Многофункциональный установки для изучения управления двигателем человеческого Использование транскраниальной магнитной стимуляции, электромиографии, Motion Capture, и виртуальной реальности

Общая цель следующего эксперимента — продемонстрировать обобщенный метод синхронизации нескольких потоков данных, регистрируемых в ходе биомеханических исследований человека. Это достигается путем использования электромиографических сигналов и сигналов захвата движений для создания аналогового события синхронизации, которое может быть независимо зарегистрировано двумя или более системами. На втором этапе могут быть разработаны простые компоненты схем, преобразующие это событие в сигналы, подходящие для каждого записывающего устройства.

Затем используйте программное обеспечение для анализа, чтобы временно согласовать события синхронизации между независимо записанными сигналами для синхронизации всех сигналов. Результаты показывают, что несколько биомеханических сигналов могут быть временно согласованы в пределах частот дискретизации соответствующих систем записи данных, что позволяет собрать богатый набор экспериментальных данных о естественных движениях человека для изучения нервно-мышечного контроля. В областях управления моторикой и биомеханики существует множество сложных вопросов, ответы на которые можно получить наиболее эффективно, изучая естественные движения человека в лабораторных условиях.

Здесь мы описываем метод использования виртуальной реальности для определения поведенческих задач, в ходе которых одновременно регистрируются несколько физиологических сигналов. Преимущество экспериментальной установки на базе виртуальной реальности перед существующими методами, такими как аппаратные поведенческие стенды, заключается в том, что она может быть очень быстро адаптирована к различным экспериментам, а также к уникальной анатомии отдельных участников. В ходе поведенческих экспериментов общепринятой практикой является одновременная запись нескольких сигналов, количественно характеризующих поведение, таких как электромиография и захват движения.

Наш метод решает проблему временного согласования этих сигналов с помощью специализированного блока синхронизации, совместимого с оборудованием различных производителей. Начните с выполнения всех необходимых электрических соединений между компонентами ЭМГ-системы, включая усилители, предусилители, провода датчиков и сенсорные электроды, в соответствии со спецификациями производителя. Очистите каждое место установки электрода, чтобы обеспечить стабильно низкие значения импеданса между электродом и кожей.

Затем попросите испытуемого выполнить изометрические сокращения соответствующих мышц и закрепите электроды ЭМГ над пальпируемым местом сокращения мышцы, учитывая ориентацию активных зон вдоль мышечных волокон. Прикрепите заземляющий электрод к коже над седьмым шейным позвонком (C7).

Затем для проверки качества сигнала осмотрите усиленные сигналы ЭМГ на компьютере, пока испытуемый сокращает каждую из интересующих мышц. Наконец, уменьшите коэффициент усиления, если сигналы ЭМГ насыщаются при мышечных сокращениях, необходимых для выполнения поведенческой задачи. Начните с калибровки камер отслеживания движений в соответствии с инструкциями производителя.

Прикрепите активные светодиодные датчики к костным ориентирам в области суставов рук, а также к другим значимым анатомическим точкам, например, в области пальцев, запястья, плеча и груди. Закрепите еще один светодиодный датчик на гарнитуре виртуальной реальности (VR) для установки точки обзора в виртуальной среде. Затем подключите каждый светодиод к жгуту электропроводки, который присоединен к беспроводному блоку управления.

Включите блок управления и убедитесь в надлежащей работе всех светодиодов. В завершение расположите синхронизирующий светодиод в месте, удаленном от объекта, но находящемся в прямой видимости камер захвата движений. Сначала откалибруйте устройство и программное обеспечение для транскраниальной магнитной стимуляции (TMS), чтобы обеспечить точное позиционирование катушки.

Для этого выполните корегистрацию катушек ТМС с анатомическими ориентирами, такими как преаурикулярные точки и кончик носа, используя калибровочный указатель. Затем примените методику поиска «горячего пятна» (hotspot) для определения чувствительных к ТМС областей коры, вызывающих максимальную амплитуду моторных вызванных потенциалов (МВП).

При минимальной амплитуде стимуляции зафиксируйте местоположение оптимальной точки стимуляции на скальпе испытуемого с помощью откалиброванного стереотаксического регистрационного оборудования и программного обеспечения. Наконец, определите порог испытуемого, снижая амплитуду стимуляции в выбранной точке до тех пор, пока MEP амплитудой не менее 50 microvolts будут вызываться в 50% случаев. Сначала настройте среду VR для поведенческого теста в соответствии с протоколом производителя.

Используйте коммерческое программное обеспечение VR, совместимое с гарнитурой и программой системы отслеживания движений. Цифровые выходы через параллельный порт используются для синхронизации и маркировки конкретных интересующих событий. Подключите выход VR к схеме синхронизации, а также к другому оборудованию, требующему синхронизации, используя кабели с соответствующими разъемами.

Проинформируйте испытуемого о требованиях к заданию, которое он или она будет выполнять в VR. Попросите испытуемого указывать на сферические мишени, когда они появляются в его или ее поле зрения. Как только испытуемый поймет задачу и получит возможность потренироваться, начните запись данных захвата движений ЭМГ и синхронизационных сигналов в ходе одного синхронизационного пробного запуска в VR.

Программное обеспечение инициирует запись сигналов оборудованием ЭМГ, которые иллюстрируют нейромускулярную активность, возникающую при движениях верхней конечности. Оно также инициирует запись непрерывных данных о движении оборудованием для захвата движений. Этот сигнал может быть использован для синхронизации данных ЭМГ и захвата движений.

Для одной задачи представлены усредненные угловая кинематика и динамика, а также связанная с ними непрерывная и мгновенная нейромышечная активность за 24 повторения. Эти многомерные наборы данных, полученные с помощью виртуальной реальности, позволят исследователям изучать специфические механизмы моторного контроля человека. После просмотра этого видео вы должны получить общее представление о том, как синхронизировать несколько потоков данных, которые могут регистрироваться во время экспериментов по изучению движений человека, таких как ЭМГ и захват движения. Данная процедура может быть расширена за счет включения дополнительных систем, например, электроэнцефалографии.

Кроме того, электрическую стимуляцию периферических нервов можно использовать для оценки вклада сенсорной обратной связи в моторный контроль после его развития. Этот метод открыл нейробиологам путь к изучению изменений в нейронном управлении движениями у лиц с двигательными расстройствами, такими как инсульт или травма спинного мозга.