Abstract
ويتم إنجاز دراسة السيطرة العصبية والعضلية الحركة في البشر مع العديد من التكنولوجيات. طرق غير الغازية للتحقيق وظيفة العصبية والعضلية وتشمل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، الكهربائي، والتقاط الحركة ثلاثية الأبعاد. ظهور حلول الواقع الافتراضي متوفرة بسهولة وفعالة من حيث التكلفة وسعت قدرات الباحثين في إعادة البيئات والحركات "العالم الحقيقي" في إعداد المختبر. وتحليل حركة الطبيعي حشد ليس فقط فهم أكبر من التحكم في المحركات في الاشخاص الاصحاء، ولكن أيضا يسمح تصميم التجارب والاستراتيجيات التي تستهدف إعادة تأهيل الإعاقات الحركية محددة (مثل السكتة الدماغية). والجمع بين استخدام هذه الأدوات يؤدي إلى فهم أعمق بشكل متزايد من الآليات العصبية من التحكم في المحركات. وهناك مطلب أساسي عند الجمع بين هذه الأنظمة الحصول على البيانات والمراسلات الزمنية الجميلة بين مختلف تيارات البيانات. تييصف بروتوكول له اتصال نظام متعدد الوظائف الشاملة، intersystem الإشارات، والتزامن الزمني للبيانات المسجلة. ويتم إنجاز تزامن النظم المكونة أساسا من خلال استخدام دائرة للتخصيص، أدلى بسهولة مع عناصر من الجرف والالكترونيات الحد الأدنى من المهارات التجمع.
Introduction
الواقع الافتراضي (VR) سرعان ما أصبحت أداة بحث للوصول للاستخدام في عدد من المجالات، بما في ذلك دراسة حركة الإنسان. واستفادت الدراسة من حركة الأطراف العليا وخاصة من خلال دمج VR. الواقع الافتراضي يسمح التخصيص السريع من المعلمات التجريبية تهدف إلى تحقيق ميزات محددة الحركية والدينامية للسيطرة حركة الذراع. هذه المعايير يمكن تعديلها بشكل فردي لكل موضوع. على سبيل المثال، مواقع أهداف افتراضية يمكن زيادتها لضمان مطابقة الموقف الذراع الأولي في المواضيع. الواقع الافتراضي كما يسمح للتلاعب من ردود الفعل البصري خلال التجارب، وهو أداة لا تقدر بثمن في مجال البحوث visuomotor 1-5.
فإن استخدام بيئات VR واقعية مع أدوات النشاط الحيوي أخرى تسمح أيضا سيناريوهات الحركة الطبيعية التي لاختبار أنماط الحركة. هذا الترتيب هو أن تصبح ذات قيمة متزايدة لدراسة وممارسة إعادة التأهيل بعد الأمراض والإصابات 6،7. سوف تحاكي الحركات والبيئات الطبيعية (مثل أداء الحركات في المطبخ الظاهري) في عملية إعداد سريرية تمكين أخصائيي إعادة التأهيل لوصف أكثر دقة ضعف الفرد في سياق العالم الحقيقي. سوف الأوصاف ضعف فردية عالية تسمح لاستراتيجيات علاجية أكثر تركيزا، قد يؤدي إلى زيادة فعالية وتقليل مدة إعادة التأهيل.
الجمع بين VR مع أدوات أخرى مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS)، العضلات السطحية (EMG)، وكامل الجسم التقاط الحركة، ويخلق منصة قوية للغاية ومرنة لدراسة السيطرة العصبية والعضلية الحركة في البشر. التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة هو أسلوب غير الغازية قوية لقياس استثارة والنزاهة الوظيفية تنازلي مسارات السيارات (مثل السبيل القشري) من خلال رد و EMGوفاق مثل محرك أثار إمكانات (البرلمان الأوروبي) 8. وتمكن الأنظمة التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد الحديثة الباحثين لدراسة النشاط العصبي العضلي معا مع ما يترتب على الكينماتيكا حركة وديناميكية. هذا يسمح خلق نماذج مفصلة للغاية من نظام العضلات والعظام فضلا عن اختبار الفرضيات حول بنية ووظيفة من وحدات تحكم العصبية. وهذه الدراسات توسيع المعرفة العلمية لدينا من النظام الحسي البشري وتؤدي إلى تحسينات في علاج العضلات والعظام والاضطرابات العصبية.
ومع ذلك، مشكلة رئيسية واحدة مع أنظمة متعددة الوظائف هي تزامن تيارات البيانات المسجلة على حدة (على سبيل المثال التقاط الحركة، EMG، وما إلى ذلك). والهدف من هذا البروتوكول هو لوصف ترتيب تعميم نظم المشتركة المتاحة تجاريا لتسجيل وقت واحد قياسات النشاط الحيوي والفسيولوجية أثناء الحركة. باحثون آخرون باستخدام معدات منقد يكون مختلف الصانعين لتغيير عناصر هذا البروتوكول لتناسب احتياجاتهم الخاصة. ومع ذلك، ينبغي أن تكون المبادئ العامة من هذا البروتوكول تزال سارية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
جميع المشاركين المشاركة في التجارب الخضوع لإجراءات الموافقة المسبقة التي وافقت عليها جامعة جنة المراجعة المؤسساتية ولاية فرجينيا الغربية (IRB).
