Method Article

Połączenie wielu systemów gromadzenia danych w celu badania wydajności korowo-rdzeniowej i biomechaniki wielosegmentowej

DOI:

10.3791/53492

⸱

January 9th, 2016

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

In This Article

Summary

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

Wykorzystanie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) do badania kontroli motorycznej człowieka wymaga integracji systemów akwizycji danych w celu kontrolowania dostarczania TMS i jednoczesnego rejestrowania ludzkich zachowań. Niniejszy manuskrypt zawiera szczegółową metodologię integracji systemów akwizycji danych w celu badania ruchu człowieka za pomocą TMS.

Abstract

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

Techniki przezczaszkowej stymulacji magnetycznej pozwalają na dogłębne badanie mechanizmów neuronalnych, które leżą u podstaw ludzkiego zachowania. Do tej pory wykorzystanie TMS do badania ruchu człowieka było ograniczone przez wyzwania związane z precyzyjnym synchronizacją dostarczania TMS do cech rozwijającego się ruchu, a także z dokładnym scharakteryzowaniem kinematyki i kinetyki. Aby sprostać tym wyzwaniom technicznym, systemy dostarczania i akwizycji TMS powinny być zintegrowane z systemem śledzenia ruchu online. Niniejszy manuskrypt szczegółowo opisuje innowacje techniczne, które integrują wiele systemów akwizycji, aby ułatwić i przyspieszyć wykorzystanie TMS do badania ruchu człowieka. Korzystając z dostępnych na rynku systemów programowych i sprzętowych, zapewnione jest podejście krok po kroku zarówno do montażu sprzętu, jak i skryptów programowych niezbędnych do przeprowadzenia badań TMS wyzwalanych przez określone cechy ruchu. Podejście koncentruje się na badaniu ruchów kończyny górnej, płaskich, wielostawowych ruchów sięgnięciowych. Jednak ten sam system integracyjny jest podatny na wiele wyrafinowanych badań nad ludzką kontrolą motoryczną.

Introduction

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

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) to nieinwazyjna metoda stymulacji ludzkiej kory mózgowej. 3,5 Istnieje kilka protokołów TMS, które są używane do zrozumienia funkcji kory mózgowej, takich jak pojedyncze i wielokrotne impulsy, stymulacja w dwóch miejscach w celu zbadania funkcjonalnej łączności oraz powtarzające się impulsy w celu promowania plastyczności neuronalnej. 4,6-8 protokołów TMS można również połączyć, aby pogłębić obecne zrozumienie procesów korowych człowieka i ukierunkować strategie rehabilitacji neuronalnej. Oprócz stymulacji kory mózgowej, TMS może być również stosowany do zrozumienia funkcji podkorowej poprzez stymulację drogi korowo-rdzeniowej lub móżdżku.

Jednym z największych wyzwań technicznych stojących obecnie przed badaniami TMS jest możliwość zbadania roli obszarów korowych podczas dobrowolnego ruchu ukierunkowanego na cel u ludzi. Na to wyzwanie techniczne składa się kilka czynników. Po pierwsze, dostarczanie TMS powinno być połączone z przechwytywaniem ruchu człowieka w czasie rzeczywistym. W ten sposób impulsy TMS mogą być dostarczane lub wyzwalane przez cechy w sekwencji ruchu, zapewniając zamknięte w czasie podejście do badania złożonego ruchu. Po drugie, integracja dostarczania TMS i przechwytywania ruchu pozwala na szczegółową charakterystykę złożonego ruchu w miarę jego rozwoju, co pogłębi zrozumienie relacji między mózgiem a zachowaniem, które leżą u podstaw kontroli motorycznej. Obecnie nie ma dostępnych na rynku systemów, które integrowałyby metodologie TMS i motion capture. Dla neurobiologów zajmujących się kontrolą motoryczną ta pustka zazwyczaj przekłada się na czasochłonne, techniczne wyzwania związane z integracją wielu programowych i sprzętowych systemów gromadzenia i dostarczania danych. To ograniczenie techniczne spowodowało również nieliczne badania poświęcone badaniu dynamicznych ruchów wielostawowych z udziałem kończyny górnej. Aby TMS mógł posunąć naprzód dziedzinę kontroli motorycznej człowieka, konieczne jest badanie funkcji kory mózgowej podczas złożonych ruchów człowieka.

Aby skutecznie zintegrować TMS i metodologie przechwytywania ruchu, system akwizycji musi umożliwiać jednoczesne przechwytywanie TMS i ruchu w czasie rzeczywistym. Po drugie, system musi być odpowiedni do badania kinematyki ruchu (tj. opisu ruchu), kinetyki ruchu (tj. sił powodujących ruch) i aktywności mięśni. Po trzecie, system musi być w stanie zsynchronizować impulsy TMS z tymi cechami ruchu i być wyzwalany przez kryteria oparte na złożonych cechach ruchu. Taki system zapewni niezbędne powiązanie między funkcją kory mózgowej a kinematyką i kinetyką ruchu.

