Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Kombinere flere datainnsamlingssystemer å studere corticospinal Output og Multi-segment Biomechanics

Published: January 9, 2016 doi: 10.3791/53492
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 1
1Department of Kinesiology, McMaster University, 22Els Espots

Introduction

Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en ikke-invasiv metode for å stimulere den menneskelige cortex. 3,5 Det er flere TMS protokoller som brukes til å forstå kortikal funksjon, for eksempel én og flere pulser, dual-site stimulering for å sondere funksjonell tilkobling, og gjentatte pulser for å fremme nerve plastisitet. 4,6-8 TMS protokoller kan også kombineres for å fremme forståelsen av den foreliggende humane kortikale prosesser og lede nevrale rehabiliterings strategier. I tillegg til å stimulere cortex, TMS kan også brukes til å forstå sub-kortikal funksjon ved stimulering av corticospinal skrift eller lillehjernen.

En av de største tekniske utfordringer TMS forskning er evnen til å studere rollen til kortikale områder under målrettet frivillig bevegelse hos mennesker. Flere hensyn bidra til dette teknisk utfordring. Først bør TMS levering kombineres med real-time menneskelig bevegelse cApture. På denne måten kan TMS pulser leveres eller utløses ved trekk i en bevegelsessekvens tilveiebringe en tid-låst måte for å studere komplekse bevegelse. For det andre, å integrere TMS levering og motion capture tillater en detaljert karakterisering av komplekse bevegelser som den utfolder seg, som vil fremme forståelsen av hjerne-atferd sammenhenger som ligger til grunn for motorisk kontroll. I dag er det ingen kommersielt tilgjengelige systemer som inkluderende integrerer TMS og motion capture-metoder. For nevrologer innen motorisk kontroll, dette tomrommet oversettes vanligvis til tidkrevende, tekniske utfordringer for å integrere flere software og hardware datainnsamling og leveringssystemer. Denne tekniske begrensningen har også resultert i sparsom forskning dedikert til studiet av dynamiske multi-joint bevegelser som involverer øvre lem. For å fremme TMS innen human motorisk kontroll, er det viktig at kortikal funksjon bli analysert i løpet av komplekset menneskelig bevegelse.

(f.eks., Beskrivelse av bevegelsen), bevegelse kinetikk (f.eks., Tvinger som forårsaker bevegelse), og muskelaktivitet. Tredje, må systemet være i stand til å synkronisere TMS pulser til disse bevegelsesfunksjoner, og utløses av kriterier basert på komplekse bevegelsesfunksjoner. Et slikt system vil gi en vesentlig binding mellom kortikal funksjon og kinematisk og kinetikken for bevegelse.

Dette manuskriptet detaljer en unik tilnærming til å integrere metoder for TMS og motion capture. Denne tilnærmingen gjør detaljert analyse av mekanikerne av komplekse multi-joint bevegelser, og tillater automatisert styring av TMS pulser utløst av spesifikke funksjoner i bevegelse (dvs. kinematikk, kinetikk, eller muskelaktivitet). Videre disse dataene ACQuisition systemet tillater for TMS og motion capture for å bli integrert med eksperimentelle paradigmer som krever visuo-motoriske eller sensorimotor oppgaver. Dette manuskriptet detaljer en innovativ tilnærming for å integrere ofte brukt motion capture-maskinvare og programvare systemer for det formål å kombinere TMS og menneskelig bevegelse innsamling og analyse. Data er presentert ved hjelp av en prøve studie av menneskelig kortikal funksjon under planar multi-joint bevegelser. Programvaren skript som kreves for å utføre eksperimentet er tilgjengelig for nedlasting.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Den følgende protokoll kan anvendes på en rekke eksperimenter. Nedenfor finner du detaljer om et eksperiment som involverer et visuelt guidet arm nå oppgaven til en av seks romlige mål som vises på en dataskjerm. TMS, å sondere corticospinal oppstemthet, utløses av enten analoge signaler som kommer ut av bevegelsen (dvs. EMG eller electrogoniometer inngang) eller digitale signaler generert fra sweep-basert datainnsamling programvare. Denne studien ble godkjent av McMaster forskningsetikk Styret i samsvar med Helsinkideklarasjonen. En prøve datasettet er gitt.

1. Hardware / software Krav

MERK: Figur 1 viser en skjematisk av maskinvarekravene for å integrere TMS og motion capture-systemer i sammenheng med en datastyrt visuo-motor eksperiment.