1. عموما خصائص النظام والتصميم والتجريبية العمل العام
ملاحظة: يتكون الإعداد الكامل للمكونات الرئيسية التالية: معدات EMG والرقمية اقتناء (دق) المعدات المرتبطة بها. نظام التقاط الحركة (يتضمن هذا البروتوكول نظام LED النشطة). وحدة TMS مع لفائف الرقم من بين ثمانية والمعدات توطين التجسيمي. سماعة VR والكمبيوتر والبرامج المرتبطة بها؛ وعرف تزامن الدائرة. ويبين الشكل 1 تخطيطي الربط بين مكونات البروتوكول.
- اتصال من مكونات النظام
- ربط EMG قبل مكبر للصوت مكبر للصوت الرئيسي.
- ربط الانتاج من مكبر للصوت EMG إلى دق تسجيل كتلة معدات الإدخال باستخدام BNC أو تربط. مماثلستعقد.
- ربط دق معدات التسجيل للكمبيوتر مخصص التي سيتم تنفيذ برنامج نصي الحصول على البيانات (ملف تكميلي).
- توصيل الكمبيوتر التحكم VR انتاج مواز إلى وحدة الدائرة المخصصة (انظر القسم التالي لمزيد من التفاصيل).
- اتصال التزامن والتقاط الحركة مما اثار المخرجات من الدوائر المخصصة لدق كتلة تسجيل جنبا إلى جنب مع وصلات إشارة EMG.
- تقسيم التقاط الحركة الزناد وتوصيله إلى "المدخلات التناظرية ابدأ" ميناء على المعدات EMG دق فضلا عن اتصال الزناد على جهاز الكمبيوتر الذي يتحكم أجهزة التقاط الحركة.
ملاحظة: الفرق الزمني بين بدايات تيارات الحصول على البيانات منها عن المعدات وصفه (التقاط الحركة وEMG) يمكن أن تتراوح 160-190 ميللي ثانية. هذا الاختلاف الزمني دوافع تصميم الدوائر تزامن الموصوفة في هذا البروتوكول وعلى الأرجح سببه البرامج والأجهزة الاختلافات بين هذين النظامين. <لى> اتصال TMS تؤدي ميناء على حدة الدائرة مخصصة لBNC المدخلات الزناد على وحدة التحكم TMS.
- إنشاء شبكة الربط بين VR والتقاط الحركة أجهزة الكمبيوتر باستخدام البرامج المتوفرة من قبل البائع واتصالات الشبكة المادية.
- ربط VR سماعة الرأس إلى جهاز الكمبيوتر VR وضمان قابلية التشغيل مع أي مخطوطات / البرامج التي تعرض البيئات الافتراضية للمشاركين.
الشكل 1: التوصيل من الإعداد بأكمله يصف هذا التصميم الربط العام بين عناصر من نظامنا. وصفت دائرة التزامن في أي مكان آخر في النص بمزيد من التفصيل. يتوافق التتبع الأزرق للإشارة إلى أن يبدأ كل من التقاط الحركة والبيانات والجداول EMG. هذا الحدث هو مصدر التأخير الزمني تصل إلى 190 مللي ثانية باستخدام معدات الموصوفة في هذا البروتوكول. يتوافق التتبع الأحمر إلى synchronizat بمبادرة VRالحدث أيون التي يتم تسجيلها بصورة متزامنة من قبل التقاط الحركة ونظم الإدارة البيئية، وبعد ذلك تستخدم لمحاذاة الزمنية للتيارات البيانات منها. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. تفاصيل العامة للمنظومة التكامل والتزامن
ملاحظة: يتم إنجاز تزامن نظم الحصول على البيانات منفصلة في هذا البروتوكول (التقاط الحركة وEMG) من خلال استخدام إشارة الحدث التي هي مشتركة بين جميع تيارات تسجيل. باستخدام الحدث المشترك، كل من إشارات يمكن إعادة ترتيب زمنيا بعد جمع البيانات لتقليل الوقت الحقيقي التناقضات تسجيل (ما يزيد عن 190 مللي ثانية باستخدام المعدات في هذا البروتوكول). في هذا البروتوكول، في إشارة مشتركة تنبع من النظام VR كإشارة المنفذ المتوازي. يتم توجيه إشارة مشتركة للدائرة التي تسمح تزامن البيانات منفصلةتيارات من خلال التسجيل المباشر مع إشارات EMG وتحول في وقت واحد قبالة التقاط الحركة LED. يتم إنشاء الدائرة باستخدام الأدوات والتقنيات الأساسية لبناء المكونات الإلكترونية، على غرار الدوائر موضح في مكان آخر 9.
