Method Article

Combinando Múltiplos Sistemas de Aquisição de Dados para o Estudo de saída Corticospinal e Multi-segmento Biomecânica

DOI:

10.3791/53492

⸱

January 9th, 2016

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

In This Article

Summary

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

O uso da estimulação magnética transcraniana (EMT) para estudar o controle motor humano requer a integração de sistemas de aquisição de dados para controlar a entrega da EMT e, simultaneamente, registrar o comportamento humano. O presente manuscrito fornece uma metodologia detalhada para a integração de sistemas de aquisição de dados com o objetivo de investigar o movimento humano via TMS.

Abstract

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

As técnicas de estimulação magnética transcraniana permitem uma investigação aprofundada dos mecanismos neurais que sustentam o comportamento humano. Até o momento, o uso do TMS para estudar o movimento humano tem sido limitado pelos desafios relacionados ao tempo preciso da entrega do TMS às características do movimento de desdobramento e, também, pela caracterização precisa da cinemática e cinética. Para superar esses desafios técnicos, os sistemas de entrega e aquisição de TMS devem ser integrados a um sistema de rastreamento de movimento online. O presente manuscrito detalha inovações técnicas que integram vários sistemas de aquisição para facilitar e avançar o uso da EMT para estudar o movimento humano. Usando sistemas de software e hardware disponíveis comercialmente, é fornecida uma abordagem passo a passo para a montagem do hardware e os scripts de software necessários para realizar estudos TMS acionados por características específicas de um movimento. A abordagem é focada no estudo dos movimentos de alcance dos membros superiores, planares e multiarticulares. No entanto, o mesmo sistema integrativo é passível de uma infinidade de estudos sofisticados de controle motor humano.

Introduction

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

A estimulação magnética transcraniana (TMS) é um método não invasivo para estimular o córtex humano. 3,5 Existem vários protocolos de TMS que são utilizados para compreender a função cortical, como pulsos simples e múltipla, a estimulação bi-sítio para sondar conectividade funcional, e impulsos repetidos para promover a plasticidade neural. 4,6-8 protocolos TMS também podem ser combinados para fazer avançar a compreensão atual de processos corticais humanos e orientar estratégias de reabilitação neurais. Para além de estimular o córtex, TMS também pode ser utilizada para compreender a função de sub-cortical através da estimulação do trato corticoespinhal ou cerebelo.

Um dos maiores desafios técnicos que enfrentam atualmente pesquisa TMS é a capacidade de estudar o papel das áreas corticais durante meta-dirigida movimento voluntário em humanos. Várias considerações contribuir para este desafio técnico. Em primeiro lugar, a entrega TMS deve ser combinado com o movimento em tempo real humano capture. Deste modo, impulsos de TMS pode ser entregue ou desencadeada por recursos dentro de uma sequência de movimentos de uma abordagem de bloqueio de tempo para estudar o movimento complexo. Em segundo lugar, integrando a prestação de TMS e captura de movimento permite uma caracterização detalhada de complexo movimento que se desenrola, o que irá fazer avançar a compreensão das relações cérebro-comportamento que sustentam o controle motor. Actualmente, não existem sistemas disponíveis no mercado que integram inclusive metodologias TMS e de captura de movimento. Para os neurocientistas no domínio do controlo do motor, esse vazio normalmente se traduz em demorado, desafios técnicos para integrar múltiplos sistemas de software e hardware de aquisição de dados e de entrega. Esta limitação técnica também resultou em investigação esparso dedicada ao estudo de movimentos articulares dinâmicas envolvendo o membro superior. Para TMS para avançar no campo do controle motor humano, é imperativo que a função cortical ser sondado durante o movimento humano complexo.

Para integrar efetivamente metodologias TMS e de captura de movimento, o sistema de aquisição deve permitir TMS simultânea em tempo real e captura de movimento. Em segundo lugar, o sistema deve ser apropriado para estudar a cinemática do movimento (isto é., A descrição do movimento), a cinética de circulação (isto é., Força que causa o movimento), e a actividade muscular. Em terceiro lugar, o sistema deve ser capaz de sincronizar pulsos TMS destas características de movimento, e ser acionado por critérios com base em características de movimento complexo. Tal sistema irá fornecer uma ligação essencial entre a função cortical e cinemática e cinética do movimento.