Ten manuskrypt szczegółowo opisuje unikalne podejście do integracji metod TMS i przechwytywania ruchu. Takie podejście pozwala na szczegółową analizę mechaniki złożonych ruchów wielostawowych i pozwala na zautomatyzowane sterowanie impulsami TMS wyzwalanymi przez określone cechy ruchu (tj. kinematykę, kinetykę lub aktywność mięśni). Co więcej, ten system akwizycji danych pozwala na integrację TMS i przechwytywania ruchu z paradygmatami eksperymentalnymi, które wymagają zadań wzrokowo-motorycznych lub sensomotorycznych. Niniejszy manuskrypt szczegółowo opisuje innowacyjne podejście do integracji powszechnie używanych systemów sprzętowych i programowych do przechwytywania ruchu w celu połączenia TMS oraz akwizycji i analizy ruchu człowieka. Dane przedstawiono za pomocą przykładowego badania funkcjonowania kory mózgowej człowieka podczas płaskiego ruchu wielostawowego. Skrypty oprogramowania wymagane do przeprowadzenia eksperymentu są dostępne do pobrania.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

UWAGA: Poniższy protokół może być stosowany do różnych eksperymentów. Poniżej znajdują się szczegóły dotyczące eksperymentu, który polega na tym, że ramię sterowane wizualnie sięga do jednego z sześciu celów przestrzennych wyświetlanych na monitorze komputera. TMS, czyli badanie pobudliwości korowo-rdzeniowej, jest wyzwalane przez sygnały analogowe pochodzące z ruchu (tj. wejście EMG lub elektrononometru) lub sygnały cyfrowe generowane przez oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu. Badanie to zostało zatwierdzone przez Radę Etyki Badawczej McMaster zgodnie z Deklaracją Helsińską. Podano przykładowy zestaw danych.

1. Wymagania sprzętowe/programowe

UWAGA: Rysunek 1 przedstawia schemat wymagań sprzętowych do integracji TMS i systemów przechwytywania ruchu w kontekście sterowanego komputerowo eksperymentu wzrokowo-motorycznego.