  1. Utstyre to stasjonære datamaskiner med serielle og parallelle porter (hvis det ikke allerede er tilgjengelig). Utstyre PC 1 (figur 1) med sweep-basert datainnsamling programvare og PC 2 med en visuell stimulans levering programmet.
  2. Programvaren
    1. Intern Analog / Digital Box (A / D-boks) Operations
      MERK: Følgende operasjoner gi informasjon til leserne om de ønsker å opprette et lignende program selv. Disse trinnene er ikke nødvendig å utføre eksperimentet, som forsøket kan bare bruke programvaren som leveres av forfatterne, men retningslinjene er gitt for å tillate brukere å opprette sin egen programvare.
      1. Lag en sequencer-filen i sweep-basert datainnsamling programvare (se 'sequencer file' eksempel (i Supplementary Information 2) å bli henrettet på PC en.
        MERK: Et eksempel på driften for å skape en sequencer fil med sweep-basert datainnsamling programvare i dette eksperimentet kan bli funnet på http://ced.co.uk/products/signal#script.
        NEITE: Denne filen virker til å tilveiebringe alle de nødvendige presis timing som den rekkefølge utfører i parallell med den virkelige datainnsamlings- og gir fleksibilitet sammen med synkron timing av eksterne utløser. Endringer i eksterne trigger kriteriene kan utføres i konfigurasjonen dialogboksen som er brakt opp når du kjører skriptet (se "Eksperimentelle studier" for mer informasjon og "Sequencer File" skjermdump).
      2. Opprette egne underrutiner innenfor sequencer-filen for å kontrollere auditiv cue generasjon og TMS trigger kriteriene. Har en subrutine kontrollere auditive signalet basert på innspill fra det visuelle stimulus skjerm programvare. Også har man subrutine kontroll TMS utløser basert på innspill fra en analog inngang til A / D-boksen.
        MERK: Et eksempel på hvordan separat subrutiner befinner seg innenfor en sequencer fil er gitt i Supplementary Information (manus og sequencer-fil). Se i 1.2.1.1 for ekstra nettsted støttespesifikk for programvaren som brukes i denne demonstrasjonen. Dette oppsettet gjør at auditiv cue generasjon å skje parallelt med testing for TMS trigger kriteriene.
      3. Lag linjer med kode i sequencer fil som kaller subrutiner (beskrevet i 1.2.1.2). La hver subrutine funksjon slik at den venter på ankomsten av innspill fra sine kilder (dvs. visuelle stimulus skjerm programvare for auditiv kø og analog inngang for TMS trigger).
    2. Tilkobling og kommunikasjon mellom elektromagnetiske motion capture system for å feie-basert datainnsamling programvare
      1. For å få det elektromagnetiske motion capture system for kontinuerlig å generere data, generere kodelinjer i skriptfilen av feier basert datainnsamling programvare for å sende ut en rekke kommandoer til den elektromagnetiske motion capture via seriell tilkobling (disse kommandoene skal finnes i det elektromagnetiske motion capture system anvisningen).Disse kommandoene er funnet i den nedlastbare skriptfilen (script_file.sgs, se linjer 88-114 og 635-650).
      2. Lag linjer med kode for å ha skriptfilen legge motion capture-data til hvert forsøk feie. Deretter har manuset passere motion capture data via en seriell tilkobling fra PC en til den visuelle stimulus levering programvare (PC 2) til å kontrollere trådkorsmarkøren posisjon på skjermen på PC 2.
        MERK: Denne sekvensen av hendelser gjør det mulig for den elektromagnetiske motion capture for å generere ASCII data kontinuerlig, og dataene blir deretter lest fra seriell linje.
      3. Ved slutten av et forsøk, skape linjer med kode for å ha skriptfilen sende kommandoer for å slå av elektromagnetiske motion capture system datautgang. For å gjøre dette, har sweep-basert datainnsamling programvare sende ut tekstlinjer som holder en sensor nummer etterfulgt av seks koordinere verdier (se script_file.sgs for kommando koder som brukes for denne demonstrasjonen, spesielt linjene 88 til 114 og 653 for å 658).
        Merk: Ytterligere informasjon om disse kommandoene finnes også på det elektromagnetiske motion capture system hjemmeside (avsnitt 1.2.1.1).
        MERK: Før utpakking av tallverdier, har strengen "pyntet" fordi hvis koordinere var negativ, det kan ikke skilles fra den forrige nummer av eventuelle mellomrom.
    3. Sweep-basert datainnsamling programvare til visuelle stimulus leveringsprogramvare kommunikasjon
      1. Sett opp tre separate kanaler for kommunikasjon mellom sweep-basert datainnsamling programvare og den visuelle stimulus leveringsprogramvare.
      2. Sett opp to serie linjer som brukes til å bære tekst data i begge retninger mellom PC 1 og PC 2. For å gjøre dette, må du koble en seriell kabel mellom PC 1 og PC 2 (hver seriell linje blir enveis mellom hver PC, figur 1).
      3. Koble PC 2 til A / D-boksen. For å gjøre dette, opprette eller kjøp, en kabel som har en LPT-port på en end og en mannlig BNC tilkoblingen på den andre enden. Koble LPT port til PC 2 og koble BNC tilkobling til trigger inngangen på A / D-boksen.
        Merk: Denne forbindelse gjør det mulig for linje for å bære et puls generert av LPT1 porten på den visuelle stimulus leveringsprogramvaresystemet til A / D-boks trigger-inngang (dvs, PC 2, fig. 1).
        MERK: TTL signal sikrer presis timing av oppstart av datainnsamling feie synkront med de visuelle stimulus leverings programvare operasjoner, mens serielinjer overført for all annen informasjon.