Este manuscrito detalha uma abordagem única para integrar métodos de TMS e captura de movimento. Esta abordagem permite a análise detalhada da mecânica dos movimentos multi-articulares complexas, e permite o controle de pulsos TMS desencadeadas por características específicas do movimento (ie, cinemática, cinética, ou a atividade muscular) automatizado. Além disso, esta acq dadosuisition sistema permite a TMS e captura de movimentos para ser integrado com paradigmas experimentais que requerem viso-motoras ou sensório-motoras tarefas. Este manuscrito detalha uma abordagem inovadora para integrar sistemas de hardware e software de captura de movimento comumente usados ​​para o propósito de combinar TMS e aquisição de movimento humano e análise. Os dados são apresentados usando um estudo de amostra de funcionamento cortical humano durante o movimento multi-joint planar. Os scripts de software necessários para realizar o experimento estão disponíveis para download.

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Protocol

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

NOTA: O protocolo seguinte pode ser aplicado a uma variedade de experiências. Abaixo estão os detalhes sobre um experimento que envolve um braço alcançando tarefa visualmente guiada a um dos seis alvos espaciais exibidas em um monitor de computador. TMS, para sondar a excitabilidade corticoespinhal, é desencadeada por qualquer sinais analógicos resultantes do movimento (ou seja, EMG ou entrada eletrogoniometro) ou sinais digitais gerados a partir do software de aquisição de dados à base de raspagem. Este estudo foi aprovado pelo Conselho de Ética em Pesquisa McMaster, em conformidade com a Declaração de Helsinki. Um conjunto de dados de exemplo é fornecido.

Requisitos 1. Hardware / software

NOTA: A Figura 1 mostra uma representação esquemática dos requisitos de hardware para integrar sistemas de TMS e de captura de movimento no âmbito de uma experiência de viso-motor controlado por computador.

