Name: Combinando Múltiplos Sistemas de Aquisição de Dados para o Estudo de saída Corticospinal e Multi-segmento Biomecânica (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01.000+00:00
Duration: 8 min 48 s
Description: Aprenda a integrar sistemas de aquisição de dados com estimulação magnética transcraniana para estudar controle motor humano. Este método automatiza a entrega de estímulos cerebrais com base em parâmetros específicos.

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

<ol><li>Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization+of+ipsilateral+excitatory+and+inhibitory+pathways+in+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex.</a> J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).</li>
<li>Criswell, E. Cram's Introduction to Surface Electromyorgaphy. , 2nd edn, Jones and Barlett Publishers. Mississauga, Canada. (2011).</li>
<li>Di Lazzaro, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+physiological+basis+of+transcranial+motor+cortex+stimulation+in+conscious+humans.+Magnetic+stimulation%3A+motor+evoked+potentials.+The+International+Federation+of+Clinical+Neurophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology.</a> Clin. Neurophysiol. 115 (2), 255-266 (2004).</li>
<li>Ferbert, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interhemispheric+inhibition+of+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Interhemispheric inhibition of the human motor cortex.</a> J Physiol. 453, 525-546 (1992).</li>
<li>Hallett, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+magnetic+stimulation%3A+a+primer%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li>
<li>Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theta+burst+stimulation+of+the+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Theta burst stimulation of the human motor cortex.</a> Neuron. 45 (2), 201-206 (2005).</li>
<li>Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasticity-inducing+TMS+protocols+to+investigate+somatosensory+control+of+hand+function%5BTitle%5D)+AND+%22Neural+Plast%22%5BJournal%5D)">Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function.</a> Neural Plast. , 350574(2012).</li>
<li>Kujirai, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Corticocortical+inhibition+in+human+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Corticocortical inhibition in human motor cortex.</a> 471, 501-519 (1993).</li>
<li>Miller, D., Nelson, R. Biomechanics of Sport: A Research Approach. , Lea and Febiger. Philadelphia, USA. (1973).</li>
<li>Nussbaum, M. A., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heuristics+for+locating+upper+extremity+joint+centres+from+a+reduced+set+of+surface+markers%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Movement+Sciences%22%5BJournal%5D)">Heuristics for locating upper extremity joint centres from a reduced set of surface markers.</a> Human Movement Sciences. 19, 797-816 (2000).</li>
<li>Rossini, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+electrical+and+magnetic+stimulation+of+the+brain%2C+spinal+cord+and+roots%3A+basic+principles+and+procedures+for+routine+clinical+application.+Report+of+an+IFCN+committee%5BTitle%5D)+AND+%22Electroencephalogr.+Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">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.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 91 (2), 79-92 (1994).</li>
<li>Winter, D. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWinter%2C+DA+%22Biomechanics+and+Motor+Control+of+Human+Movement%22">Biomechanics and Motor Control of Human Movement</a>. , 4th edn, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, USA. (2009).</li>
<li>Zatsiorsky, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZatsiorsky%2C+V+%22Kinetics+of+Human+Motion%22">Kinetics of Human Motion</a>. , Human Kinetics Publishers Inc. Windsor, Canada. (2002).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

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 ...

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. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>Polhemus FASTRAK</td><td>Polhemus Inc.</td><td></td><td>Dispositivo de rastreamento de movimento eletromagnético de 6 graus de liberdade com 4 sensores</td></tr><tr><td>Apresentação</td><td>Neurobehavioural Systems Inc.</td><td></td><td>Um software totalmente programável para experimentos envolvendo aquisição de dados e entrega de estímulos</td></tr><tr><td>Cutom construiu Exoskeleton</td><td>80/20 Inc. - O conjunto de montadores industriais</td><td>Varia</td><td>Várias peças usadas para construir o exoesqueleto</td></tr><tr><td>Brainsight</td><td>Rogue Research Inc.</td><td></td><td>Software de neuronavegação para rastrear a posição da bobina durante todo o experimento</td></tr></tbody></table>

combinando múltiplos sistemas de aquisição de dados para o estudo de saída corticospinal e multi-segmento biomecânica

Combining Multiple Data Acquisition Systems to Study Corticospinal Output and Multi-segment Biomechanics

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.

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 &#39;ir&#39; 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 cort...

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.

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

Transcranial magnetic stimulation techniques allow for an in-depth investigation into the neural mechanisms that underpin human behavior. To date, the use ...