        MERK: Sørg for å bruke selve PCI-Express LPT og COM-port kort installert på PC-en med den visuelle stimulus leveringsprogramvare. Dette oppsettet tillater programvaren å fungere sammen, og det anbefales på det sterkeste. De visuelle stimulus leveringsprogramvare kommunikasjon, blir utført på et lavt nivå for å unngå forsinkelser, ikke generelt fungere pålitelig over simulert LPT og COM-port hardware innsamlingsløsed av USB-dongler.
      4. Still prøvevarighetsverdier til 20 ms i den visuelle stimulus levering programvarefilen, som verdier mye kortere eller lengre enn 20 ms skaper problemer. Ressurser på å fullføre denne prosessen kan bli funnet på følgende nettside: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Se linjene 39-46 i scenariet filen gitt i tilleggsdokumentene (Presentasjon scenario fil).
        MERK: Siden de visuelle stimulus leverings programvare operasjoner er svært nært knyttet til bildet generasjon, og i vår erfaring seriekommunikasjons ikke oppfører seg som forventet, med mindre prøve varighet satt i rettssaken funksjon var egnet (dvs. 20 ms.).
      5. Opprett kommunikasjonsprotokoller for å sende informasjon mellom sweep-basert datainnsamling programvare og den visuelle stimulus leveringsprogramvare.
        MERK: §§ 1.2.3.7 til 1.2.3.11 beskrive hvordan dette er gjennomført. Se de angitte ressursene i takt 1.2.1.1og 1.2.3.5 for ytterligere støtte til sweep-basert datainnsamling programvare og den visuelle stimulus levering programvare, henholdsvis.
      6. For sweep-basert datainnsamling programvare til den visuelle stimulus leveringsprogramvaren retning, skape linjer med kode i sweep-basert datainnsamling programvare for å sende to former for informasjon; prøvenummer for å starte og stoppe en rettssak, og trådkorset markørposisjonene. Har sweep-basert datainnsamling programvare sende all informasjon som linjer med tekst avsluttet med et linjeskift. Se linjene 700-708 i signalskriptfilen på hvordan dette ble gjennomført.
      7. For den visuelle stimulus levering programvare for å skille mellom to typer informasjon, sette den på første tegn til å være 0 eller 1 etterfulgt av ett eller to tall i henhold til den type informasjon, med alle verdier blir atskilt med mellomrom. Den visuelle stimulus levering programvare vil ikke ha noen problemer med å håndtere denne informasjonen. Se linjene 89-153 av scenariet filen for å se how denne operasjonen ble gjennomført innenfor den visuelle stimulus leveringsprogramvare.
      8. I den visuelle stimulus levering programvare for å feie-basert datainnsamling programvare retning, skape linjer med kode fra det visuelle stimulus levering programvare som utganger enkelt heltallsverdiene, fra 0 til 9, som skal sendes til den sweep-basert datainnsamling programvare som enkelt ASCII tegnene '0' til '9' etterfulgt av linjeskift. Se linjene 82-87 av scenariet filen for å finne ut hvordan denne operasjonen er fullført.
      9. Lag linjer med kode innenfor det visuelle stimulus levering programvare for å sende ut verdier av 0 og 1 for å gå tilbake informasjon for å feie-basert datainnsamlingssystem om hvorvidt deltakeren hadde truffet målet posisjon. Se linjene 72-80 og 154-220 i scenariet filen for å finne ut hvordan denne operasjonen er fullført.
      10. Lag linjer med kode i den visuelle stimulus levering programvare for å sende informasjon om end-of-rettssaken melding (dvs.
    4. Sekvens av operasjoner innen en prøve
      1. Set-up sekvensen av en rettssak slik at henrettelsen av en rettssak er delt mellom sweep-basert datainnsamling programvare og den visuelle stimulus leveringsprogramvaren, med sweep-basert datainnsamling programvare være "ansvarlig" av den samlede sekvensering.
      2. Sett sweep-basert datainnsamling programvare kontroll over eksperimentet sekvense fordi sweep-basert datainnsamling programvare genererer selve datafilen som må kommenteres med prøve detaljer, og derfor er mindre kommunikasjon som kreves.
      3. Sett opp skriptet slik at sekvensen av operasjoner begynner med sweep-basert datainnsamling programvare å velge de neste prøve innstillingene (target posisjons & TMS trigger type). Se linjene 335-345, og tilsvarende loops beskrevet innenfor disse linjene, i skriptfilen for å forstå hvordan å fullføre disse operasjonene.
        MERK: Sløyfene er også inne i skriptfilen.
      4. Deretter må de feie-basert datainnsamling programvare innstilte parametrene i A / D-boksen styrer TMS trigger type og andre aspekter av rettssaken. For å gjøre dette, har sweep-basert datainnsamling programvare starte datainnsamling slik at A / D-boksen venter på en sveip trigger fra det visuelle stimulus levering programvare, og varsler den visuelle stimulus levering programvaren over serie linjen i mål nummer (1 til 7) som brukes, noe som fører til den visuelle stimulus leverings programvare for å starte en prøve (f.eks. via TTL-puls). Se linjene 180-303 av signalet skript for å forstå hvordan å fullføre denne operasjonen.
      5. Etter å ha fullført den nevnte trinnet, har sweep-basert datainnsamling programvare vente på ferdigstillelse av samlingen av en sweep av data ved A / D-boksen, og legge eventuelle posisjonsdata den mottar fra det elektromagnetiske motion capture-systemet til de innsamlede dataene. Se linjene 117-178 og 661-697 av skriptfilen for informasjon om hvordan du fullføre denne operasjonen.