  1. Equipar dois computadores de mesa com portas seriais e paralelas (se já não estiver disponível). Equipar um PC (Figura 1) com software de aquisição de dados à base de varredura, e PC 2, com um programa de software Visual entrega estímulo.
  2. Operações de software
    1. Interno Analógico / Digital Box (A Caixa / D) Operations
      NOTA: As seguintes operações de fornecer informações aos leitores se eles gostariam de criar um programa de software similar si. Estes passos não são essenciais para a realização do experimento, como a experiência pode simplesmente usar o software fornecido pelos autores, mas as diretrizes são fornecidos para permitir que os usuários criem seus próprios softwares.
      1. Crie um arquivo de seqüenciador dentro do software de aquisição de dados baseados em varredura (consulte 'arquivo seqüenciador' exemplo (em Informações Suplementares 2) a ser executado no PC 1.
        NOTA: Um exemplo das operações para criar um ficheiro sequenciador utilizando o software de aquisição de dados à base de varrimento nesta experiência pode ser encontrada em http://ced.co.uk/products/signal#script.
        NÃOTE: Este arquivo age para fornecer todo o tempo exacto necessário que a sequência é executada em paralelo com a aquisição de dados reais e permite flexibilidade juntamente com temporização síncrona de triggers externos. Mudanças nos critérios de comando externa pode ser executada na caixa de diálogo de configuração que é trazido ao executar o script (ver secção "Estudos experimentais" para mais detalhes e "Sequencer File" captura de tela).
      2. Criar sub-rotinas separadas dentro do arquivo de seqüenciador para controlar a geração de sinal sonoro e os critérios de disparo TMS. Ter uma sub-rotina controlar o sinal sonoro baseado em dados do software de visualização de estímulo visual. Além disso, tem um controle de sub-rotina do TMS Desencadeamento baseado em dados de uma entrada analógica para a caixa / D a A.
        NOTA: Um exemplo de como sub-rotinas separadas estão contidos dentro de um arquivo de seqüenciador é fornecida no Relatório de Informações Suplementares (arquivo de script e seqüenciador). Consulte 1.2.1.1 para suporte adicional websiteespecífica para o sistema de software utilizado nesta demonstração. Esta configuração permite a geração sinal sonoro para ocorrer em paralelo com o teste com o seu critério de gatilho TMS.
      3. Criar linhas de código no arquivo de seqüenciador que chama a sub-rotinas (descritos no ponto 1.2.1.2). Faça com que cada função sub-rotina tal que esperar a chegada de insumos de suas fontes (ou seja, software de visualização estímulo visual para sinal sonoro e entrada analógica para disparador TMS).
    2. A ligação ea comunicação entre o sistema de captura de movimento eletromagnético para varrer à base de software de aquisição de dados
      1. Para obter o sistema de captura de movimento eletromagnética para gerar continuamente dados, gerar linhas de código no arquivo de script do software de aquisição de dados à base de varredura para a saída de uma série de comandos para a captura de movimento eletromagnética através da conexão serial (esses comandos devem ser encontrados em manual do sistema de captura de movimento eletromagnético).Estes comandos são encontrados no arquivo de script para download (script_file.sgs, ver linhas 88-114 e 635-650).
      2. Criar linhas de código para que o arquivo script de adicionar os dados de captura de movimento para cada varredura julgamento. Em seguida, tem o script passar os dados de captura de movimento através de uma conexão serial do PC 1 para o software de entrega de estímulo visual (PC 2) para controlar a posição do cursor de retículo no monitor do PC 2.
        NOTA: Esta sequência de eventos permite a captura de movimento eletromagnética para gerar dados ASCII continuamente, e os dados são então lidas a partir da linha serial.
      3. No final de um experimento, criar linhas de código para que o arquivo script de enviar comandos para desativar a captura de movimento de saída de dados do sistema eletromagnético. Para fazer isso, ter o software de aquisição de dados baseados em varredura enviar linhas de texto que prendem um sensor número seguido por seis valores de coordenadas (ver script_file.sgs para os códigos de comando usados ​​para esta demonstração, especificamente linhas de 88 a 114 e 653 para 658).
        NOTA: Para mais informações sobre esses comandos também são encontrados no site do sistema de captura de movimento eletromagnética (ponto 1.2.1.1).
        NOTA: Antes de extrair os valores numéricos, tem a string "higienizado" porque se a coordenar foi negativo, não pode ser separado do número anterior por quaisquer caracteres de espaço.
    3. Software de aquisição de dados baseados em varredura de comunicação software de entrega estímulo visual
      1. Set-up três canais separados de comunicação entre o software de aquisição de dados à base de varredura eo software de entrega de estímulo visual.
      2. Set-up duas linhas seriais usados ​​para transportar dados de texto em ambas as direções entre o PC e um PC 2. Para fazer isso, conectar um cabo serial entre o PC e um PC 2 (cada linha serial ser unidirecional entre cada PC, Figura 1).
      3. Conecte PC 2 para a caixa / D a A. Para fazer isso, criar ou aquisição, um cabo que tem uma porta LPT em um end e uma ligação BNC macho na outra extremidade. Ligue a porta LPT para PC 2 e se conectar a conexão BNC na entrada de disparo na caixa / D a A.
        Nota: Esta ligação permite que a linha para transportar um impulso gerado pela porta LPT1 no sistema de software de entrega estímulo visual à entrada de caixa de gatilho A / D (isto é, o PC 2, Figura 1.).
        NOTA: O sinal TTL garante temporização exacta do início do varrimento de aquisição de dados em sincronia com as operações de software visuais estímulo de entrega, enquanto que as linhas de série transferido para todas as outras informações.