O objetivo geral desta metodologia é criar uma abordagem econômica de integração de estudos de estimulação cerebral e movimento humano. Este método pode responder a questões-chave no campo de controle neuromotor, como como a saída neuro do córtex motor pode ser modulada durante o movimento contínuo. A principal vantagem dessa técnica é que a entrega da estimulação cerebral é automatizada por computador e é determinada pelo parâmetro específico de interesse do pesquisador, como o ângulo articular ou a magnitude da atividade muscular.Demonstrando este procedimento estará Aaron Bailey, um estudante de pós-graduação do meu laboratório. Consulte o manuscrito que acompanha este vídeo para obter instruções de configuração de hardware e software para este protocolo experimental. O diagrama visto aqui fornece uma visão geral da configuração de hardware.Comece examinando o participante quanto à segurança da EMT e obtendo consentimento por escrito e informado para o experimento. Em seguida, registre a massa corporal total do participante usando uma balança. Use também fita métrica para determinar o comprimento da mão, antebraço e braço do participante, pois esses segmentos podem ser usados posteriormente para análise cinemática e cinética.Em seguida, prepare a pele sobre os músculos de interesse usando um gel abrasivo leve. Em seguida, limpe a área com álcool. Use um medidor de impedância para garantir que a impedância do eletrodo da pele esteja abaixo de 10 kiloohm para melhorar a aquisição do sinal EMG.Agora coloque dois eletrodos sobre a barriga dos músculos em uma montagem bipolar. Para este experimento, coloque eletrodos sobre o bíceps braquial, tríceps braquial, peitoral maior, deltóide posterior e braquiorradial. Finalmente, usando os cabos NC, conecte as saídas do amplificador EMG aos canais analógicos zero, um, três, quatro e cinco na caixa AD.Localize o vértice usando o Sistema Internacional de Colocação de Eletroencefalografia de Eletroencefalografia 10-20. Calibre a bobina TMS para o participante usando um software de neuronavegação. Localizar o ponto quente motor para cada músculo de interesse é a parte mais crítica do experimento.Localizar incorretamente o ponto quente do motor ou orientar incorretamente a bobina pode ter efeitos nos dados adquiridos. Em seguida, para localizar o ponto quente do motor, comece colocando a bobina no hemisfério contralateral do braço ou mão que está sendo estudado e cinco centímetros laterais ao vértice. A bobina deve ser plana na cabeça do participante e orientada de forma que fique 45 graus em relação ao plano sagital.Em seguida, comece com cerca de 30% da saída máxima do estimulador e forneça pulsos TMS com um intervalo entre estímulos de seis segundos ou mais, conforme descrito no software de aquisição de dados baseado em suíte. Mova a bobina TMS para locais ligeiramente diferentes no couro cabeludo enquanto também altera ligeiramente a orientação até que um potencial evocado motor seja observado no músculo de interesse. Agora determine o limiar do motor em repouso começando na intensidade que produz a resposta mais confiável em cerca de um milivolts.Forneça pulsos únicos e registre a amplitude potencial evocada pelo motor on-line. Comece o experimento executando primeiro o programa de software de entrega de estímulo visual. Em seguida, execute o arquivo de script para os ensaios experimentais dentro do software de aquisição de dados baseado em suíte, conforme descrito no manuscrito que acompanha este protocolo.Insira as informações desejadas na caixa de diálogo de configuração, conforme mostrado na tela aqui. Esses valores definirão o tempo e outras configurações para os testes experimentais. Por exemplo, os conjuntos de estímulos e o valor de randomização controlam o número de vezes que o tipo de teste é realizado em um bloco.Os sensores de captura de movimento são aderidos ao paciente. Após esta etapa, o software será executado por conta própria com o mínimo de entrada do usuário. Certifique-se de que o participante entenda todas as instruções da tarefa e, em seguida, inicie o experimento.Um teste começa quando o participante coloca o cursor no alvo da posição inicial. Em seguida, uma nova posição de destino visual aparecerá. Em seguida, um go que auditivo é entregue por meio de uma saída digital para analógica na caixa de aquisição de dados e o participante deve mover o cursor para o novo alvo.Eles devem manter o cursor nesta posição alvo por um segundo e depois devolvê-lo à posição inicial para aguardar a próxima tentativa. O sinal analógico do EMG acionará o pulso TMS, que deve ser configurado para ocorrer 100 milissegundos após o sinal auditivo. Observe o participante e certifique-se de que o cursor esteja colocado na posição inicial e nos alvos durante as tentativas.O experimento, como visto aqui, tem 21 condições que consistem em sete condições-alvo com três pontos de tempo diferentes nos quais um pulso TMS é acionado. A duração total aproximada do experimento é de três a quatro horas. Em uma única tentativa, o esquema à esquerda mostra a posição inicial no início da tentativa, enquanto o esquema à direita mostra a posição final durante a tentativa.Aqui vemos a amplitude peek-to-peek do MEP obtido de cada músculo do pulso único de TMS durante o início da EMG deste estudo. Os gráficos vistos aqui mostram o deslocamento angular da articulação do ombro e do cotovelo, enquanto esses gráficos mostram a velocidade angular nas mesmas articulações. Aqui vemos a cinética nas articulações do ombro e cotovelo, com as linhas azul, verde e vermelha, cada uma representando o músculo líquido e o momento de contato osso com osso, respectivamente.Esta figura mostra exemplos de potenciais evocados motores registrados no bíceps braquial e no peitoral maior, ao mesmo tempo em que atinge um alvo que requer que ambos os músculos estejam ativos. Também são mostrados potenciais evocados motores registrados no tríceps braquial e no deltóide posterior, ao atingir um alvo que requer que esses músculos estejam ativos. Uma vez dominada, essa técnica pode ser executada em duas a três horas, se feita corretamente.Ao tentar este procedimento, é importante determinar qual sinal analógico, como atividade EMG ou ângulo articular, será usado para acionar o pulso TMS. Essas informações serão determinadas pelo contexto do experimento. Após este procedimento, outros métodos como EEG podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como se as mudanças nas oscilações cerebrais são moduladas em paralelo com as mudanças na produção corticoespinhal.