  1. Wyposaż dwa komputery stacjonarne w porty szeregowe i równoległe (jeśli nie są jeszcze dostępne). Wyposaż komputer PC 1 (rysunek 1) w oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu, a komputer 2 w oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych.
  2. Operacje związane z oprogramowaniem
    1. Wewnętrzna skrzynka analogowa/cyfrowa (skrzynka A/D) Operacje
      UWAGA: Poniższe operacje dostarczają czytelnikom informacji, czy chcieliby samodzielnie utworzyć podobny program. Te kroki nie są niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu, ponieważ eksperyment może po prostu korzystać z oprogramowania dostarczonego przez autorów, ale istnieją wytyczne, które umożliwiają użytkownikom tworzenie własnego oprogramowania.
      1. Utwórz plik sekwencera w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na przemiataniu (patrz przykład 'pliku sekwencera' (w Informacjach Uzupełniających 2), który ma zostać uruchomiony na komputerze PC 1.
        UWAGA: Przykładowe operacje tworzenia pliku sekwencera przy użyciu oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu w tym eksperymencie można znaleźć pod adresem http://ced.co.uk/products/signal#script.
        UWAGA: Ten plik działa w celu zapewnienia całego precyzyjnego czasu wymaganego, gdy sekwencja jest wykonywana równolegle z rzeczywistym pozyskiwaniem danych i zapewnia elastyczność wraz z synchronicznym synchronizacją wyzwalaczy zewnętrznych. Zmiany w kryteriach wyzwalania zewnętrznego można przeprowadzić w oknie dialogowym konfiguracji, które jest wyświetlane podczas uruchamiania skryptu (zobacz sekcję "Próby eksperymentalne", aby uzyskać więcej informacji i zrzut ekranu "Plik sekwencera").
      2. Utwórz oddzielne podprogramy w pliku sekwencera, aby kontrolować generowanie sygnałów słuchowych i kryteria wyzwalania TMS. Niech jeden podprogram kontroluje sygnał słuchowy w oparciu o dane wejściowe z oprogramowania do wyświetlania bodźców wizualnych. Ponadto jeden podprogram może sterować wyzwalaniem TMS w oparciu o dane wejściowe z wejścia analogowego do skrzynki A/D.
        UWAGA: Przykład tego, jak oddzielne podprogramy są zawarte w pliku sekwencera, znajduje się w Informacjach Uzupełniających (skrypt i plik sekwencera). Zapoznaj się z sekcją 1.2.1.1, aby uzyskać informacje o dodatkowej obsłudze witryny internetowej specyficznej dla systemu oprogramowania użytego w tej demonstracji. Taka konfiguracja umożliwia generowanie sygnałów dźwiękowych równolegle z testowaniem kryteriów wyzwalania TMS.
      3. Utwórz wiersze kodu w pliku sekwencera, który wywołuje podprogramy (opisane w 1.2.1.2). Powinien on funkcjonować w taki sposób, aby czekał na nadejście sygnałów wejściowych ze swoich źródeł (tj. oprogramowania do wyświetlania bodźców wizualnych dla sygnału słuchowego i wejścia analogowego dla wyzwalacza TMS).
    2. Połączenie i komunikacja między elektromagnetycznym systemem przechwytywania ruchu a oprogramowaniem do akwizycji danych opartym na przemiataniu
      1. Aby elektromagnetyczny system przechwytywania ruchu mógł w sposób ciągły generować dane, należy wygenerować wiersze kodu w pliku skryptu oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu, aby wysłać szereg poleceń do elektromagnetycznego przechwytywania ruchu za pośrednictwem połączenia szeregowego (polecenia te powinny znaleźć się w instrukcji systemu elektromagnetycznego przechwytywania ruchu). Polecenia te znajdują się w pliku skryptu do pobrania (script_file.sgs, patrz wiersze od 88 do 114 i od 635 do 650).
      2. Utwórz wiersze kodu, aby plik skryptu dodawał dane przechwytywania ruchu do każdego przebiegu próbnego. Następnie skrypt przekazuje dane przechwytywania ruchu przez połączenie szeregowe z komputera 1 do oprogramowania dostarczającego bodźce wizualne (PC 2) w celu kontrolowania pozycji kursora krzyżyka na monitorze komputera PC 2.
        UWAGA: Ta sekwencja zdarzeń pozwala elektromagnetycznemu przechwytywaniu ruchu na ciągłe generowanie danych ASCII, a następnie dane są odczytywane z linii szeregowej.
      3. Na końcu eksperymentu utwórz wiersze kodu, aby plik skryptu wysyłał polecenia wyłączania danych wyjściowych systemu elektromagnetycznego przechwytywania ruchu. W tym celu oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu powinno wysłać wiersze tekstu zawierające numer czujnika, po którym następuje sześć wartości współrzędnych (kody poleceń użyte w tej demonstracji można znaleźć na stronie script_file.sgs, w szczególności wiersze od 88 do 114 i od 653 do 658).
        UWAGA: Więcej informacji na temat tych poleceń można również znaleźć na stronie internetowej systemu elektromagnetycznego przechwytywania ruchu (sekcja 1.2.1.1).
        UWAGA: Przed wyodrębnieniem wartości liczbowych należy oczyścić ciąg znaku, ponieważ jeśli współrzędna była ujemna, może nie być oddzielona od poprzedniej liczby żadnymi znakami spacji.
    3. Oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu do komunikacji oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych
      1. Skonfiguruj trzy oddzielne kanały komunikacji między oprogramowaniem do akwizycji danych opartym na przemiataniu a oprogramowaniem do dostarczania bodźców wizualnych.
      2. Skonfiguruj dwie linie szeregowe używane do przesyłania danych tekstowych w obu kierunkach między komputerem PC 1 a komputerem 2. W tym celu podłącz szeregowy między komputerem PC 1 a komputerem PC 2 (każda linia szeregowa jest jednokierunkowa między każdym komputerem, Rysunek 1).
      3. Podłącz komputer 2 do skrzynki A/C. Aby to zrobić, utwórz lub kup, który ma port LPT na jednym końcu i męskie złącze BNC na drugim końcu. Podłącz port LPT do komputera PC 2 i podłącz złącze BNC do wejścia wyzwalającego w skrzynce A/D.
        UWAGA: To połączenie umożliwia linii przenoszenie impulsu generowanego przez port LPT1 w systemie oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych (tj. PC 2, rysunek 1) do wejścia wyzwalającego skrzynki A/C.
        UWAGA: Sygnał TTL zapewnia precyzyjny czas rozpoczęcia przemiatania akwizycji danych w synchronizacji z operacjami oprogramowania dostarczającego bodźce wizualne, podczas gdy linie szeregowe przesyłane dla wszystkich innych informacji.