        NOTA: Certifique-se de usar reais PCI-Express cartões de LPT e COM portuárias instalados no PC com o software de entrega de estímulo visual. Esta configuração permite que o software para trabalhar com sucesso e é altamente recomendável. As comunicações visuais de software de entrega de estímulo, sendo realizado em um nível baixo para evitar atrasos, geralmente não funciona de forma confiável sobre o simulado LPT e hardware porta COM provided por dongles USB.
      4. Defina os valores de duração do ensaio a 20 ms no arquivo de software Visual entrega de estímulo, como valores muito mais curto ou mais longo do que 20 ms causa problemas. Recursos sobre como concluir este processo pode ser encontrada no seguinte endereço: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Veja as linhas 39 a 46 no arquivo cenário previsto nos documentos complementares (arquivo cenário Apresentação).
        NOTA: Uma vez que as operações de software visuais entrega estímulo são muito intimamente ligada à geração de imagem e, em nossa experiência, as comunicações em série não se comportou como o esperado, a menos que a duração julgamento definido na função julgamento foi adequada (ou seja, 20 ms.).
      5. Criar protocolos de comunicação para transmitir informações entre o software de aquisição de dados à base de varredura eo software de entrega de estímulo visual.
        NOTA: As secções 1.2.3.7 a 1.2.3.11 descrever como isso é concluída. Veja os recursos previstos no passo 1.2.1.1e 1.2.3.5 para obter suporte para o software de aquisição de dados à base de varredura eo software de entrega de estímulo visual, respectivamente.
      6. Para o software de aquisição de dados à base de varredura para a direção software Visual entrega estímulo, criar linhas de código no software de aquisição de dados baseados em varredura para enviar duas formas de informação; números de julgamento para iniciar e parar um julgamento, e posições do cursor de mira. Ter o software de aquisição de dados baseados em varredura enviar todas as informações como linhas de texto denunciado por uma linha de alimentação. Veja as linhas 700-708 no arquivo de script de sinal de como isso foi concluída.
      7. Para o software de entrega estímulo visual para distinguir dois tipos de informações, definir o carácter inicial a ser um 0 ou um 1, seguido por um ou dois números de acordo com o tipo de informação, com todos os valores que estão sendo separados por espaços. O software de entrega estímulo visual não terá nenhuma dificuldade em lidar com esta informação. Veja linhas 89-153 do arquivo de cenário para ver how esta operação foi concluída dentro do software de entrega de estímulo visual.
      8. No software de entrega estímulo visual para varrer com base em direcção software de aquisição de dados, criar linhas de código a partir do software de entrega estímulo visual que gera valores inteiros individuais, de 0 a 9, para ser enviada para o programa de aquisição de dados à base de varredura como único ASCII caracteres '0' a '9' seguido por um avanço de linha. Veja as linhas 82 a 87 do arquivo de cenário para determinar como esta operação é concluída.
      9. Criar linhas de código dentro do software de entrega do estímulo visual para enviar valores de 0 e 1 para retornar informações para o sistema de aquisição de dados baseados em varredura sobre se ou não o participante tinha atingido a posição de destino. Veja as linhas 72-80 e 154-220 no arquivo de cenário para determinar como esta operação é concluída.
      10. Criar linhas de código no software de entrega do estímulo visual para enviar informações sobre a mensagem de fim-de-julgamento (ou seja,
    4. Seqüência de operações dentro de um julgamento
      1. Set-up a sequência de um julgamento de tal modo que a execução de um julgamento é compartilhado entre o software de aquisição de dados à base de varredura eo software de entrega de estímulo visual, com o software de aquisição de dados baseados em varredura ser 'responsável' do seqüenciamento total.
      2. Coloque o software de aquisição de dados à base de varredura no controle da experiência de sequenciação porque o software de aquisição de dados baseados em varredura gera o arquivo de dados real que precisa ser anotado com detalhes experimentais e, portanto, é necessária menos comunicação.
      3. Set-up o script de tal forma que a sequência de operações começa com o software de aquisição de dados baseados em varredura selecionando as configurações julgamento no próximo (posição de destino e TMS tipo de disparo). Veja as linhas 335-345, e laços correspondentes descritos dentro destas linhas, no arquivo de script para entender como concluir essas operações.
        NOTA: Os loops também estão contidos dentro do arquivo script.
      4. Em seguida, temos os parâmetros definidos software de aquisição de dados baseados em varredura na caixa / D a A controlar o tipo de disparo TMS e outros aspectos do julgamento. Para fazer isso, ter o software de aquisição de dados baseados em varredura iniciar a coleta de dados de tal forma que a caixa de A / D está esperando por um gatilho varredura a partir do software de entrega de estímulo visual, e notifica o software de entrega do estímulo visual sobre a linha de série do número de destino (1 a 7) utilizada, a qual faz com que o software de entrega estímulo visual para iniciar um ensaio (isto é., por meio do impulso TTL). Veja as linhas 180-303 do script sinal para entender como para concluir esta operação.
      5. Depois de completar o passo acima mencionado, ter o software de aquisição de dados de espera com base em varredura para a conclusão da coleta de uma sweep de dados por caixa de A / D, e acrescentar quaisquer dados de posição que recebe do sistema de captura de movimento eletromagnético para os dados amostrados. Veja as linhas 117-178 e 661-697 do arquivo de script para obter informações sobre como concluir esta operação.