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Research

JoVE Journal

Behavior

Comportamento

Este vídeo demonstra modulação da atividade reflexa, força volitiva e deambulação através de avaliação clínica e quantitativa em indivíduos com motor SCI incompleta como resultado da administração oral aguda de um inibidor da recaptação da serotonina (ISRS).

Os métodos para quantificar alterações farmacologicamente induzida na função motora em humanos SCI incompleta

Desenvolvimento de um sistema cérebro-máquina-interface eficaz (IMC) para a restauração e reabilitação da locomoção bípede requer decodificação precisa da intenção do usuário. Aqui apresentamos um protocolo experimental romance e técnica de coleta de dados para aquisição simultânea não-invasivo de atividade neural, a atividade muscular e cinemática do corpo inteiro durante várias tarefas e condições de locomoção.

Eletroencefalografia simultânea Scalp (EEG), eletromiografia (EMG), e gravação de inércia segmentar de corpo inteiro para Multi-modal Neural Decoding

A estimulação magnética transcraniana de pulso único sobre o córtex motor primário, a neuronavigação e o registro de atividade eletromiográfica dos músculos das mãos foram utilizadas neste estudo para explorar a excitabilidade corticospinal enquanto os participantes observavam sequências de ação.

Modulação de excitabilidade corticospinal durante a observação de ação

Estimulação magnética transcraniana, eletromiografia e captura de movimento 3D são técnicas não invasivas comumente usadas para investigar a função neuromuscular em humanos. Neste artigo, descrevemos um protocolo que faz amostras síncronas de dados gerados por todas essas três ferramentas, juntamente com a adição exclusiva de apresentação e feedback de estímulos de realidade virtual.

Setup Multifuncional de Estudos de Controle Motor Humano Utilizando Estimulação Magnética Transcraniana, Eletromiografia, Captura de Movimento, e Realidade Virtual

O objetivo era comprovar a utilização óptima das técnicas de coleta de dados para a marcha caminhada nórdica e análise de postura. Captura de movimento tridimensional deve ser usado durante a análise de curta duração (isto é único ciclo da marcha), enquanto acelerometria deve ser empregado para análise de duração mais longa (ou seja repetidos ciclos) como um teste de caminhada de 6 minutos.

Fundamentar Técnicas Movimento de captura adequados à avaliação da marcha Nordic Walking e postura em adultos mais velhos

Aqui, apresentamos um novo protocolo para medir a estabilidade posicional em eventos-chave durante o sentar-para-levantar-para-andar usando o centro de pressão para a distância do centro de massa de todo o corpo. Isso foi derivado da plataforma de força e da tecnologia de captura de movimento tridimensional. O paradigma é confiável e pode ser utilizado para a avaliação de indivíduos neurologicamente comprometidos.

Sit-to-stand-e-pé do 120% joelho Altura: uma nova abordagem para avaliar Dinâmica Postural Independente de Controlo de Chumbo-limb

O presente protocolo descreve a avaliação simultânea, bilateral da resposta corticomotor do sóleo e tibial anterior durante a ativação voluntária resto e tônico, usando uma estimulação magnética de transcranial de pulso único e neuronavigation sistema.

Navegou de avaliação bilateral das vias corticoespinhal dos músculos do tornozelo utilizando estimulação magnética transcraniana

Aqui apresentamos um protocolo para coleta e análise da cinemática tridimensional da locomoção quadrupedal em roedores para estudos pré-clínicos.

Análise de marcha cinemática 3D para estudos pré-clínicos em roedores

Alcançar é uma habilidade fundamental que permite que os seres humanos interajam com o ambiente. Diversos estudos têm como objetivo caracterizar o comportamento de alcance utilizando uma variedade de metodologias. Este artigo oferece uma aplicação de código aberto de estimulação magnética transcraniana para avaliar o estado de excitabilidade corticoespinhal em humanos durante o desempenho da tarefa.

Avaliando a excitabilidade corticoespinhal durante o comportamento de alcance direcionado a objetivos

Esse protocolo estabelece uma pipeline de avaliação cinemática do membro posterior do rato usando um teste de esteira sem marcadores com auto-rotulagem de trajetória multiarticular orientada por aprendizado profundo, que permite quantificação reprodutível do movimento.

Rastreamento Síncrono Multiarticular Baseado em Deep Learning para Quantificação Objetiva da Cinemática Locomotrica do Membro Posterior em Ratos

Aprenda a integrar sistemas de aquisição de dados com estimulação magnética transcraniana para estudar controle motor humano. Este método automatiza a entrega de estímulos cerebrais com base em parâmetros específicos.

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