        UWAGA: Upewnij się, że używasz rzeczywistych kart portów PCI-Express LPT i COM zainstalowanych na komputerze z oprogramowaniem do dostarczania bodźców wizualnych. Taka konfiguracja pozwala oprogramowaniu działać z powodzeniem i jest zdecydowanie zalecana. Komunikacja oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych, która odbywa się na niskim poziomie, aby uniknąć opóźnień, na ogół nie działa niezawodnie za pośrednictwem symulowanego sprzętu LPT i portu COM dostarczanego przez klucze USB.
      4. Ustaw wartości czasu trwania próby na 20 ms w pliku oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych, ponieważ wartości znacznie krótsze lub dłuższe niż 20 ms powodują problemy. Zasoby dotyczące sposobu przeprowadzenia tego procesu można znaleźć na następującej stronie internetowej: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Patrz wiersze od 39 do 46 w pliku scenariusza znajdującym się w dokumentach uzupełniających (plik scenariusza prezentacji).
        UWAGA: Ponieważ operacje oprogramowania dostarczającego bodźce wizualne są bardzo ściśle powiązane z generowaniem obrazu, a z naszego doświadczenia wynika, że komunikacja szeregowa nie zachowywała się zgodnie z oczekiwaniami, chyba że czas trwania próby ustawiony w funkcji próbnej był odpowiedni (tj. 20 ms).
      5. Tworzenie protokołów komunikacyjnych w celu przekazywania informacji między oprogramowaniem do akwizycji danych opartym na przemiataniu a oprogramowaniem do dostarczania bodźców wizualnych.
        UWAGA: W sekcjach od 1.2.3.7 do 1.2.3.11 opisano, w jaki sposób jest to realizowane. Zapoznaj się z zasobami dostarczonymi w krokach 1.2.1.1 i 1.2.3.5, aby uzyskać dalszą pomoc odpowiednio dla oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu i oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych.
      6. W przypadku oprogramowania do akwizycji danych opartego na zamiataniu do kierunku oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych, utwórz wiersze kodu w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na zamiataniu, aby wysłać dwie formy informacji: numery prób do rozpoczęcia i zakończenia próby oraz pozycje kursora krzyżyka. Oprogramowanie do akwizycji danych oparte na zamiataniu powinno wysyłać wszystkie informacje w postaci wierszy tekstu zakończonych znakiem nowego wiersza. Zobacz wiersze od 700 do 708 w pliku skryptu Signal, aby dowiedzieć się, jak to zostało wykonane.
      7. Aby oprogramowanie dostarczające bodźce wizualne rozróżniało dwa rodzaje informacji, ustaw początkowy znak na 0 lub 1, po którym następuje jedna lub dwie liczby zgodnie z typem informacji, przy czym wszystkie wartości są oddzielone spacjami. Oprogramowanie dostarczające bodźce wizualne nie będzie miało trudności z radzeniem sobie z tymi informacjami. Zobacz wiersze od 89 do 153 pliku scenariusza, aby zobaczyć, jak ta operacja została zakończona w oprogramowaniu do dostarczania bodźców wizualnych.
      8. W oprogramowaniu do dostarczania bodźców wizualnych do kierunku oprogramowania do akwizycji danych opartych na przemiataniu utwórz wiersze kodu z oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych, które wyprowadzają pojedyncze wartości całkowite, od 0 do 9, które mają być wysłane do oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu jako pojedyncze znaki ASCII od "0" do "9", po których następuje wysuw wiersza. Zobacz wiersze od 82 do 87 pliku scenariusza, aby określić, jak ta operacja jest wykonywana.
      9. Utwórz wiersze kodu w oprogramowaniu do dostarczania bodźców wizualnych, aby wysłać wartości 0 i 1 w celu zwrócenia informacji do systemu akwizycji danych opartego na zamiataniu dotyczących tego, czy uczestnik osiągnął pozycję docelową. Zobacz wiersze od 72 do 80 i od 154 do 220 w pliku scenariusza, aby określić, w jaki sposób ta operacja jest wykonywana.
      10. Utwórz wiersze kodu w oprogramowaniu do dostarczania bodźców wizualnych, aby wysłać informacje dotyczące komunikatu o zakończeniu badania (tj. czy cel został "trafiony", czy nie) do oprogramowania do akwizycji danych opartego na zamiataniu. Zobacz te same wiersze kodu w pliku scenariusza podanym w kroku 1.2.3.10.
    4. Sekwencja operacji w ramach badania
      1. Ustaw sekwencję badania w taki sposób, aby wykonanie badania było współdzielone przez oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu i oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych, przy czym oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu jest "odpowiedzialne" za ogólne sekwencjonowanie.
      2. Oprogramowanie do akwizycji danych oparte na zamiataniu przejmuje kontrolę nad sekwencjonowaniem eksperymentów, ponieważ oprogramowanie do akwizycji danych oparte na zamiataniu generuje rzeczywisty plik danych, który musi być opatrzony adnotacjami ze szczegółami badania, a zatem wymagana jest mniejsza komunikacja.
      3. Skonfiguruj skrypt w taki sposób, aby sekwencja operacji rozpoczynała się od oprogramowania do akwizycji danych opartego na zamiataniu, wybierając następne ustawienia próbne (pozycja docelowa i typ wyzwalacza TMS). Zobacz wiersze od 335 do 345 i odpowiadające im pętle opisane w tych wierszach w pliku skryptu, aby dowiedzieć się, jak wykonać te operacje.
        UWAGA: Pętle są również zawarte w pliku skryptu.
      4. Następnie oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu ustawia parametry w polu A/D kontrolujące typ wyzwalacza TMS i inne aspekty badania. W tym celu oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu inicjuje gromadzenie danych w taki sposób, że skrzynka analogowo-cyfrowa czeka na wyzwolenie przemiatania z oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych i powiadamia oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych przez linię szeregową o użytej liczbie docelowej (od 1 do 7), co powoduje, że oprogramowanie dostarczające bodźce wizualne rozpoczyna próbę (tj. za pomocą impulsu TTL). Zobacz wiersze od 180 do 303 skryptu sygnału, aby dowiedzieć się, jak wykonać tę operację.
      5. Po wykonaniu wyżej wymienionego kroku, oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu powinno poczekać na zakończenie zbierania danych przez skrzynkę A/D i dołączyć wszelkie dane o pozycji, które otrzyma z elektromagnetycznego systemu przechwytywania ruchu, do próbkowanych danych. Zobacz wiersze od 117 do 178 i od 661 do 697 pliku skryptu, aby uzyskać informacje o tym, jak wykonać tę operację.
