Wielofunkcyjny zestaw do badania kontroli motorycznej człowieka za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej, elektromiografii, przechwytywania ruchu i rzeczywistości wirtualnej

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest przedstawienie uogólnionej techniki synchronizacji wielu strumieni danych rejestrowanych podczas badań biomechanicznych człowieka. Osiąga się to poprzez wykorzystanie sygnałów elektromiograficznych i systemów przechwytywania ruchu do wygenerowania analogowego zdarzenia synchronizującego, które może być niezależnie rejestrowane przez dwa lub więcej systemów. W drugim kroku można zaprojektować proste komponenty obwodów, które przekształcą to zdarzenie w sygnały odpowiednie dla każdego urządzenia rejestrującego.

Następnie należy użyć oprogramowania analitycznego, aby tymczasowo dopasować zdarzenia synchronizacyjne w niezależnie zarejestrowanych sygnałach w celu zsynchronizowania wszystkich sygnałów. Wyniki pokazują, że kilka sygnałów biomechanicznych można tymczasowo dopasować w ramach częstotliwości próbkowania poszczególnych systemów rejestracji danych, co umożliwia zgromadzenie bogatego zestawu danych eksperymentalnych dotyczących naturalnego ruchu człowieka w celu badania kontroli nerwowo-mięśniowej. W dziedzinie kontroli motorycznej i biomechaniki istnieje wiele złożonych pytań, na które najlepiej odpowiedzieć, badając naturalny ruch człowieka w warunkach laboratoryjnych.

W niniejszym opracowaniu opisujemy metodę wykorzystania rzeczywistości wirtualnej do definiowania zadań behawioralnych, podczas których jednocześnie rejestrowanych jest kilka sygnałów fizjologicznych. Przewagą eksperymentalnego układu opartego na rzeczywistości wirtualnej nad istniejącymi metodami, takimi jak sprzętowe stanowiska behawioralne, jest możliwość bardzo szybkiego dostosowania go do różnych eksperymentów, a także do unikalnej anatomii poszczególnych uczestników. Podczas eksperymentów behawioralnych powszechną praktyką jest jednoczesna rejestracja wielu sygnałów kwantyfikujących zachowanie, takich jak elektromiografia i analiza ruchu.

Nasza metoda rozwiązuje problem wyrównania czasowego tych sygnałów poprzez zastosowanie niestandardowej jednostki synchronizacji, która jest kompatybilna z urządzeniami wielu producentów. Rozpocznij od wykonania wszystkich niezbędnych połączeń elektrycznych pomiędzy urządzeniami EMG, w tym wzmacniaczami, przedwzmacniaczami, przewodami czujników i elektrodami, zgodnie ze specyfikacją producenta. Oczyść każde miejsce aplikacji elektrody, aby zapewnić stałe i niskie wartości impedancji między elektrodą a skórą.

Następnie poproś badanego o wykonanie skurczów izometrycznych poszczególnych mięśni, którymi interesujemy się w badaniu, i przytwierdź elektrody EMG nad wyczuwanym miejscem skurczu mięśnia. Pamiętaj o orientacji aktywnych powierzchni elektrod wzdłuż włókien mięśniowych. Przytwierdź elektrodę uziemiającą do skóry nad kręgiem C7.

Następnie, aby sprawdzić jakość sygnału, obejrzyj wzmocnione sygnały EMG na komputerze, podczas gdy badany napina każdy z analizowanych mięśni. Na koniec zmniejsz wzmocnienie, jeśli sygnały EMG ulegają nasyceniu podczas skurczów mięśni wymaganych do wykonania zadania behawioralnego. Rozpocznij od kalibracji kamer do śledzenia ruchu zgodnie z instrukcjami producenta.

Przyklej aktywne czujniki LED do punktów kostnych w pobliżu stawów ramion oraz do innych interesujących punktów anatomicznych, takich jak okolice palca, nadgarstka, barku i klatki piersiowej. Przymocuj kolejny czujnik LED do gogli wirtualnej rzeczywistości (VR), aby ustawić punkt widzenia w środowisku wirtualnym. Następnie podłącz każdą diodę LED do wiązki przewodów podłączonej do bezprzewodowego modułu sterującego.