      6. Sett opp det visuelle stimulus levering programvare for å overvåke faget styrt trådkorsmarkøren posisjon. Sett opp det visuelle stimulus levering programvare for å flytte målet til angitt posisjon og generere en TTL puls på LPT1 port etter markøren er i hjemmet posisjon for en spesifisert tidsperiode (definert i den visuelle stimulus leveringsprogramvare). Se linjene 89-232 i scenariet filen om hvordan å fullføre dette trinnet.
      7. Lag linjer med kode som gjør det visuelle stimulus levering programvaren sende en TTL puls å utløse A / D-boksen datainnsamling og dermed starter rettssaken timing inne i A / D-boksen. Se linjene 222-232 av scenariet filen om hvordan å fullføre dette trinnet.
      8. På samme tid, er den visuellestimulus leveringsprogramvare scenario fil begynne en forsinkelse etter som det vil flytte målet til angitt posisjon og begynne å overvåke trådkorsmarkøren for å se etter det "treffer" målet (ie., gjenstår i rute for en spesifisert periode). Sett opp det visuelle stimulus leveringsprogramvaren slik at det fortsetter denne overvåkingen av trådkorsmarkøren stilling inntil sweep-basert datainnsamling programvare informerer den visuelle stimulus levering programvare prøving ferdigstillelse.
        MERK: Disse operasjonene er på samme linje med kode i scenariet filen gitt i trinn 1.2.4.6 og 1.2.4.7.
      9. Inne i A / D-boksen, lage en tidsforsinkelse. For en bestemt periode, kjører opp til slutten av forsinkelsen, har programvaren Skjerm to EMG-signaler (OBS: kan være noen analoge signaler) for å sjekke at de er av lav amplitude (dette amplitude verdien er brukerdefinert). Forfatterne anbefaler en EMG amplitude på +/- 100 uV eller ~ 1% av en deltakernes maksimal frivillig aktivering. Se linjene 45-75 i sequencer-filen for å fullføre denne operasjonen.
      10. Lag linjer med kode som gjør starten på denne rolige EMG overvåking periode preget av en A / D-boksen generert digital markør med kode 1. Også, hvis en "non-stille" EMG signaler finnes, ikke tillater ytterligere A / D boks utganger (f.eks., pip eller TMS trigger) genereres under rettssaken. Sett opp en kommando i programvaren slik at hvis det er en "non-stille" EMG-signalet, er rettssaken gjentas. Se de linjene som er nevnt i punkt 1.2.4.9 pluss linjer 118 til 124 av sequencer filen og linjer 347-420 av skriptfilen for disse operasjonene.
      11. Ved slutten av forsinkelsen, og etter opptak stille EMG-signaler, har A / D-boks generere en DAC 0 utgangspuls (i dette oppsettet, DAC-uttaket forårsaker et hørbart pip). Ha en A / D-boksen dannede digital datapunkt markere starttiden av "pip" med "kode 2 'Se linjene 126-138 av sequencer fil å forstå hvordanfor å fullføre denne operasjonen.
      12. Set-up skriptet i sweep-basert datainnsamling programvare for å ha A / D-boks overvåke feie tid og innkommende signaler, og generere en TMS trigger basert på de aktuelle kriteriene. Lag linjer med kode slik at en digital "kode 3 'datapunkt markerer den tiden dette TMS trigger (hvis det skjer). Se linjene 77-116 av sequencer fil å forstå hvordan å fullføre denne operasjonen.
      13. Har venteperioden, etter egnede utløse forhold, fortsette inntil en viss periode før slutten av feier.
        MERK: Dette hindrer rettssaken oppstår uendelig hvis kriteriet ikke er oppfylt. Se linjene 65-76 og 118 til 138 i den sequencer fil å forstå hvordan å fullføre denne operasjonen.
      14. Set-up sweep-basert datainnsamling programvare for å oppdage ferdigstillelse av A / D-boksen datainnsamling og varsle den visuelle stimulus leveringsprogramvaren at rettssaken er over. Se linjene 180-303 av skriptfilen for å forståhvordan å fullføre dette trinnet.
      15. Når den visuelle stimulus levering programvaren er varslet at rettssaken er over, har den visuelle stimulus leveringsprogramvaren returnere målet til utgangsposisjonen og sende informasjon til sweep-basert datainnsamling programvare om hvorvidt deltakeren "hit" målet. Har sweep-basert datainnsamling programvare "tag" den nylig samplet rammen av data hvis deltakeren ikke "hit" målet ,. Se linjene 89-221 av scenariet filen om hvordan å fullføre denne operasjonen.
      16. Set-up skriptet i sweep-basert datainnsamling programvare for å vente på en post-rettssak forsinkelse, og på slutten av denne forsinkelsen, har prosessen tilbake til trinn 1 og kast de innsamlede dataene og gjenta den siste rettssaken hvis sweep- basert datainnsamling programvare ikke utløse TMS, eller gå til neste rettssak hvis alt var OK. Se linjene 180-303 og tilsvarende løkker i skriptfilen for å forstå hvordan å fullføre detteoperasjon.
        MERK: sweep-basert datainnsamling programvare og de visuelle stimulus leverings programvare brukes tilstandsmaskiner til å styre den nødvendige sekvens av operasjoner fordi det er tillatt for enkel justering av eksperimentell oppførsel, etter behov.
  3. Plasser sensorene på landemerker benete å skaffe motion capture data. Å samle inn data knyttet til arm holdning, sensorene på stammen (suprasternal notch), skulder (acromion), albue (8 mm overlegne til den laterale epicondyle) og håndledd (mellom lunate og capitate bein på dorsum av hånden og på linje med 3. siffer), for å i henhold til anbefalinger spore felles sentre for rotasjon med minimal sensorer. 10