      6. Set-up o software de entrega estímulo visual para monitorar a posição do cursor de mira controlada pelo assunto. Set-up o software de entrega estímulo visual para mover o alvo para a posição especificada e gerar um pulso TTL na porta LPT1 após o cursor está dentro da posição de origem durante um determinado período de tempo (definido no software de entrega de estímulo visual). Veja linhas 89-232 no arquivo cenário de como concluir esta etapa.
      7. Criar linhas de código que faz com que o software de entrega estímulo visual enviar um pulso TTL para acionar a / D de aquisição de dados caixa de A e, assim, iniciar a cronometragem julgamento dentro da caixa / D a A. Veja as linhas 222-232 do arquivo cenário sobre como concluir esta etapa.
      8. Ao mesmo tempo, ter a Visualestímulo arquivo cenário software de entrega de começar um atraso após o que irá mover o alvo para a posição especificada e começar a monitorar o cursor de retículo para assistir para ele 'bater' o alvo (ie., permanecendo no alvo por um período determinado). Set-up o software de entrega estímulo visual tal que continua este monitoramento de posição do cursor de retículo até o software de aquisição de dados baseados em varredura informa o software de entrega estímulo visual de finalização do ensaio.
        NOTA: Estas operações estão na mesma linha de código no arquivo cenário previsto no 1.2.4.6 e 1.2.4.7 etapas.
      9. Dentro da caixa / D a A, criar um pequeno atraso. Por um período determinado, correndo até o fim do atraso, que o monitor software dois sinais EMG (Observação: pode haver quaisquer sinais analógicos) para verificar se eles são de baixa amplitude (este valor amplitude é definido pelo usuário). Os autores recomendam uma amplitude EMG de +/- 100 mV ou ~ 1% do máximo de ativação voluntária um dos participantes. Veja as linhas 45-75 no arquivo de seqüenciador para concluir esta operação.
      10. Criar linhas de código que faz com que o início do período de monitorização EMG tranquila marcada por um marcador digital gerada caixa-A / D com o código 1. Além disso, se um sinal de 'não-tranquilo' EMG é detectada, não permitem qualquer outra A / saídas de caixa D (por exemplo., beep ou disparador TMS) ser gerado durante o julgamento. Configure um comando no software de tal forma que, se houver um sinal de 'não-tranquilo' EMG, o julgamento é repetido. Veja as linhas mencionadas no passo 1.2.4.9 linhas mais 118 a 124 do arquivo de seqüenciador e linhas 347-420 do arquivo de script para essas operações.
      11. No final do atraso, e depois de gravar sinais tranquilos EMG, tem box / D a A gerar um DAC 0 saída de pulso (neste set-up, a saída DAC provoca um 'beep' audível). Ter uma caixa A / D -generated ponto de dados digitais marcar a hora de início do 'beep' com 'código 2' Veja linhas 126-138 do arquivo de seqüenciador para entender comopara concluir esta operação.
      12. Set-up o script no software de aquisição de dados baseados em varredura para ter caixa / D a um monitor o tempo de varrimento e os sinais de entrada, e gerar um disparador TMS com base nos critérios apropriados. Criar linhas de código de tal forma que um "código 3 'ponto de dados digitais marca o momento desta gatilho TMS (se ocorrer). Veja linhas 77-116 do arquivo de seqüenciador para entender como para concluir esta operação.
      13. Ter o período de espera, para condições de disparo adequadas, continuará até um determinado período antes do final da varredura.
        NOTA: Isso impede que o julgamento ocorra infinitamente se um critério não for atendido. Veja as linhas 65-76 e 118-138 no arquivo de seqüenciador para entender como para concluir esta operação.
      14. Set-up o software de aquisição de dados à base de varredura para detectar a conclusão do / D coleta de dados caixa de A e notificar o software de entrega do estímulo visual que o julgamento é longo. Veja as linhas 180-303 do arquivo de script de entendercomo concluir esta etapa.
      15. Quando o software de entrega do estímulo visual é notificado de que o julgamento é longo, tem o software de entrega estímulo visual devolver o alvo para a posição inicial e enviar informações para o software de aquisição de dados baseados em varredura sobre se o participante 'hit' o alvo. Ter o "tag" software de aquisição de dados à base de varredura do quadro recém-amostrada de dados se o participante não 'hit' o alvo ,. Veja linhas 89-221 do arquivo cenário de como concluir esta operação.
      16. Set-up o script no software de aquisição de dados baseados em varredura para esperar um atraso pós-julgamento e no final deste atraso, ter o retorno do processo ao passo 1 e descartar os dados amostrados e repetindo o último julgamento, se o sweep- software de aquisição de dados baseado não desencadear TMS, ou avançar para o próximo julgamento, se tudo estava 'OK'. Veja as linhas 180-303 e loops na arquivo de script correspondente para compreender como completar estaoperação.
        NOTA: O software de aquisição de dados à base de varredura e do software utilizado máquinas de estado de entrega de estímulos visuais para controlar a sequência necessária de operações porque permitiu a fácil adaptação do comportamento experimental, conforme necessário.
  3. Coloque os sensores em pontos ósseos para adquirir dados de captura de movimento. Para a coleta de dados referentes ao braço postura, sensores lugar no tronco (fúrcula), ombro (acromion), cotovelo (8 mm superiores ao epicôndilo lateral) e pulso (entre o semilunar e capitato ossos no dorso da mão e em linha com o 3º dígito), conforme recomendações para rastrear centros conjuntos de rotação com sensores mínimos. 10