      6. Skonfiguruj oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych, aby monitorować pozycję kursora celownika kontrolowanego przez obiekt. Skonfiguruj oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych, aby przesunąć cel do określonej pozycji i wygenerować impuls TTL na porcie LPT1 po tym, jak kursor znajdzie się w pozycji wyjściowej przez określony czas (zdefiniowany w oprogramowaniu do dostarczania bodźców wizualnych). Zobacz wiersze od 89 do 232 w pliku scenariusza, aby dowiedzieć się, jak wykonać ten krok.
      7. Utwórz wiersze kodu, które sprawią, że oprogramowanie dostarczające bodźce wizualne wyśle impuls TTL, aby wyzwolić akwizycję danych z modułu A/D, a tym samym rozpocząć synchronizację czasu próby w skrzynce A/D. Zobacz wiersze od 222 do 232 pliku scenariusza, aby dowiedzieć się, jak wykonać ten krok.
      8. W tym samym czasie plik scenariusza oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych rozpocznie opóźnienie, po którym przesunie cel do określonej pozycji i rozpocznie monitorowanie kursora celownika, aby obserwować, czy "uderza" w cel (tj. pozostaje na celu przez określony czas). Skonfiguruj oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych w taki sposób, aby kontynuowało monitorowanie pozycji kursora krzyża nitkowego do momentu, gdy oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu poinformuje oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych o zakończeniu próby.
        UWAGA: Te operacje znajdują się w tym samym wierszu kodu w pliku scenariusza podanym w krokach 1.2.4.6 i 1.2.4.7.
      9. W polu A/D utwórz opóźnienie czasowe. Przez określony czas, aż do końca opóźnienia, poproś oprogramowanie o monitorowanie dwóch sygnałów EMG (UWAGA: mogą to być dowolne sygnały analogowe), aby sprawdzić, czy mają one niską amplitudę (ta wartość amplitudy jest zdefiniowana przez użytkownika). Autorzy zalecają amplitudę EMG +/- 100 μV lub ~1% maksymalnej dobrowolnej aktywacji uczestników. Zobacz wiersze od 45 do 75 w pliku sekwencera, aby zakończyć tę operację.
      10. Utwórz linie kodu, które sprawią, że początek tego spokojnego okresu monitorowania EMG zostanie oznaczony cyfrowym znacznikiem wygenerowanym przez pole A/D z kodem 1. Ponadto, jeśli zostanie wykryty "niecichy" sygnał EMG, nie należy dopuszczać do generowania dalszych wyjść A/D (np. sygnału dźwiękowego lub wyzwalacza TMS) podczas próby. Ustaw polecenie w oprogramowaniu w taki sposób, aby w przypadku "niecichego" sygnału EMG próba była powtarzana. Zobacz wiersze wymienione w kroku 1.2.4.9 oraz wiersze od 118 do 124 pliku sekwencera i wiersze od 347 do 420 pliku skryptu dla tych operacji.
      11. Pod koniec opóźnienia i po zarejestrowaniu cichych sygnałów EMG, niech skrzynka A/D wygeneruje impuls wyjściowy DAC 0 (w tej konfiguracji wyjście DAC powoduje słyszalny sygnał dźwiękowy). Niech cyfrowy punkt danych wygenerowany przez skrzynkę A/D oznaczy godzinę rozpoczęcia "sygnału dźwiękowego" za pomocą "kodu 2" Zobacz wiersze od 126 do 138 pliku sekwencera, aby zrozumieć, jak zakończyć tę operację.
      12. Skonfiguruj skrypt w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na przemiataniu, aby skrzynka A/D monitorowała czas przemiatania i sygnały przychodzące oraz generowała wyzwalacz TMS na podstawie odpowiednich kryteriów. Utwórz wiersze kodu w taki sposób, aby cyfrowy punkt danych "kod 3" oznaczał czas tego wyzwalacza TMS (jeśli wystąpi). Zobacz wiersze od 77 do 116 pliku sekwencera, aby dowiedzieć się, jak wykonać tę operację.
      13. Okres oczekiwania, dla odpowiednich warunków wyzwalania, powinien być kontynuowany do określonego okresu przed zakończeniem przemiatania.
        UWAGA: Zapobiega to sytuacji, w której próba może się powtarzać w nieskończoność, jeśli kryterium nie jest spełnione. Zobacz wiersze od 65 do 76 i od 118 do 138 w pliku sekwencera, aby zrozumieć, jak wykonać tę operację.
      14. Skonfiguruj oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu, aby wykryć zakończenie zbierania danych ze skrzynki A/D i powiadomić oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych, że badanie zostało zakończone. Zobacz wiersze od 180 do 303 pliku skryptu, aby dowiedzieć się, jak wykonać ten krok.
      15. Gdy oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych zostanie powiadomione o zakończeniu badania, oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych powinno przywrócić cel do pozycji wyjściowej i wysłać informacje do oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu, dotyczące tego, czy uczestnik "uderzył" w cel. Poproś oprogramowanie do akwizycji danych oparte na zamiataniu "oznaczyło" nowo próbkowaną klatkę danych, jeśli uczestnik nie "trafił" w cel. Zobacz wiersze od 89 do 221 pliku scenariusza, aby dowiedzieć się, jak wykonać tę operację.
      16. Skonfiguruj skrypt w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na zamiataniu, aby czekał na opóźnienie po próbie, a na końcu tego opóźnienia proces powrócił do kroku 1 i odrzucił próbkowane dane i powtórzył ostatnią próbę, jeśli oprogramowanie do akwizycji danych oparte na zamiataniu nie uruchomiło TMS, lub przejdź do następnej próby, jeśli wszystko było "w porządku". Zobacz wiersze od 180 do 303 i odpowiadające im pętle w pliku skryptu, aby dowiedzieć się, jak wykonać tę operację.
        UWAGA: Oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu i oprogramowanie do dostarczania bodźców wizualnych wykorzystywały maszyny stanowe do kontrolowania niezbędnej sekwencji operacji, ponieważ pozwalało to na łatwe dostosowanie zachowania eksperymentalnego w razie potrzeby.
  3. Umieść czujniki na kostnych punktach orientacyjnych, aby uzyskać dane dotyczące przechwytywania ruchu. Aby zebrać dane dotyczące postawy ramienia, umieść czujniki na tułowiu (wcięcie nadmostkowe), ramieniu (wyrostek barkowy), łokciu (8 mm wyżej od nadkłykcia bocznego) i nadgarstku (między kością półksiężycowatą i główkowatą na grzbiecie dłoni i w linii z 3. cyfrą), zgodnie z zaleceniami dotyczącymi śledzenia stawowych środków rotacji za pomocą minimalnych czujników. 10