Figur 1
Figur 1. Hardware Set-up. Å tillate for de elektromagnetiske motion capture-data som skal sendes til sweepbasert datainnsamling programvare og den visuelle stimulus levering programvare, først montere de 4 elektromagnetiske sensorer med systemets konsollen. Koble systemet konsoll til PC-en med en 9 pins kabel. Koble PC-en til PC-2 med en 9 pins kabel. Å tillate for TMS levering, koble PC en med A / D-boks med en USB-kabel og koble en BNC kabel mellom A / D-boksen og TMS enhet. Å tillate for EMG opptak, koble EMG fører til EMG forsterker og koble EMG amp til A / D-boksen via BNC kabler. Koble electrogoniometer (Elgon) til A / D-boksen via en BNC-kabel for å spille inn felles vinkelendringer på nettet. Å tillate den visuelle stimulus levering programvare for å utløse rettssaken starter, kobler du PC 2 til A / D-boks trigger inngang via en LPT-port til BNC kabel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Hardware-tilkoblingi løpet av eksperimentet (figur 1)
    1. Koble elektro motion capture-systemet til PC som kjører sweep-basert datainnsamling programvare med en 9-pins seriell kabler.
    2. Har datainnsamlings boksen koordinere TMS levering og registrering av motion capture-data etc. Dette gjøres ved alle de nevnte operasjon som finnes i manuset og sequencer filer. Koble A / D-boksen ved hjelp av en USB-kabel til PC en og en BNC til parallell kabelen fra A / D-boks trigger inngang til PC 2.
    3. Plugg EMG fører inn til EMG filter (band-pass satt til 20 og 2500 Hz) og forsterker (gevinst x1,000) for innsamling av EMG aktivitet og corticospinal utgang målt som motor fremkalt respons (parlamentsmedlemmer).
    4. Koble Monofasisk Transkranial Magnetic Stimulator til de aktuelle datainnsamling boks digitale utganger (Digital output '0' i dette eksperimentet), slik at sweep-basert datainnsamling programvare på PC1 å utløse TMS pulser under forsøket. li>
    5. Koble en electrogoniometer til datainnsamling boksen på analog kanal 2. Denne tilkoblingen tillater sweep-basert datainnsamling programvare for å utløse TMS basert på skulder vinkel ved hjelp av programvaren som leveres av forfatterne.
    6. Bygge eller kjøpe en arm oppkvikkende enhet som støtter armen mot tyngdekraften. Denne anordning gjør det mulig for plane bevegelser i horisontalplanet (se figur 2). Dersom bygge enheten, er tilgjengelig på forespørsel fra tilsvarende forfatteren et eksempel tegning. Figur 2 viser et bilde av enheten som brukes i demonstrasjonen.