- تصميم وتخطيط، وبناء حلبة التزامن
- تحديد أي الآليات المستندة إلى TTL اثار التناظرية على وحدات التحكم المعدات (مثل TMS، التقاط الحركة) وتصبح مألوفة مع متطلبات اثار مثل الاتجاه TTL نبض (إيجابية / سلبية) والسعة. آليات التناظرية تسبب في كثير من الأحيان تمتلك "BNC" الموصلات المحورية المشتركة التي تجعل مكونات توصيل بسيطة.
- إضافة مبلغ إضافي LED لنظام التقاط الحركة لاستخدامها لمزامنة الإشارات؛ الطريق أسلاك LED من خلال دائرة التزامن (الشكل 3).
- تحديد معالم العنصر الكهربائي (أي المقاومة، والسعة) يحتاج إلى الطورن قبالة مزامنة LED لفترة محددة من الزمن. العثور على مقدار الوقت الذي يتم تشغيل الدائرة في المزامنة LED قبالة عن طريق المعادلة: ر = 1.1 * R1 * C1. ويقترح هذا الوقت أن يكون أقل من متوسط مدة حركة التجريبية. على سبيل المثال، تجربة وصفها حاليا تتطلب المقاوم ومكثف في تصنيف واحد تقريبا megaohm ومكروفاراد واحدة، على التوالي.
- استخدام حام الحديد على الالتزام المكونات الكهربائية إلى "protoyping" المطبوعة أو "مشروع" لوحة الدوائر التالية التخطيطي هو مبين في الشكل (3) أرفق هذه الدائرة في البلاستيك المتاحة عموما "المشروع" مربع؛ فمن المرجح أن يكون ضروريا لحفر ثقوب في هذا المربع للموصلات BNC. يمكن بسهولة الدائرة يكون مدعوم من قبل 5 V قوة USB من جهاز كمبيوتر سطح المكتب. سيكون من الضروري لتفكيك كابل USB لعزل أسلاك الكهرباء والأرض. قد تكون هناك حاجة أيضا المكثفات الالتفافية لتنظيم الطاقة إلى 555رقاقة (لا يظهر في الشكل 3).
- تفقد لوحات الدوائر الالكترونية لأي الجسور لحام غير مقصودة بين المكونات الكهربائية. إذا وجدت، وإزالة لحام مع أداة الشفط أو الحرارة لحام وميكانيكيا إزالة اتصال سد.
الشكل 2: مخطط المحاكمة ويحدد هذا مخطط الحوافز وإشارة الأحداث التي تحدث أثناء محاكمة التجريبية النموذجية التي تضم التحفيز TMS. وتظهر رموز المنفذ المتوازي التي تحدث في جميع أنحاء محاكمة في الرموز التخطيطي DB25 (الضوء الأزرق).
- تفاصيل تزامن
- باستخدام مخطط مماثل إلى الشكل 2، وتحديد متى يجب أن تسبب القطع الفردية من المعدات أثناء حركة التجريبية. على سبيل المثال، بعض المعدات قد يمكن تشغيلها بشكل فردي، في حين أن البعض الآخر قد يكون سببها في وقت واحد. في نقطة زمنية التي تتطلب تحريك أو الإنذار (على سبيل المثال الزرقاء رموز المنفذ المتوازي في الشكل 2)، تحديد أي إشارة المنافذ المتوازية خطوط الاستخدام ودمجها في نظام VR. يتم ذلك عن طريق إرسال القيم العددية إلى المنفذ المتوازي في الأوقات المحددة أثناء الحركات، كل سطر يمثل رقم ثنائي. لمزيد من التفاصيل حول موازية الإشارات على المنفذ، يرجى الرجوع إلى مناقشة.
الرقم 3: دائرة التزامن يعرض هذا تخطيطي للتخطيط لدينا دائرة التزامن المخصصة. الإخراج الافتراضي من بوابة NAND هو حالة الجهد العالي. يتم إرسال هذا الإخراج الجهد لبوابة الترانزستور التي يتم من خلالها توجيه دارة LED متزامنة ل. هذه الحالة الافتراضية تجعل أغلقت الدائرة، الذي يحافظ على LED في حالة مضاءة. عند تلقي trigge المزامنةوانقلبت ص إشارة المنفذ المتوازي (تتبع الأحمر في الشكل)، وهي الحالة الداخلية للجهاز 555 تقديم الإخراج إلى حالة عالية، ويغلق الصمام (تتبع الأزرق). عندما يحدث هذا، والجهد على C1 (تتبع الأخضر) يتراكم على الجهد الذي يعيد الحالة الداخلية 555، تنشيط LED. كما يتم توجيه متزامنة المنفذ المتوازي إشارة الزناد مباشرة إلى موصل BNC أن يتم توصيله بمنفذ الزناد المدخلات TMS. ملاحظة: اتجاه هذا إشارة الزناد قد يكون من الضروري عكس (من الموجبة إلى سلبية مستمرة أو العكس بالعكس) اعتمادا على متطلبات محقق معدات معينة. إضافة ل"العاكس" رقاقة على هذا الإخراج الزناد من شأنه أن يسهل إنجاز هذه المهمة. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. الإجراءات التجريبية
- إجراءات السلامة والموافقة المستنيرة
- Ensuإعادة أن كافة الإجراءات التجريبية يتم الموافقة عليها من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB). شرح جميع الإجراءات للمشاركين والحصول على الموافقة المسبقة مع IRB افق الوثائق.
- بعد الحصول على الموافقة المسبقة، إجراء أساسي TMS سلامة الفحص مع المشاركين لضمان أنهم لا يملكون وطنين، والتاريخ العائلي للمرض الصرع أو التشنجات، أو غيرها من الشروط مع مخاطر مرتفعة من الحجز.
- خلال التحفيز TMS، تتطلب صارمة على استخدام سدادات وقائية لمنع تلف في حاسة السمع.
- مجموعة الكهربائي
- اعتمادا على الأهداف العلمية لدراسة القارئ، وتحديد من الذي تسليح العضلات لتسجيل إشارات EMG. لدراسة الموصوفة في هذا البروتوكول، ولدت عزم الدوران عند الكتف والكوع والتحقيق أثناء الحركة. وهكذا، سجلت إشارات EMG كانوا من العضلات السطحية الرئيسية التي تعمل على هذه المفاصل اثنين، مثل الدالية، الصدرية، العضلة ذات الرأسين، ثلاثية الرؤوس، وbrachioradialis.
- جعل جميع التوصيلات الكهربائية اللازمة بين مختلف المعدات EMG بما في ذلك مكبرات الصوت، preamplifiers، أسلاك أجهزة الاستشعار، ومنصات الاستشعار وفقا لمواصفات الشركة الصانعة من خلال ربط الموصلات مطابقة.
- إعداد كل موقع القطب عن طريق تنظيف بخفة مع مسحة الكحول، وإزالة أي الشعر الزائد بشفرة الحلاقة، وتطبيق هلام جلخ خفيفة. وإعداد الموقع الصحيح ضمان الكهربائي للجلد القيم مقاومة ثابتة ومنخفضة (<10 kOhms) ونسبة عالية من إشارات EMG المسجلة إشارة إلى الضجيج.
- هل لديك المواد تؤدي تقلصات متساوي القياس تهدف إلى عزل العضلات الفردية للاهتمام على أساس الوصف التشريحي والنشاط الحيوي المقبولة 10. على سبيل المثال، لعزل العضلة ذات الرأسين، اطلب من المشاركين في مقاومة امتدادا المفروضة من الكوع.
- بعد أن موضوعات تؤدي تقلصات عزل العضلات، ويضعوا التفاضلية أقطاب EMG القطبين أكثر سمكا، porti المركزيعلى، أو "البطن"، كل عضلة في مواقع قبلت 11. وهذا يضمن تغطية عدد القصوى من ألياف العضلات، ويقلل من "الحديث المتبادل" بين العضلات المجاورة. تأكد من محاذاة أطول محاور وأقطاب القطبين "على طول العضلات، بالتوازي مع الألياف.
- يلصق القطب الأرض EMG وفقا لمواصفات المعدات (مثل الجلد فوق فقرة C7).
- سجل تضخيم إشارات EMG من خلال معدات دق التي تسيطر عليها السيناريو الكمبيوتر المخصصة. يتم إرفاق النصي المستخدمة في البروتوكول الحالي كملف التكميلي.
- ضبط المكاسب تطبيقها على الإشارات المسجلة إلى المستوى المطلوب عن طريق تحريك الأوجه على المضخم EMG. تجنب قيم الكسب التي تسبب سجلت إشارات يتجاوز نطاق الإدخال للتسجيل المعدات (عادة 5V). EMG قيم الكسب المشتركة ما بين 1،000-4،000.
- أداء تقلصات متساوي القياس مماثلة لتلك التي تقوم في الخطوة 3.2.4 وتفقد البصر الاشارات EMGليرة سورية للتأكد من أنها هي ذات جودة عالية (نسبة عالية أي إشارة إلى الضوضاء). إعادة الأقطاب وتغيير كسب إشارة إذا لزم الأمر.
- الحركة التقاط تحضير النظام
- معايرة الحركة كاميرات تتبع باستخدام الإرشادات التي يتم توفيرها من البائعين والمعدات وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
- باستخدام الشريط ومواد التغليف الأخرى، ونعلق أجهزة الاستشعار LED نشطة لمعالم العظمية بالقرب من مفاصل الذراع ونقاط التشريحية الأخرى ذات الاهتمام المستخدمة في بناء نماذج النشاط الحيوي: السلامية البعيدة للعمليات السبابة، شعاعي والزندي الإبري في المعصم عملية الزج في عمليات الكوع، الغرابي والأخرم في الكتف، الشق القصية الترقوية، عملية الخنجري، وعملية الشائكة من C7. نعلق آخر أدى إلى سماعة الرأس VR إلى تعيين جهة نظر في بيئة افتراضية.
- ربط كل ادى الى تسخير الأسلاك التي تعلق على وحدة تشغيل لاسلكية. بدوره على الامم المتحدة سائقانها وضمان الإضاءة المناسبة لجميع المصابيح.
- ضع تزامن LED في مكان مناسب بعيدا عن هذا الموضوع، ولكن ضمن رؤية واضحة للكاميرات.
- عبر الجمجمة المغناطيسي تحفيز التجسيمي التعريب
- معايرة الأجهزة والبرمجيات المصممة لتسجيل TMS 12، للسماح دقيقة وضع لفائف. وهذا ينطوي عموما لفائف TMS-تسجيل بالاشتراك مع المعالم التشريحية مثل ناسيون، ونقاط أمام الأذن، وطرف الأنف. تسجيل التجسيمي بين المشاركين وفائف التحفيز جزء لا يتجزأ من يتفق تحفيز توطين.
- MEP هوت سبوت التعريب وMEP Pprocedures عتبة
- أداء ما يسمى تقنيات "الساخنة" لتحديد المناطق TMS الحساسة من القشرة التي تنتج أكبر أعضاء البرلمان الأوروبي السعة مع أدنى حد على التحفيز 8،13،14. التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة لدراسة نظم المحركات عادةينطوي على تحفيز منطقة القشرية التي تسيطر على الحركة في جزء من الجسم محددة (مثل الذراع واليد) 15.
- تسجيل موقع أي مواقع التحفيز مثالية على فروة الرأس المشاركين على معدات التسجيل التجسيمي معايرة والبرامج المرتبطة بها. بعد أن يتم تسجيل كل موقع مع البرنامج، وضمان دقتها عن طريق نقل الفور وتحفيز مرة أخرى، وتبحث عن ردود MEP مماثلة.
- المهام السلوكية في الواقع الافتراضي
- تصميم المعلمات المهمة السلوكية (مثل الحركات الوصول) لاستخدامها في التجربة. في الدراسة الحالية، والمهمة للوصول إلى أهداف افتراضية وضعت بالتتابع في مواقع مكانية مختلفة. حجم الأهداف يحدد الدقة التي تتحرك على المشاركين. تصميم الحركات بحيث الاتجاهات ومقادير من عزم الدوران مشتركة متفاوتة وأثار كما تصل المشاركين على الأهداف.
- إعداد البيئة VR التي توجهالمواضيع من خلال المهمة السلوكية باستخدام برنامج VR التجارية والتي تتوافق مع نظام سماعة الرأس وتتبع الحركة وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة. تصبح مألوفة مع توفير موارد حسابية حزمة البرامج ومتطلبات لغة البرمجة. حزم البرمجيات VR المشترك لديها القدرة على برمجتها مع لغات بما في ذلك بيثون، C ++، C #، وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، مخرجات البرنامج التناظرية من خلال المنفذ المتوازي للتزامن ووضع علامات على أحداث معينة من الفائدة (الشكل 2). في التجربة الحالية، برنامج VR إخراج الأحداث في بداية كل تكرار للمهمة، وأحيانا من المطلوب التحفيز TMS.
- وصل الناتج VR إلى دائرة التزامن (الشكل 3) و / أو غيرها من المعدات لتكون متزامنة باستخدام كابلات مع الموصلات مطابقة.
- تعليمات موضوعات لتنفيذ المهمة السلوكية VR. في الدراسة الحالية، كانت البيئة VRقدم باستخدام عرض رئيس محمولة فيها المشاركون ينظر صفائف أهداف كروية. باستخدام برنامج VR، تسلسل الحركة برنامج معين عن طريق تغيير مظهر من الأهداف (اللون، والموقع، الخ)، وتعريف المشاركين مع هذه الإجراءات. بالإضافة إلى إطلاع المشاركين من أي قيود الحركة الأخرى المطلوبة. على سبيل المثال، طلب من المشاركين في الدراسة الحالية للحفاظ على جميع قطاعات الذراع داخل طائرة عمودية من الحركة بينما تصل للأهداف.
- وبمجرد أن يعتاد المشاركين للبيانات الحركات التجريبية، سجل EMG والتقاط الحركة، ومزامنة الإشارات باستخدام البرامج النصية المخصصة أو حزم البرمجيات التي يتم توفيرها من البائعين. ضبط معدل أخذ العينات من كل نظام الحصول على البيانات إلى القيم المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك أصبح على دراية وضبط أية معلمات تصنيع محددة مثل الحركة تتبع الصمام كثافة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تزامن العديد من البيانات والجداول في هذا الإعداد يسمح احد لتسجيل الكينماتيكا، النشاط العضلي المستمر (EMG)، ولحظية النشاط العصبي العضلي (البرلمان الأوروبي) التي تحدث أثناء حركات الطرف العلوي. مطلوبة المحاولات المتكررة لحركة معينة لإعادة بناء ملامح استجابة MEP على حركة بأكملها. الشكل 4 يعرض البيانات التي تم جمعها من موضوع واحد. ويبين الشكل 4A مثال على هذه البيانات والجداول أثناء محاكمة واحدة مع إشارات التزامن المقابلة والأحداث. محاذاة الزمنية للإشارات فيما يتعلق الحدث تزامن هو إجراء اللاحق بسيط باستخدام برنامج تحليل الإشارات (و"تحول" الإشارات في الوقت استخدام الحدث التزامن على شكل مرساة الزمني المشترك). يمكن إشارات ثم يكون من مدة كل محاكمة حركة طبيعية وقتا طويلا. دون التزامن، يمكن للتيارات البيانات EMG والتقاط الحركة لديها التناقض الزمني كما غرامتناول الطعام كما 160-190 ميللي ثانية. ومع ذلك، من خلال الاستفادة من تزامن بالإضافة إلى استخدامها على نطاق واسع TTL الإشارات، يجب على المستخدمين يتوقع لتقليل الأخطاء الزمنية بين تيارات البيانات إلى الحد من ترددات أخذ العينات من إشاراتها (حوالي ميللي ثانية واحدة في هذا المثال). ويبين الشكل 4B متوسط الكينماتيكا الزاوي وديناميكية عبر 24 محاكمات لحركة واحدة، الرأس طويلة من التشكيل الجانبي EMG العضلة ذات الرأسين من التجارب دون TMS خلال نفس الحركات، والمقابلة الشخصية MEP أعيد بناؤها من التجارب مع نبض واحد وTMS خلال حركة لنفس الأهداف.
الرقم 4: محاذاة EMG والحركة التقاط يتم عرض (A) إشارات التمثيلية التي يتم تسجيلها خلال محاكمة التجريبية في العمود الأيسر من الرسوم البيانية. الدوائر الزرقاء والحمراء تتوافق مع نفس الحدث تزامن إنشاؤها VR-سجلت من قبل اثنين من separatقطعة من المعدات الإلكترونية (يتضح من تقسيم الخط الأسود). هذه النقاط مرة والبيانات الخاصة ويتم محاذاة في وقت لاحق زمنيا باستخدام برامج مخصصة. الفرق بين هذه النقاط اثنين من مرة يمكن أن تصل إلى أكثر من 190 ميللي ثانية باستخدام عند استخدام المعدات الموصوفة في هذا البروتوكول. باحثون آخرون باستخدام معدات مختلفة قد تواجه تأخيرات مختلفة. (B) بعد المحاذاة الزمنية، بلغ متوسط البيانات يمكن إنشاء لوصف الفسيولوجية والحركية، والخصائص الديناميكية للحركة. وتمثل هذه البيانات 24 محاكمات نفس الحركة. أشرطة على الرسم البياني أعضاء البرلمان الأوروبي العضله ذات الرأسين ومناطق مظللة على الرسوم البيانية الأخرى تمثل الانحراف المعياري. ويمكن في وقت لاحق هذه البيانات أن تستخدم لوصف الإشارات المحتملة التحكم في المحركات الهابطة فيما يتعلق النشاط العضلي والكينماتيكا حركة وديناميكية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الهدف من هذه المقالة هو لوصف طريقة لدمج VR في دراسة حركة الإنسان وطريقة لمزامنة البيانات والجداول المختلفة. والواقع الافتراضي توسيع قدرات الباحثين التي تحاول إعادة سيناريوهات الحركة في العالم الحقيقي في إعداد المختبر. الجمع بين VR مع غيرها من المنهجيات تسجيل العصبية والعضلية وتحفيز تشكل مجموعة قوية من الأدوات لدراسة شاملة آليات التحكم في المحركات الإنسان. يمكن للقواعد بيانات متعددة الأبعاد الناتجة التي تم الحصول عليها خلال التجارب مصممة بدقة تعميق فهمنا للالتحكم العصبي في الحركة.
واحدة من السمات الأكثر أهمية من هذا النظام هو القدرة على مزامنة البيانات والجداول الكهربية والتقاط الحركة مع المشتركة الأحداث التي تم إنشاؤها VR. الدائرة المخصصة الموصوفة في هذا البروتوكول بمثابة مؤسسة مرنة فعالة من حيث التكلفة التي يمكن تعديلها لتلبية المتطلبات الفريدة من عملي الآخريننماذج والمعدات erimental، على غرار الحلول في مجالات أخرى 9. الحدث تزامن شيوعا هو أمر ناتج الموازي الذي ينشأ من الكمبيوتر الذي يعمل البرنامج VR لدينا. فوائد واجهة متوازية القياسية هي بساطته والسرعة والمرونة. ضمن واجهة متوازية هناك ثمانية خطوط البيانات مستقلة، تمثل كل منها رقم ثنائي من 2 0-2 7؛ مجموع هذه الأرقام يمكن أن يساوي مجموعة من الأرقام من 0 إلى 255. كل واحد من خطوط البيانات منها يمكن أن تستخدم كإشارات الزناد منفصلة ومتزامنة على التفاعل مع العديد من الأنظمة. هذه الإشارات هي إشارات الزناد مربع موجة الجهد عادة بسيطة، يشار إلى إشارات TTL أو البقول.
وخلال المحاكمة الحركة، وتزامن الحدث المشترك يبدأ بناء على موقع أحد المشاركين في بيئة افتراضية تعقب باستخدام الصمام المستندة إلى نظام التقاط الحركة بالأشعة تحت الحمراء. تزامنيتم توجيه إشارة الحدث (TTL) من برنامج VR جهدنا لدائرة العرف الذي يهدف إلى نقل في وقت واحد هذا الحدث تزامن VR إلى البيانات EMG لدينا وتيارات التقاط الحركة (الشكل 3). يسجل نظام EMG النبض TTL مع النشاط العضلي المستمر. يتم توجيه إشارة VR أيضا من خلال الجزء النشط من الدائرة التي تسيطر على إمدادات الطاقة إلى LED من نظام التقاط الحركة. وعند استلام النبض TTL، يتم تشغيل-توجيهها إعادة LED قبالة لفترة قصيرة من الزمن. يتم تسجيل هذا الحدث من قبل نظام التقاط الحركة وغير متزامن زمنيا مع نبض TTL التي سجلها نظام EMG. ويمكن في وقت لاحق هذا الحدث أن تستخدم لمحاذاة إشارات للتحاليل.
الجزء النشط من الدائرة (كما هو موضح في الشكل التخطيطي 3) ويستند في المقام الأول على حلبة محددة متكاملة (IC) أو "ورقة"، المعروف باسم "555 الموقت الدائرة" 16. إخراج 555توقيت الدائرة (عادة الجهد المنخفض) يدخل الى NAND (انتفى AND) بوابة جنبا إلى جنب مع الجهد المستمر التي تقدمها السلطة USB. بوابة NAND عنصرا المنطق الكهربائية التي إخراج قيمة منخفضة (أي 0V) عندما المدخلات هما عالية (مثل السكك الحديدية الجهد). وأقحم في الشكل 3 تفاصيل العملية من الدائرة لدينا على تلقي إشارة الحدث التزامن. مدة أن الدائرة تنطفئ وLED تعتمد على القيم المستخدمة لR1 و C1، والعثور عليها عن طريق المعادلة: ر = 1.1 * R1 * C1. التجربة المطلوبة المقاومة والسعة قيم المذكورة حاليا من megaohm واحد ومكروفاراد واحدة، على التوالي، لإنتاج ضوء تزامن هدوء أقصر من مدة حركة نموذجية (ثانية واحدة تقريبا لهذا التصميم).
طريقة البروتوكول الحالي لمزامنة له فوائد عديدة على الخيارات المتاحة تجاريا. مكونات الدوائر الكهربائية والأدوات اللازمة للتتوافر بسهولة في موردي المكونات الكهربائية لبأقل تكلفة ممكنة 9 ssembly. بالإضافة إلى ذلك، فإن الحل القائم على الأجهزة بسيط لتزامن يسمح المجربون لأكثر سهولة تصحيح المشاكل التي قد تنشأ أثناء جلسات تجريبية. وأخيرا، من خلال الاستفادة من كل مكان إلى حد ما يشير TTL، يمكن للمرء أن تتكيف بسهولة مع التصاميم التجريبية الجديدة التي تستخدم منهجيات مختلفة والمعدات (مثل EEG). والعيب المحتمل للنظام متعدد الوظائف الموضحة في هذا البروتوكول هو تعقيد الاجهزة التجريبية مع العديد من أنظمة جمع البيانات. هذا يمكن أن يؤدي إلى جلسات طويلة التجريبية، مشارك التعب، وفرص متعددة لفشل النظام. يمكن المجربون تقليل المشاكل من خلال تصميم النماذج التجريبية موجزة التي تهدف إلى تحقيق الظواهر العصبية والعضلية محددة للغاية.
الإجراء الدائرة وتزامن الشامل تنفيذها في هذا البروتوكول يهدف إلى تقديم تعميم غوidelines لإجراء التجارب النشاط الحيوي مع عدة تيارات البيانات المسجلة في وقت واحد. يصف البروتوكول إجراءات لمزامنة البيانات والجداول من أي معدات مع مدخلات تناظرية أو مشغلات أو إشارات LED. ومع ذلك، فإن المحققين باستخدام نظم تتبع الحركة السلبي بدون المصابيح، من المرجح أن يغير الحل هو موضح في الوقت الراهن. نظم السلبي مع التقاط الحركة وتسجيل أخرى وتحفيز المعدات التي يتم تشغيلها رقميا لن تحتاج إلى الاعتماد على حلبة التزامن. بدلا من ذلك، أن هذه الأنظمة تعتمد على الحلول المستندة إلى برامج مخصصة، تصميم التي يمكن أن يستدل من الأمثلة على النظام الحالي. وهكذا، فإن البروتوكول ينص تعميم مبادئ لمساعدة حلول تصميم لسيناريوهات أخرى فريدة من نوعها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل عن طريق منح NIH P20 GM109098، NSF ووفو برنامج رعاية ADVANCE (VG)، ووفو أموال لبدء الإدارات.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Transcranial magnetic stimulator | Magstim | N/A | TMS stimulator and coils |
| Impulse X2 | PhaseSpace | N/A | Motion capture system |
| MA300 Advanced Multi-Channel EMG System | Motion Lab Systems | MA300-28 | EMG pre-amplifier and amplifier |
| Norotrode EMG electrodes | Myotronics | N/A | EMG electrodes |
| BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block | National Instruments | 779347-01 | BNC Connector Block |
| NI PXI-1033 5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller |
National Instruments | 779757-01 | DAQ chassis |
| NI PXI-6254 16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs |
National Instruments | 779118-01 | DAQ card |
| SHC68-68-EPM Cable (2m) | National Instruments | 192061-02 | Shielded cable |
| DK1 or DK2 | Oculus VR | N/A | Ocuclus Rift headset |
| Vizard 5 Lite | WorldViz | N/A | Virtual reality software |
| C1 and C2 capacitors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| R1 and R2 resistors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| CD4011 NAND gate | varied | N/A | NAND gate |
| 2N2222 transistor | varied | N/A | Transistor |
| NE555 timer circuit | varied | N/A | Timer circuit |
| DB25 and USB connectors | varied | N/A | parallel and USB connectors |
References
- Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions. Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).
- McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R. How automatic is the hand’s automatic pilot? Evidence from dual-task studies. Exp brain Res. 206 (3), 257-269 (2010).
- Shabbott, B. A., Sainburg, R. L. Learning a visuomotor rotation: simultaneous visual and proprioceptive information is crucial for visuomotor remapping. Exp. Brain Res. 203 (1), 75-87 (2010).
- Sarlegna, F. R., Sainburg, R. L. The roles of vision and proprioception in the planning of reaching movements. Adv. Exp. Med. Biol. 629, 317-335 (2009).
- Lillicrap, T. P., et al. Adapting to inversion of the visual field: a new twist on an old problem. Exp. brain Res. 228 (3), 327-339 (2013).
- Saposnik, G., Levin, M. Virtual reality in stroke rehabilitation: a meta-analysis and implications for clinicians. Stroke. 42 (5), 1380-1386 (2011).
- Robles-García, V., et al. Motor facilitation during real-time movement imitation in Parkinson’s disease: a virtual reality study. Parkinsonism Relat. Disord. 19 (12), 1123-1129 (2013).
- Gritsenko, V., Kalaska, J. F., Cisek, P. Descending corticospinal control of intersegmental dynamics. J. Neurosci. 31 (33), 11968-11979 (2011).
- Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. Design and construction of a cost effective headstage for simultaneous neural stimulation and recording in the water maze. J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).
- Kendall, F. P., McCreary, E. K., Provance, P. G., Rodgers, M., Romani, W. Muscles: Testing and Function With Posture and Pain. , Lippincott Williams & Wilkins. (2005).
- Barbero, M., Merletti, R., Rainoldi, Atlas of Muscle Innervation Zones: Understanding Surface Electromyography and Its Applications. Springer-Verlag Mailand. , (2012).
- Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial magnetic stimulation for investigating causal brain-behavioral relationships and their time course. J. Vis. Exp. (89), (2014).
- Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing transcranial magnetic stimulation to study the human neuromuscular system. J. Vis. Exp. (59), e3387 (2012).
- Rogers, J., Watkins, K. E. Stimulating the lip motor cortex with transcranial magnetic stimulation. J. Vis. Exp. (88), e51665 (2014).
- Ellaway, P., et al. Variability in the amplitude of skeletal muscle responses to magnetic stimulation of the motor cortex in man. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. Mot. Control. 109 (2), 104-113 (1998).
- Storr, W. Electronics Tutorials 555 Timer Tutorial. , Available from: http://www.electronics-tutorials.ws/waveforms/555_timer.html (1999).