figure-protocol-1
Rysunek 1. Konfiguracja sprzętu. Aby umożliwić przesyłanie danych elektromagnetycznego przechwytywania ruchu do oprogramowania do akwizycji danych opartego na przemiataniu i oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych, najpierw zmontuj 4 czujniki elektromagnetyczne z konsolą systemu. Podłącz konsolę systemu do komputera PC 1 za pomocą 9-pinowego szeregowego. Podłącz komputer 1 do komputera 2 za pomocą 9-pinowego szeregowego. Aby umożliwić dostarczanie TMS, podłącz komputer PC 1 do skrzynki A/D za pomocą USB i podłącz BNC między skrzynką A/D a jednostką TMS. Aby umożliwić rejestrację EMG, podłącz przewody EMG do wzmacniacza EMG i podłącz wzmacniacz EMG do skrzynki A/D za pomocą BNC. Podłącz elektrogoniometr (Elgon) do skrzynki A/D za pomocą BNC, aby rejestrować zmiany kąta połączenia online. Aby oprogramowanie dostarczające bodźce wizualne mogło uruchomić próbę, podłącz PC 2 do wejścia wyzwalającego skrzynki A/D za pomocą z portem LPT do BNC. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Łączność sprzętowa podczas eksperymentu (rysunek 1)
    1. Podłącz elektromagnetyczny system przechwytywania ruchu do komputera z oprogramowaniem do akwizycji danych opartym na przemiataniu za pomocą 9-pinowych szeregowych.
    2. Niech skrzynka akwizycji danych koordynuje dostarczanie TMS i rejestrowanie danych przechwytywania ruchu itp. Odbywa się to za pomocą wszystkich wyżej wymienionych operacji zawartych w plikach skryptu i sekwencera. Podłącz skrzynkę A/D za pomocą USB do komputera 1 i BNC do równoległego z wejścia wyzwalającego skrzynki A/D do komputera 2.
    3. Podłącz przewody EMG do filtra EMG (pasmo przepustowe ustawione na 20 i 2,500 Hz) i wzmacniacza (wzmocnienie x1,000) w celu zbierania aktywności EMG i wyjścia korowo-rdzeniowego mierzonego jako potencjały wywołane silnika (MEP).
    4. Podłącz monofazowy przezczaszkowy stymulator magnetyczny do odpowiednich wyjść cyfrowych skrzynki akwizycji danych (wyjście cyfrowe "0" w tym eksperymencie), aby umożliwić oprogramowaniu do akwizycji danych opartemu na przemiataniu na PC1 wyzwolenie impulsów TMS podczas eksperymentu.
    5. Podłącz elektrogoniometr do skrzynki akwizycji danych na kanale analogowym 2. To połączenie pozwala oprogramowaniu do akwizycji danych opartemu na zamiataniu na wyzwalanie TMS na podstawie kąta ramion przy użyciu oprogramowania dostarczonego przez autorów.
    6. Zbuduj lub kup urządzenie usztywniające ramię, które podtrzymuje ramię przed grawitacją. Urządzenie to pozwala na ruchy płaszczyznowe w płaszczyźnie poziomej (patrz rysunek 2). W przypadku budowy urządzenia, przykładowy rysunek jest dostępny na życzenie u autora korespondencyjnego. Rysunek 2 przedstawia zdjęcie urządzenia użytego w demonstracji.