Figur 2
Figur 2. Arm oppkvikkende enhet. Avbildet er en deltaker plassert i armen avstivningsinnretning, mens en TMS spole er plassert på deltakerens hodebunnen.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. Eksperiment Set-up

  1. Antropometriske Tiltak
    1. Ta opp den totale kroppsvekt for deltakeren ved hjelp av en skala.
    2. Måle lengden av alle segmenter for den kinematiske og kinetisk analyse. For eksempel, i denne søknad med armen, måle lengden av hånden, underarmen og overarmen med et målebånd.
    3. Beregn antropometriske tiltak, for eksempel segment sentrum av masse, segment tyngdepunkt plassering, og treghetsradius ved hjelp av ligningene fra forskningslitteraturen. 9,12,13 (se utfyllende informasjon 1).
  2. EMG set-up
    1. Forbered huden over muskelen (e) av interesse med en lett slipende gel og tørk med alkohol. Sjekk impedansen med en impedans meter. Sørg for at huden-elektrodeimpedans er under 10 kohm å forbedre EMG signal acquisisjon.
    2. Plasser to elektroder over muskel magen av musklene av interesse i en bipolar montasje. Forfatterne lede leseren til ressurser for å bistå med EMG plassering. 2 For dette eksperimentet, plasserer elektrodene over biceps brachii, triceps brachii, pectoralis major, bakre deltoid, og brachioradialis.
    3. Bruke BNC kabler, koble utgangene fra EMG forsterker til de analoge kanalene 0, 1, 3, 4 og 5 (for denne spesifikke eksperiment, de kanalene knyttet til de som brukes i de nedlastbare skript) på A / D-boksen.
  3. TMS
    1. Kalibrere TMS spole til deltakeren hjelp av en neuro-navigasjonsprogramvare programmet, som beskrevet i programvarehåndboken.
      MERK: Andre metoder kan brukes til å kalibrere spole stilling til personens hodebunnen, men det anbefales å bruke en neuro-navigasjonsprogramvare program.
    2. Finn motor hotspot. Som en start sted, plassere spolen på kontralateral hanmisphere av armen / hånd blir studert og 5 cm lateralt for toppunktet til å gi en omtrentlig posisjon for hånd / arm område av den primære motor cortex. Finn toppunktet bruker International 10-20 elektroencefalografi elektrodeplasseringen system.
    3. Plasser TMS spolen flatt på deltakerens hode og orientere spolen slik at det er 45 ° i forhold til sagittal plan. Dette posisjonering vil indusere en latero-posterior til medio-anterior monofasisk strøm i hjernebarken.
    4. Begynnelsen på ~ 30% av den maksimale effekt stimulator (MSO) TMS leverer pulser med en inter-stimulus intervall på 6 sek eller mer, som beskrevet i sveipet baserte datainnsamling programvare.
    5. Flytt TMS spolen til litt forskjellige steder med små endringer i orientering til en MEP er observert i muskelen av interesse.
    6. Bestem MSO som gir MEPs av ~ 1 mV i målet muskel. Bruk nevro programvaren til digitalt registrere dette stedet. Gjentadenne fremgangsmåten for hver muskel som en motor hotspot er nødvendig for forsøket.
    7. Bestem hviler motor terskel (RMT) ved å starte på intensitet som produserer mest pålitelige ~ 1 mV MEP i muskelen av interesse, og leverer enkle TMS pulser og registrering av MEP topp til topp amplitude online.
    8. Bestem MSO der peak-to-peak amplitude av MEP er ≥ 50 uV i 5 ut 10 påfølgende forsøk. 3,11
      MERK: For å være i samsvar med tidligere litteratur, 1,3 sikre at MEP er tatt opp fra en monopolar EMG montasje.
  4. Eksperimentelle studier
    1. Begynn eksperimentet ved å kjøre den visuelle stimulus levering program først (ie., Scenario-fil). Starter den visuelle stimulus levering program først tillater programvaren å begynne å lese i de elektromagnetiske motion capture data og tillate en motion capture sensor for å kontrollere enmarkøren på skjermen.
    2. Kjør 'script file' for de eksperimentelle studier innenfor sweep-basert datainnsamling programvare. Dette skriptfilen leser i 'sequencer file' som leverer eksterne triggere basert på prøvetype.
    3. Input ønsket informasjon i konfigurasjons dialogboksen som åpnes. Trinn, 2.4.4 til 2.4.11 alt gjelder konfigurasjonsdialogboksen.
    4. Oppgi verdien "1" i "stimulus setter i randomisering blokk" boksen. Denne verdien bestemmer antallet ganger en prøvetypen utføres i en blokk.
    5. Oppgi verdien "20" i "randomisering blokker i eksperimentet" boksen. Denne verdien bestemmer antallet blokker som skal utføres i et eksperiment.
    6. Oppgi verdien "20" i "pip pulsvarigheten" boksen. Denne verdien kontrollerer lengden på tiden for DAC-uttaket, og derfor hvor lenge pip puls er "på".
      MERK: Endre denne verdien for å øke lengden påhørbar tone er til stede.
    7. Oppgi verdien "5" i "pip pulsamplituden" boksen. Denne verdien styrer amplituden i volt av DAC-uttaket og derfor "volum" på pipe puls.