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Figura 1. Hardware Set-up. Para permitir que os dados de captura de movimento eletromagnéticas para ser enviado para a varredurasoftware de aquisição de dados baseado e software de entrega do estímulo visual, primeiro montar os 4 sensores electromagnéticos com console do sistema. Ligue o console do sistema para o PC 1 com um cabo serial de 9 pinos. Conecte o PC 1 para o PC 2 com um cabo serial de 9 pinos. Para permitir a entrega TMS, conecte o PC 1 com a caixa / D a A com um cabo USB e conectar um cabo BNC entre a caixa de A / D e da unidade de TMS. Para permitir a gravação EMG, conecte o EMG leva à amp EMG e ligar o amplificador EMG caixa de A / D para via cabos BNC. Conecte o eletrogoniômetro (Elgon) para a caixa de A / D através de um cabo BNC para registrar as mudanças de ângulo conjuntas online. Para permitir que o software de entrega do estímulo visual para desencadear o início julgamento, conecte o PC 2 para a entrada caixa de disparo A / D através de uma porta LPT para cabo BNC. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Conectividade Hardwaredurante a experiência (Figura 1)
    1. Ligue o sistema de captura de movimento eletromagnético para o PC rodando o software de aquisição de dados baseados em varredura com 9 pinos cabos seriais.
    2. Alguma caixa de aquisição de dados a coordenar a entrega TMS e registo de dados de captura de movimento etc. Isso é feito por toda a operação acima mencionada contidas nos arquivos de script e sequenciador. Caixa de A / D se conectar usando um cabo USB para PC 1 e um BNC para cabo paralelo da entrada de caixa de disparo A / D para PC 2.
    3. Conecte o EMG leva para o filtro EMG (passa-banda definida para 20 e 2500 Hz) e amplificador (ganho x1,000) para a coleta da atividade EMG e saída corticospinal medida como potenciais evocados motores (MPE).
    4. Conecte o estimulador magnético transcraniano Monophasic para as saídas digitais de caixa de aquisição de dados apropriado (Saída digital '0' neste experimento) para permitir que o software de aquisição de dados à base de varredura no PC1 para acionar os pulsos TMS durante o experimento. li>
    5. Conecte-se um eletrogoniômetro para a caixa de aquisição de dados no canal analógico 2. Esta ligação permite o software de aquisição de dados baseados em varredura para acionar TMS baseado em ângulo ombro utilizando o software fornecido pelos autores.
    6. Construir ou adquirir um dispositivo que suporta o braço apoiando o braço contra a gravidade. Este dispositivo permite movimentos planas no plano horizontal (ver Figura 2). Se a construção do dispositivo, um exemplo de desenho está disponível mediante solicitação do autor correspondente. Figura 2 mostra uma foto do dispositivo usado na demonstração.