Włącz urządzenie sterujące i upewnij się, że wszystkie diody LED świecą prawidłowo. Na koniec umieść synchronizacyjną diodę LED w miejscu oddalonym od badanego, ale w zasięgu widoczności kamer do przechwytywania ruchu. Najpierw skalibruj urządzenie i oprogramowanie do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS), aby umożliwić precyzyjne umieszczenie cewki.

Aby to osiągnąć, należy przeprowadzić korejestrację cewek TMS z punktami anatomicznymi, takimi jak punkty przeduszne NAS i czubek nosa, używając wskaźnika kalibracyjnego. Następnie należy zastosować techniki lokalizacji punktu najsilniejszej odpowiedzi (hotspot), aby zidentyfikować w korze obszary wrażliwe na stymulację TMS, które generują największą amplitudę potencjałów wywołanych ruchowo (MEP).

Przy najniższej amplitudzie stymulacji odnotuj lokalizację optymalnego punktu stymulacji na skórze głowy badanego, korzystając z skalibrowanego sprzętu i oprogramowania do rejestracji stereotaktycznej. Na koniec zmierz próg badanego, obniżając amplitudę stymulacji w wybranym miejscu, aż do momentu, gdy meps o wartości co najmniej 50 microvolts będą wywoływane w 50% przypadków. W pierwszej kolejności przygotuj środowisko VR do zadania behawioralnego zgodnie z protokołem producenta.

Użyj komercyjnego oprogramowania VR kompatybilnego z zestawem gogli oraz programem systemu śledzenia ruchu. Wyjścia cyfrowe przez port równoległy służą do synchronizacji i znakowania konkretnych zdarzeń będących przedmiotem analizy. Podłącz wyjście VR do obwodu synchronizacji oraz do pozostałego sprzętu wymagającego synchronizacji, używając kabli z odpowiednimi złączami.

Poinformuj badanego o wymaganiach dotyczących zadania, które będzie wykonywać w rzeczywistości wirtualnej (VR). Poproś badanego o wskazywanie sferycznych celów w momencie, gdy pojawią się one w jego polu widzenia. Gdy badany zrozumie zadanie i będzie miał możliwość jego przećwiczenia, rozpocznij nagrywanie danych z EMG i systemu przechwytywania ruchu oraz sygnałów synchronizacyjnych podczas jednej próbnej synchronizacji w VR.

Oprogramowanie uruchamia sprzęt EMG w celu rejestracji sygnałów obrazujących aktywność nerwowo-mięśniową, która wystąpiła podczas ruchów kończyny górnej. Uruchamia ono również system przechwytywania ruchu w celu rejestracji ciągłych danych o ruchu. Sygnał ten może być wykorzystany do synchronizacji danych z EMG oraz systemu przechwytywania ruchu.

Przedstawiono średnią kinematykę i dynamikę kątową oraz powiązaną z nimi ciągłą i chwilową aktywność nerwowo-mięśniową z 24 prób dla pojedynczego zadania. Te wielowymiarowe zestawy danych dostarczone przez rzeczywistość wirtualną umożliwią badaczom analizę specyficznych mechanizmów sterowania ruchem u ludzi. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś posiadać ogólną wiedzę na temat synchronizacji wielu strumieni danych, które mogą być rejestrowane podczas eksperymentów z ruchem człowieka, takich jak EMG i analiza ruchu. Procedura ta może zostać rozszerzona o dodatkowe systemy, takie jak elektroencefalografia.

Ponadto stymulacja elektryczna nerwów obwodowych może być wykorzystana do oceny wkładu sprzężenia zwrotnego sensorycznego w kontrolę motoryczną po jej wykształceniu. Technika ta utorowała drogą neurologom do badania zmian w ruchu kontrolowanym neuronalnie u osób z zaburzeniami ruchowymi, takimi jak udar lub uszkodzenie rdzenia kręgowego.