    8. Oppgi verdien "100" i "tidsbestemt trigger post pip forsinkelse" boksen. Denne verdien bestemmer intervallet i ms mellom det auditive "go" kø og den digitale utgangen (ie., TMS trigger 1).
    9. Oppgi verdien "0,1" i "EMG trigger terskelnivå" boksen. Denne verdien bestemmer amplitude av EMG i volt som kreves for å utløse den digitale utgangen (ie., TMS trigger 2). Disse tiltakene ble tatt på ikke-utbedret EMG-signaler.
    10. Oppgi verdien "0,242" i "Angle trigger terskelnivå" boksen. Denne verdien bestemmer terskelverdien i volt lest fra electrogoniometer å utløse den digitale utgangen (ie., TMS trigger 3).
      MERK: Denne verdien avhenger kalibrering avden electrogoniometer. Brukeren bør innspill som spenningsverdi som tilsvarer en felles vinkel terskel som vil lokke fram en TMS puls.
    11. Oppgi verdien "1" (ie., 1 sek) i "post-rettssaken forsinkelse" boksen. Denne verdien bestemmer inter rettssaken intervall.
      MERK: Mer informasjon om hver funksjon kan bli funnet i skriptet, eller ved henvendelse til forfatterne.
    12. Starte skriptet når alt er klart med hensyn til deltakeren, TMS, og visuell stimulans skjerm program.
    13. Etter dette trinnet, observere programvaren kjøre på egen hånd uten noen / eller med minimal brukerundersøkelser.
      MERK: Et eksempel rettssaken starter med deltakeren plassere markøren i utgangsposisjon målet. Den nye visuelle målet posisjon vises og deltaker flytter til dette målet, når en auditiv 'go' signalet er levert via en digital til analog utgang på datainnsamling boksen.
    14. Etter å ha levert køen, be deltakerne til å flytte markøren til tArget. Etter å ha nådd målet posisjon ved hjelp av markøren, observere utgangsposisjon og begynne den neste rettssaken ved å plassere markøren tilbake i utgangsposisjon.
      MERK: Her er eksempel på TMS utløses av manuset. Sikre den enkelte er i sin utgangsposisjon. Observere den visuelle målet posisjon og instruere deltaker for å flytte markøren til dette målet. Utløse TMS å skje på 100 ms etter den auditive 'go' signalet. Den enkelte holder curser ved målposisjonen i 1 sek. Den enkelte går deretter tilbake til utgangsposisjon i påvente av neste rettssaken.
    15. Pass på at markøren er i utgangsposisjon. Observere den visuelle målet posisjon og instruere deltaker for å flytte markøren til målet posisjon. Utløse TMS å skje på 100 ms etter den auditive 'go' signalet. Pålegge den enkelte å holde markøren på målet posisjon i 1 sek. Be den enkelte å flytte markøren tilbake til utgangsposisjonen avventer neste rettssaken.
      NB: I dette eksemplet, utløser det analoge signalet til TMS. Nærmere bestemt i dette eksempel, utløser EMG TMS-puls. Eksperimentet har 21 Betingelser: 7 mål vilkår x 3 forskjellige tidspunkter der en TMS puls utløses (dvs, trigger en, trigger 2, trigger 3.). I dette eksemplet er TMS pulser utløses basert på digitale hendelser, eller eksterne analoge utløse hendelser som EMG eller electrogoniometer innspill. Disse digitale eller analoge hendelser kan endres av brukeren ved å endre sekvenser og script-filer. Den omtrentlige totale varigheten av forsøket er 3 til 4 timer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser resultatene fra en enkelt studie. I denne studien viser figur 3A utgangsposisjonen for deltakeren, og etter en auditiv 'go' cue, deltakeren flyttet så raskt og nøyaktig som mulig til målet (ie., Sluttstilling). Sweep-basert datainnsamling programvare utløste en TMS puls basert på EMG utbruddet i biceps brachii muskelen. Dette tillot mål på corticospinal produksjonen rettet mot øvre arm muskler til å bli vurdert på et bestemt tidspunkt under utføring av oppgaven. Figur 3B viser MEP innhentet fra hver muskel fra den eneste TMS puls under EMG utbruddet av denne rettssaken. Den topp-til-topp amplituden til MEP fra TMS pulsen blir målt fra hver muskel. Alternativt kan området av MEP måles. Endringer i MEP størrelse på tvers av ulike bevegelses faser eller bevegelsestypene indikerer endringer i corticospinal oppstemthet tvers av ulike oppgaver eller tidspunkter. Ved hjelp av den integrerte tilnærmingen av motion capture og TMS-systemer, kan forskerne kvantifisere nevrale aktiviteten stammer fra motor cortex på et bestemt tidspunkt i løpet av atferd, for eksempel under EMG utbruddet i dette eksemplet. Videre kan det være en forsinkelse inn mellom EMG utbruddet og utløsning av TMS levering (se sequencer filen på linjene 88-98 og 109 til 117 til sette inn denne forsinkelsen) for å undersøke tidsforløpet for corticospinal utgang som kan variere gjennom bevegelse. Viktigere, kan andre analoge signaler slik som bevegelse kinematikk (felles vinkel, felles hastighet, ledd akselerasjon), og sensoriske signaler (visuell, auditiv) også brukes til å utløse TMS levering.