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Figura 2. Arm dispositivo órtese. Descrito é um participante colocado no braço de dispositivo de órtese, enquanto uma bobina TMS é colocado no couro cabeludo do participante.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Experiência Set-up

  1. Medidas antropométricas
    1. Grave a massa corporal total do participante, utilizando uma escala.
    2. Medir o comprimento de todos os segmentos para a análise cinemática e cinética. Por exemplo, no presente pedido, com o braço, medir o comprimento do lado, antebraço, o braço superior e com uma fita de medição.
    3. Calcule medidas antropométricas, como o centro do segmento de massa, centro segmento de localização de massa e raio de giro por meio de equações de literatura de pesquisa 9,12,13. (Veja Informações Suplementares 1).
  2. EMG set-up
    1. Prepare a pele sobre o músculo (s) de interesse com um gel abrasivo leve e limpe com álcool. Verifique a impedância com um medidor de impedância. Certifique-se de que a impedância pele-eletrodo é inferior a 10 kW para aprimorar sinal EMG acquisição.
    2. Coloque dois eletrodos sobre o ventre muscular dos músculos de interesse em uma montagem bipolar. Os autores direcionar o leitor para recursos para ajudar com a colocação de EMG. 2 Para esta experiência, colocar eletrodos sobre o bíceps braquial, tríceps braquial, peitoral maior, deltóide posterior, e brachioradialis.
    3. O uso de cabos BNC, conecte as saídas do amplificador EMG para os canais analógicos 0, 1, 3, 4, e 5 (para este experimento específico, esses canais relacionados aos utilizados nos scripts para download) no box / D a A.
  3. TMS
    1. Calibrar a bobina TMS para o participante utilizando um programa de software neuro-navegação, como descrito no manual do software.
      NOTA: Outros métodos podem ser usados ​​para calibrar a posição da bobina para o couro cabeludo da pessoa, mas recomenda-se a utilização de um programa de software neuro-navegação.
    2. Localize hotspot motor. Como um local de partida, colocar a bobina no contralateral elemisphere do braço / mão que está sendo estudado e 5 cm lateralmente ao vértice para dar uma localização aproximada do lado da área / braço do córtex motor primário. Localize o vértice usando o sistema 10-20 eletroencefalografia colocação do eletrodo International.
    3. Coloque a bobina TMS plana sobre a cabeça do participante e orientar a bobina de tal modo que é de 45 ° em relação ao plano sagital. Este posicionamento vai induzir uma latero-posterior a corrente monofásica medio-anterior no córtex.
    4. Começando a ~ 30% da potência máxima de estimulador (MSO) emitir pulsos TMS com um intervalo inter-estímulos de 6 seg ou superior, tal como descrito no software de aquisição de dados à base de raspagem.
    5. Mover a bobina TMS para locais ligeiramente diferentes com pequenas mudanças na orientação até um MEP foi observada no músculo de interesse.
    6. Determine o MSO que produz eurodeputados do ~ 1 mV no músculo alvo. Use o software neuronavegação para registrar digitalmente este local. Repetiresse procedimento para cada músculo para a qual é necessário um hotspot do motor para o experimento.
    7. Determinar o limiar motor repouso (RMT), iniciando com a intensidade que produz o mais confiável ~ 1 mV MEP no músculo de interesse, entregando pulsos TMS individuais e gravar o pico a pico MEP amplitude online.
    8. Determine o MSO através do qual a amplitude pico-a-pico do MEP é ≥ 50 mV em 5 a 10 tentativas consecutivas. 3,11
      NOTA: Para ser coerente com a literatura anterior, 1,3 garantir que o MEP é gravado a partir de uma montagem EMG monopolar.
  4. Estudos experimentais
    1. Comece a experiência executando o programa de software Visual entrega estímulo primeiro (ie., Arquivo cenário). Iniciando o programa de software Visual entrega estímulo primeiro permite que o software para começar a ler nos dados de captura de movimento eletromagnéticas e permitir que o sensor de captura de um movimento para controlar umcursor na tela.
    2. Execute o arquivo 'script' para os ensaios experimentais dentro do software de aquisição de dados à base de varredura. Este arquivo script lê no "arquivo seqüenciador 'que fornece triggers externos com base no tipo de julgamento.
    3. Entrada desejada informações na caixa de diálogo de configuração que se abre. Passos, 2.4.4 a 2.4.11 todos pertencem à caixa de diálogo de configuração.
    4. Introduzir o valor "1" em "conjuntos de estímulos no bloco randomização" caixa. Este valor controla o número de vezes que um tipo de julgamento é realizado em um bloco.
    5. Introduzir o valor "20" nos "blocos de aleatorização no experimento" caixa. Este valor controla o número de blocos que irão ser realizadas de uma experiência.
    6. Introduzir o valor "20", no "duração do impulso sonoro" caixa. Este valor controla a duração de tempo da saída de DAC, e por conseguinte, o tempo que o sinal de pulso é "ligado".
      NOTA: modificar esse valor para aumentar o comprimento dotom auditivo está presente.
    7. Introduzir o valor "5" na caixa "amplitude do sinal de pulso". Este valor controla a amplitude em volts da saída de DAC, e por conseguinte, o "volume" do sinal de pulso.
    8. Introduzir o valor "100" na caixa "post gatilho cronometrados atraso beep". Este valor determina o intervalo em ms entre o auditivo "ir" sugestão e da saída digital (ie., TMS de disparo 1).
    9. Introduzir o valor "0.1" na caixa "EMG nível limiar de disparo". Este valor determina a amplitude da EMG em volts necessários para desencadear a saída digital (isto é., TMS gatilho 2). Estas medidas foram tomadas em sinais EMG não retificados.
    10. Introduzir o valor "0,242" na caixa "Angle nível limiar de disparo". Este valor determina o valor limiar em volts lidos do eletrogoniometro para disparar a saída digital (isto é., TMS gatilho 3).
      NOTA: Este valor depende da calibração deeletrogoniômetro. O utilizador deve introduzir o valor de tensão que corresponde a um limiar comum ângulo que vai provocar um impulso de TMS.
    11. Introduzir o valor "1" (ie., 1 seg) na caixa "atraso pós-julgamento". Este valor determina o intervalo de julgamento Inter.
      NOTA: Mais informações sobre cada função pode ser encontrada no script ou por solicitação dos autores.
    12. Inicie o script uma vez que tudo está pronto no que diz respeito ao participante, TMS, e visual programa de exibição de estímulo.
    13. Após esta etapa, observar a corrida de software por conta própria, sem qualquer / ou com entrada mínima do usuário.
      NOTA: Um exemplo julgamento começa com o participante colocar o cursor no alvo posição inicial. A nova posição alvo visual aparece e participante se move para este objectivo, uma vez que uma auditivo 'ir' sugestão é entregue através de um digital para analógico de saída na caixa de aquisição de dados.
    14. Depois de entregar a sugestão, pedir aos participantes para mover o cursor para a target. Depois de atingir a posição de destino usando o cursor, observe a posição inicial e começar o próximo julgamento, colocando o cursor de volta à posição inicial.
      NOTA: Aqui está o exemplo de TMS sendo acionado pelo script. Verifique se o indivíduo está em sua posição de origem. Observe a posição do alvo visual e instruir o participante a mover o cursor para esta meta. Acionar o TMS para ocorrer em 100 ms após o auditivo 'Go' cue. O indivíduo mantém o cursor na posição do alvo durante 1 seg. O indivíduo, em seguida, retorna para a posição inicial aguardando a próxima prova.
    15. Certifique-se de que o cursor esteja na posição inicial. Observe a posição do alvo visual e instruir o participante para mover o cursor para a posição de destino. Acionar o TMS para ocorrer em 100 ms após o auditivo 'Go' cue. Instrua o indivíduo a manter o cursor na posição do alvo por 1 segundo. Peça o indivíduo para retornar o cursor para a posição inicial aguardando a próxima prova.
      NOTA: Neste exemplo, o sinal analógico desencadeia a TMS. Especificamente, neste exemplo, o EMG desencadeia o pulso TMS. O experimento tem 21 condições: 7 condições alvo x 3 pontos de tempo diferentes em que um pulso TMS é acionado (ou seja, um gatilho disparador, 2, 3 gatilho.). Neste exemplo, os impulsos são disparados TMS com base em eventos ou digitais, os eventos de disparo analógico externos, tais como EMG ou entrada eletrogoniometro. Estes eventos analógicos ou digitais podem ser modificados pelo utilizador alterando as sequências e os arquivos de script. A duração total aproximada da experiência é de 3 a 4 h.