figure-protocol-2
Rysunek 2. Urządzenie usztywniające ramię. Na zdjęciu uczestnik umieszczony jest w urządzeniu usztywniającym ramię, podczas gdy cewka TMS jest umieszczona na skórze głowy uczestnika. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Konfiguracja eksperymentu

  1. Miary antropometryczne
    1. Zapisz całkowitą masę ciała uczestnika za pomocą skali.
    2. Zmierz długość wszystkich segmentów do analizy kinematycznej i kinetycznej. Na przykład w tym zastosowaniu za pomocą ramienia zmierz długość dłoni, przedramienia i ramienia za pomocą taśmy mierniczej.
    3. Oblicz miary antropometryczne, takie jak środek masy segmentu, położenie środka masy segmentu i promień bezwładności, korzystając z równań z literatury naukowej. 9,12,13 (zob. informacje uzupełniające 1).
  2. Konfiguracja EMG
    1. Przygotuj skórę nad interesującymi Cię mięśniami za pomocą lekkiego żelu ściernego i wytrzyj do czysta alkoholem. Sprawdź impedancję za pomocą miernika impedancji. Upewnij się, że impedancja elektrody skóra jest niższa niż 10 kΩ, aby poprawić akwizycję sygnału EMG.
    2. Umieść dwie elektrody nad brzuchem mięśniowym interesujących nas mięśni w montażu bipolarnym. Autorzy kierują czytelnika do zasobów, które mogą pomóc w umieszczeniu EMG. 2 W tym eksperymencie umieść elektrody nad mięśniem dwugłowym ramienia, tricepsem brachii, mięśniem piersiowym większym, tylnym naramiennikiem i ramienniowo-promieniowym.
    3. Za pomocą BNC podłącz wyjścia wzmacniacza EMG do kanałów analogowych 0, 1, 3, 4 i 5 (w tym konkretnym eksperymencie kanałów powiązanych z kanałami używanymi w skryptach do pobrania) na skrzynce A/D.
  3. Tms
    1. Skalibruj cewkę TMS do uczestnika za pomocą oprogramowania do neuronawigacji, zgodnie z opisem w instrukcji oprogramowania.
      UWAGA: Inne metody mogą być użyte do kalibracji położenia cewki do skóry głowy osoby, ale zaleca się użycie oprogramowania do neuronawigacji.
    2. Zlokalizuj hotspot silnika. Jako lokalizację początkową umieść cewkę na przeciwległej półkuli badanego ramienia/dłoni i 5 cm w bok od wierzchołka, aby uzyskać przybliżoną lokalizację obszaru dłoni/ramienia pierwszorzędowej kory ruchowej. Zlokalizuj wierzchołek za pomocą międzynarodowego systemu umieszczania elektrod elektroencefalograficznych International 10-20.
    3. Umieść cewkę TMS płasko na głowie uczestnika i ustaw cewkę tak, aby znajdowała się pod kątem 45° w stosunku do płaszczyzny strzałkowej. To ustawienie wywoła boczno-tylny do środkowo-przedniego prąd monofazowy w korze.
    4. Zaczynając od ~ 30% maksymalnej mocy wyjściowej stymulatora (MSO), dostarczaj impulsy TMS z interwałem między bodźcami wynoszącym 6 sekund lub większym, zgodnie z opisem w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na przemiataniu.
    5. Przesuń cewkę TMS w nieco inne miejsca z niewielkimi zmianami orientacji, aż zaobserwuje się MEP w mięśniu będącym przedmiotem zainteresowania.
    6. Określ MSO, które daje MEP ~ 1 mV w mięśniu docelowym. Użyj oprogramowania do neuronawigacji, aby cyfrowo zarejestrować tę lokalizację. Powtórz tę procedurę dla każdego mięśnia, dla którego w eksperymencie wymagany jest punkt zapalny motoryczny.
    7. Określ spoczynkowy próg motoryczny (RMT), zaczynając od intensywności, która wytwarza najbardziej niezawodny MEP ~1 mV w mięśniu będącym przedmiotem zainteresowania, dostarczając pojedyncze impulsy TMS i rejestrując w trybie online amplitudę od szczytu do piku MEP.
    8. Określ MSO, przy czym amplituda międzyszczytowa MEP wynosi ≥ 50 μV w 5 z 10 kolejnych prób. 3,11
      UWAGA: Aby zachować spójność z poprzednią literaturą,1,3 upewnij się, że MEP jest nagrany z monopolarnego montażu EMG.
  4. Badania eksperymentalne
    1. Rozpocznij eksperyment, uruchamiając najpierw program do dostarczania bodźców wizualnych (tj. plik scenariusza). Uruchomienie oprogramowania do dostarczania bodźców wizualnych pozwala oprogramowaniu na rozpoczęcie odczytu danych elektromagnetycznego przechwytywania ruchu i umożliwia jednemu czujnikowi przechwytywania ruchu sterowanie kursorem na ekranie.
    2. Uruchom "plik skryptu" dla prób eksperymentalnych w oprogramowaniu do akwizycji danych opartym na przeglądzie. Ten plik skryptu wczytuje się w "pliku sekwencera", który dostarcza zewnętrzne wyzwalacze w oparciu o typ próby.
    3. Wprowadź żądane informacje w oknie dialogowym konfiguracji, które zostanie otwarte. Kroki od 2.4.4 do 2.4.11 odnoszą się do okna dialogowego konfiguracji.
    4. Wprowadź wartość "1" w polu "zestawy bodźców w bloku randomizacji". Ta wartość określa, ile razy typ próby jest wykonywany w bloku.
    5. Wpisz wartość "20" w polu "bloki randomizacji w eksperymencie". Ta wartość określa liczbę bloków, które zostaną wykonane w eksperymencie.
    6. Wprowadź wartość "20" w polu "czas trwania impulsu dźwiękowego". Ta wartość kontroluje czas wyjścia DAC, a tym samym, jak długo impuls dźwiękowy jest "włączony".
      UWAGA: Zmodyfikuj tę wartość, aby zwiększyć długość trwania tonu dźwiękowego.
    7. Wprowadź wartość "5" w polu "amplituda impulsu dźwiękowego". Wartość ta kontroluje amplitudę w woltach wyjścia przetwornika cyfrowo-analogowego, a tym samym "głośność" impulsu dźwiękowego.
    8. Wprowadź wartość "100" w polu "czasowe opóźnienie wyzwalania po sygnale dźwiękowym". Wartość ta określa odstęp w ms między sygnałem dźwiękowym "go" a wyjściem cyfrowym (tj. wyzwalaczem TMS 1).
    9. Wprowadź wartość "0,1" w polu "Poziom progu wyzwalania EMG". Wartość ta określa amplitudę EMG w woltach wymaganą do wyzwolenia wyjścia cyfrowego (tj. wyzwalacza TMS 2). Pomiary te podjęto w odniesieniu do nierektyfikowanych sygnałów EMG.
    10. Wprowadź wartość "0,242" w polu "Poziom progu wyzwalania kąta". Wartość ta określa wartość progową w woltach odczytaną z elektrogoniometru w celu wyzwolenia wyjścia cyfrowego (tj. wyzwalacz TMS 3).
      UWAGA: Ta wartość zależy od kalibracji elektrogoniometru. Użytkownik powinien wprowadzić tę wartość napięcia, która odpowiada progowi kąta połączenia, który wywoła impuls TMS.
    11. Wprowadź wartość "1" (tj. 1 sekunda) w polu "opóźnienie po procesie". Ta wartość określa interwał między próbami.
      UWAGA: Więcej informacji na temat każdej funkcji można znaleźć w skrypcie lub na prośbę autorów.
    12. Uruchom skrypt, gdy wszystko będzie gotowe w odniesieniu do uczestnika, TMS i programu do wyświetlania bodźców wizualnych.
    13. Po wykonaniu tego kroku obserwuj, jak oprogramowanie działa samodzielnie, bez żadnego/lub z minimalnym wkładem użytkownika.
      UWAGA: Przykładowa próba rozpoczyna się od umieszczenia kursora przez uczestnika w miejscu docelowym pozycji wyjściowej. Pojawia się nowa wizualna pozycja celu, a uczestnik przechodzi do tego celu, po dostarczeniu dźwiękowej wskazówki "go" przez wyjście cyfrowo-analogowe na skrzynce akwizycji danych.
    14. Po dostarczeniu sygnału poproś uczestników, aby przesunęli kursor na cel. Po osiągnięciu pozycji docelowej za pomocą kursora, obserwuj pozycję wyjściową i rozpocznij następną próbę, umieszczając kursor z powrotem w pozycji wyjściowej.
      UWAGA: Oto przykład TMS wyzwalanego przez skrypt. Upewnij się, że dana osoba znajduje się w swojej pozycji domowej. Obserwuj wizualną pozycję celu i poinstruuj uczestnika, aby przesunął kursor na ten cel. Uruchom TMS po 100 ms, podążając za sygnałem dźwiękowym "go". Osoba utrzymuje klątwę w pozycji docelowej przez 1 sekundę. Następnie osoba wraca do pozycji wyjściowej w oczekiwaniu na następną próbę.
    15. Upewnij się, że kursor znajduje się w pozycji wyjściowej. Obserwuj wizualną pozycję celu i poinstruuj uczestnika, aby przesunął kursor do pozycji docelowej. Uruchom TMS po 100 ms, podążając za sygnałem dźwiękowym "go". Poinstruuj osobę, aby trzymała kursor w pozycji docelowej przez 1 sekundę. Poproś osobę, aby cofnęła kursor do pozycji wyjściowej w oczekiwaniu na następną próbę.
      UWAGA: W tym przykładzie sygnał analogowy wyzwala TMS. W szczególności w tym przykładzie EMG wyzwala impuls TMS. Eksperyment ma 21 warunków: 7 warunków docelowych x 3 różne punkty czasowe, w których wyzwalany jest impuls TMS (tj. wyzwalacz 1, wyzwalacz 2, wyzwalacz 3). W tym przykładzie impulsy TMS są wyzwalane na podstawie zdarzeń cyfrowych lub zewnętrznych zdarzeń wyzwalających analogowych, takich jak wejście EMG lub elektrogoniometru. Te cyfrowe lub analogowe zdarzenia mogą być modyfikowane przez użytkownika poprzez zmianę sekwencji i plików skryptów. Przybliżony całkowity czas trwania eksperymentu to od 3 do 4 godzin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Rysunek 3 przedstawia wyniki pojedynczego badania. W tym badaniu rycina 3A pokazuje początkową pozycję uczestnika, a po dźwiękowej wskazówce "go" uczestnik poruszał się tak szybko i dokładnie, jak to możliwe, do celu (tj. pozycji końcowej). Oprogramowanie do akwizycji danych oparte na przemiataniu wyzwalało impuls TMS na podstawie początku EMG w mięśniu dwugłowym ramienia. Pozwoliło to na ocenę miary wydatku korowo-rdzeniowego skierowanego do mię...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Niniejszy manuskrypt szczegółowo opisuje innowacyjną metodę integracji TMS i systemów przechwytywania ruchu w kontekście zadania wzrokowo-motorycznego. Aby dokonać szybkich i znaczących postępów w badaniach nad kontrolą motoryczną człowieka, niezbędne jest, aby metodologie umożliwiały precyzyjną komunikację między wieloma systemami sprzętowymi i programowymi. Przedstawiony paradygmat może być wykorzystany do badania różnych zainteresowań badawczych, w tym wkładu kory mózgowej w uczenie się motoryczne, neurofizjologii k...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Autorzy dziękują AJN za dofinansowanie z Rady Nauk Przyrodniczych i Inżynierii.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Polhemus FASTRAKPolhemus Inc.Elektromagnetyczne urządzenie do śledzenia ruchu o 6 stopniach swobody z 4 czujnikami
PrezentacjaNeurobehavioural Systems Inc.W pełni programowalne oprogramowanie do eksperymentów obejmujących gromadzenie danych i dostarczanie bodźców
które Cutom zbudował Exoskeleton80/20 Inc. - Przemysłowy zestaw montażowyRóżni sięRóżne części używane do budowy egzoszkieletu
BrainsightRogue Research Inc.Oprogramowanie do neuronawigacji do śledzenia pozycji cewki przez cały czas trwania eksperymentu
,

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Transcranial Magnetic StimulationMotor Evoked PotentialElectromyography SignalMotion Tracking SystemCorticospinal OutputUpper Limb MovementJoint Angle AnalysisKinematic Kinetic AnalysisData Acquisition IntegrationNeuromotor Control Study

Related Articles