Tallene 3C og 3D vise vinkelforskyvning av skulder og albueleddet. Figurene 3E og 3F vise engular hastighet på skulderen og albuen. Figur 3G og 3H vise kinetikk ved skulder og albueledd. De blå, grønne og røde linjer er netto, muskel og bein på bein kontakt øyeblikk, henholdsvis. Corticospinal oppstemthet, rettet til hver muskel, kan deretter sammenlignes med de ulike bevegelses utfallsmål (ie., Bevegelse kinematikk og kinetikk). Disse tiltakene er beregnet basert på motion capture data og antropometriske data. I tillegg gir dette oppsettet for tidslåst TMS pulser til å skje når som helst før eller under bevegelsen og kan vurdere endringer i corticospinal eksitabilitet i forhold til visse funksjoner i bevegelse.

Figur 4 viser eksempel parlamentsmedlemmer registrert fra biceps brachii (A) og pectoralis major (C), mens nå til et mål som krever både biceps brachii og pectoralis major (E) for å være aktiv. Figur 4 viser også MEP registrert fra triceps brachii (B) og posterior deltoid (D), mens nå til et mål som krever både triceps brachii og bakre deltoid (F) for å være aktiv.

Figur 3
Figur 3. Representative resultater fra en enkelt studie. (A) skjematisk til venstre viser startposisjon under rettssaken begynnelsen, mens skjematisk til høyre viser sluttposisjonen under rettssaken. (B) topp til topp amplituden av MEP fremkalt i de øvre armmusklene. BB = Biceps brachii, TB = Triceps brachii, PM = pectoralis major, PD = Bakre deltoid. (C og D) vinkelforskyvningen tidsprofilen av skulder- og albueledd gjennom hele prøveperioden. Verdiene indikerer rotasjon (i radianer) forskjøvet med en rotasjon mot urviseren i forhold til right vannrett. En økende vinkel indikerer fleksjon, mens en fallende vinkel indikerer forlengelse. (E & F) vinkelhastigheten tidsprofil for skulder- og albueledd gjennom hele rettssaken. (G og H) det øyeblikk tidsprofilen av skulderen og albueleddet gjennom forsøksperioden. Den blå linjen viser Net Moment, skildrer Bone på Bone Kontakt Moment den røde linjen, og den grønne linjen viser spådd Muscle Moment. Positive verdier indikerer at det øyeblikket handler i flexor retning (ie., Mot urviseren rotasjon), mens negative verdier indikerer at det øyeblikket handler i extensor retning (ie., Rotasjon med klokken). Se Tilleggsinformasjon 4 for beregning av muskler, bein på bein kontakt og netto øyeblikk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


Figur 4. Representative parlamentsmedlemmer er tatt opp fra øvre arm muskler. MEP registrert fra biceps brachii (A) og pectoralis major (C), mens nå til et mål som krever aktivitet av både biceps brachii og pectoralis major (E). MEP registrert fra triceps brachii (B) og posterior deltoid (D), mens nå til et mål som krever aktivitet av både triceps brachii og bakre deltoid (F). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polhemus FASTRAK Polhemus Inc. 6 degrees of freedom electromagnetic motion tracking device with 4 sensors
Presentation Neurobehavioural Systems Inc. A fully programmable software for experiments involving data acquisition and stimulus delivery
Cutom built Exoskeleton 80/20 Inc. - The industrial erector set Varies Various parts used to build the exoskeleton
Brainsight Rogue Research Inc. Neuronavigation software to track coil position throughout the experiment

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Atferd Transkranial magnetisk stimulering primære motor cortex planar nå elektromyografi kinematikk kinetikk analog datainnsamling programvare visuelle stimulus levering programvare software / hardware integrasjon motion capture
Kombinere flere datainnsamlingssystemer å studere corticospinal Output og Multi-segment Biomechanics
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Asmussen, M. J., Bailey, A. Z.,… More

Asmussen, M. J., Bailey, A. Z., Keir, P. J., Potvin, J., Bergel, T., Nelson, A. J. Combining Multiple Data Acquisition Systems to Study Corticospinal Output and Multi-segment Biomechanics. J. Vis. Exp. (107), e53492, doi:10.3791/53492 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter