het scherm te zien is. Deze waarden configureren de timing en andere instellingen voor de experimentele proeven. De stimulussets en de randomisatiewaarde bepalen bijvoorbeeld het aantal keer dat het proeftype wordt uitgevoerd in een blok.
Motion-capture sensoren worden aan de patiënt bevestigd. Na deze stap zal de software op zichzelf lopen met minimale gebruikersinvoer. Zorg ervoor dat de deelnemer alle taakopdrachten begrijpt en begin vervolgens met het experiment.
Een proef begint wanneer de deelnemer de cursor in de startpositie plaatst. Vervolgens verschijnt er een nieuwe visuele doelpositie. Daarna wordt een auditieve go-que afgeleverd via een digitaal-naar-analoog uitgang op de gegevensverwervingsbox en de deelnemer moet de cursor naar het nieuwe doel verplaatsen.
Ze moeten de cursor gedurende één seconde op deze doelpositie houden en vervolgens terugbrengen naar de startpositie om de volgende proef af te wachten. Het analoge signaal van de EMG zal de TMS-puls activeren, die moet worden geconfigureerd om 100 milliseconden na de auditieve go-que plaats te vinden. Observeer de deelnemer en zorg ervoor dat de cursor in de startpositie en op de doelen staat tijdens de proeven.
Het experiment, zoals hier te zien is, heeft 21 omstandigheden die bestaan uit zeven doelcondities met drie verschillende tijdstippen waarop een TMS-puls wordt geactiveerd. De geschatte totale duur van het experiment is drie tot vier uur. In een enkele proef toont het schema aan de linkerkant de startpositie aan het begin van de proef, terwijl het schema aan de rechterkant de eindpositie tijdens de proef toont.
Hier zien we de peek-to-peek amplitude van de MEP verkregen van elke spier van de enkele TMS-puls tijdens het EMG-begin van deze proef. De hier getoonde grafieken tonen de hoekverschuiving van het schouder- en ellebooggewricht, terwijl deze grafieken de hoeksnelheid bij dezelfde gewrichten tonen. Hier zien we de kinematica bij de schouder- en ellebooggewrichten, waarbij de blauwe, groene en rode lijnen elk de netto spier- en bot-op-bot contactmoment vertegenwoordigen.
Deze figuur toont voorbeeld motor-evocatieve potentiëlen opgenomen van de biceps brachii en pectoralis major, terwijl naar een doel wordt gegrepen dat vereist dat beide spieren actief zijn. Ook getoond zijn motor-evocatieve potentiëlen opgenomen van de triceps brachii en posterior deltoid, terwijl naar een doel wordt gegrepen dat vereist dat deze spieren actief zijn. Eenmaal beheerst, kan deze techniek in twee tot drie uur worden uitgevoerd als he
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit manuscript schetst een methodologie voor het integreren van dataverzamelsystemen met transcraniële magnetische stimulatie (TMS) om menselijke motorische controle te bestuderen. De aanpak beoogt het onderzoek naar menselijke beweging te vergemakkelijken door het automatiseren van hersenstimulatielevering op basis van specifieke parameters.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Motorische controle
- Hersenstimulatie
Achtergrond
- Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) wordt gebruikt om motorische controle te onderzoeken.
- Integratie van dataverzamelsystemen verbetert de studie van menselijk gedrag.
- Het begrijpen van neuro-outputmodulatie tijdens beweging is cruciaal.
- Deze methodologie beoogt kosteneffectief en efficiënt te zijn.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor het integreren van hersenstimulatie met studies over menselijke beweging.
- Om TMS-levering te automatiseren op basis van specifieke onderzoeksparameters.
- Om belangrijke vragen in het veld van neuromotorische controle aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Integratie van dataverzamelsystemen met TMS.
- Computerautomatisering van hersenstimulatielevering.
- Parametergestuurde stimulatie op basis van gewrichtshoek of spieractiviteit.
- Demonstratie van de procedure door een afstudeerstudent.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle integratie van TMS met dataverzamelsystemen.
- Automatische levering van hersenstimulatie verbetert onderzoeksmogelijkheden.
- Methodologie biedt inzichten in neuromotorische controle.
- Instructies voor hardware- en software-setup worden verstrekt.
Conclusies
- De methodologie biedt een nieuwe aanpak voor het bestuderen van menselijke beweging.
- Automatisering van TMS-levering is gunstig voor onderzoekers.
- Deze studie draagt bij aan het begrip van motorische controlemechanismen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Integrating transcranial magnetic stimulation with synchronized motion capture enables precise interrogation of corticospinal output during dynamic motor tasks. This approach supports mechanistic de-risking in target validation by linking neural modulation to quantifiable biomechanical outputs. It enhances predictive confidence in preclinical models of motor control disorders through reproducible, parameter-driven neuromodulation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how motor cortex neuro output modulates during ongoing movement to validate therapeutic hypotheses.
- Operational Value: Provides automated, parameter-triggered TMS delivery based on joint angle or muscle activity for consistent target engagement assessment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative motor-evoked potential and kinematic readouts to enable assay standardization across neuromuscular targets.
- Operational Value: Integrates EMG, motion capture, and TMS into a reproducible workflow for high-fidelity neuromotor phenotyping.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by capturing multi-segment biomechanics alongside neural output in upper limb reaching tasks.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical validation through synchronized neural and kinetic measurements.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges discovery biology and lead identification by enabling hypothesis testing of corticospinal contributions to motor control through automated, time-locked stimulation.
- Discovery Biology: Supports pathway clarification by triggering TPS at specific movement phases to isolate causal neuro-motor relationships.
- Screening: Delivers quantitative, time-resolved outputs including MEP amplitude, joint angle, and angular velocity for compound effect comparison.
- Analytics: Enables correlation of corticospinal output with kinetic moments at shoulder and elbow joints for mechanism-based biomarker alignment.
- Translational Research: Connects neural modulation to functional movement outcomes, supporting risk-adjusted advancement in motor control therapeutics.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for studying neuromodulation effects across diverse motor tasks and patient populations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by linking TMS-evoked responses to precise biomechanical events during movement.
- Operational Value: Ensures reproducibility through computer-automated stimulation triggered by predefined kinematic or EMG thresholds.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing objective, multi-modal readouts of target engagement and functional impact.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromotor targets based on convergent neural and biomechanical validation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in TMS safety, EMG signal acquisition, and motion capture systems.
- Depends on integrated hardware including TMS coil, EMG amplifiers, AD box, and motion-capture sensors.
- Necessitates cross-team standardization for consistent timing of TMS delivery relative to movement onset.
- Involves adaptation considerations when applying the integrative system to different muscle groups or movement paradigms.
- Limited by the need for precise coil positioning and neuronavigation to ensure reliable motor hot spot targeting.