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Results

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A Figura 3 mostra os resultados de um ensaio único. Neste ensaio, a Figura 3A mostra a posição inicial do participante e, depois de um auditório 'ir' cue, o participante se mudou tão rapidamente e com precisão quanto possível do alvo (ie., A posição final). O software de aquisição de dados baseados em varredura desencadeou um pulso TMS baseado em início EMG no músculo bíceps braquial. Isso permitiu a medida de saída corticospina...

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Discussion

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O presente manuscrito detalha um método inovador para integrar TMS e sistemas de captura de movimento no contexto de uma tarefa visuo-motora. Para fazer avanços rápidos e significativos no estudo do controle motor humano, é essencial que as metodologias permitam uma comunicação precisa entre vários sistemas de hardware e software. O paradigma apresentado pode ser usado para estudar uma variedade de interesses de pesquisa, incluindo a contribuição cortical para a aprendizagem motora, a neurofisiologia do controle motor ...

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Disclosures

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Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgements

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Os autores agradecem o financiamento do Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia à AJN.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Polhemus FASTRAKPolhemus Inc.Dispositivo de rastreamento de movimento eletromagnético de 6 graus de liberdade com 4 sensores
ApresentaçãoNeurobehavioural Systems Inc.Um software totalmente programável para experimentos envolvendo aquisição de dados e entrega de estímulos
Cutom construiu Exoskeleton80/20 Inc. - O conjunto de montadores industriaisVariaVárias peças usadas para construir o exoesqueleto
BrainsightRogue Research Inc.Software de neuronavegação para rastrear a posição da bobina durante todo o experimento

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).

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

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