Abstract
Undersøgelsen af den neuromuskulære kontrol af bevægelser hos mennesker opnås med mange teknologier. Ikke-invasive metoder til at undersøge neuromuskulære funktion omfatter transkraniel magnetisk stimulation, elektromyografi, og tre-dimensionelle motion capture. Fremkomsten af let tilgængelige og omkostningseffektive virtual reality-løsninger har udvidet mulighederne i forskere genskabe "den virkelige verden" miljøer og bevægelser i et laboratorium indstilling. Naturalistiske bevægelse analyse vil ikke kun samle en større forståelse af motorisk kontrol hos raske individer, men også tillader design af eksperimenter og rehabilitering strategier, der er målrettet specifikke motoriske handicap (f.eks slagtilfælde). Kombineret anvendelse af disse værktøjer vil føre til stigende dybere forståelse af neurale mekanismer for motorisk kontrol. Et centralt krav, når kombinere disse dataopsamlingssystemer er fint tidsmæssig overensstemmelse mellem de forskellige datastrømme. Thans protokol beskriver et multifunktionelt system, samlede tilslutningsmuligheder, intersystem signalering, og den tidsmæssige synkronisering af registrerede data. Synkronisering af de indgående systemer opnås først og fremmest ved anvendelse af en tilpasselig kredsløb, let foretages med off the shelf komponenter og minimal elektronik montage færdigheder.
Introduction
Virtual reality (VR) er hurtigt ved at blive et tilgængeligt forskning værktøj til brug i en række områder, herunder studiet af menneskets bevægelse. Studiet af overekstremiteterne bevægelse især nydt godt ved at indarbejde VR. Virtual reality muliggør hurtig tilpasning af eksperimentelle parametre, der skal undersøge specifikke kinematiske og dynamiske funktioner i arm bevægelse kontrol. Disse parametre kan indstilles individuelt for hvert emne. For eksempel kan placeringen af virtuelle mål skaleres for at sikre ens indledende arm kropsholdning på tværs af fag. Virtual reality tillader også manipulation af visuel feedback ved forsøg, som er et uvurderligt værktøj i visuomotorisk forskning 1 - 5.
Brugen af realistiske VR miljøer med andre biomekaniske værktøjer vil også tillade naturalistiske bevægelse scenarier, hvor at teste bevægelsesmønstre. Dette arrangement er mere og mere værdifulde forundersøgelse og praksis af genoptræning efter sygdom og skade 6,7. Efterligning naturalistiske bevægelser og miljøer (f.eks udfører bevægelser i en virtuel køkken) i en klinisk indstilling vil gøre det muligt for rehabilitering specialister til mere præcist at beskrive en persons nedskrivninger i den virkelige verden kontekst. Meget individualiserede nedskrivninger beskrivelser vil give mulighed for mere fokuserede behandlingsstrategier, potentielt øge effektiviteten og reducere varigheden af rehabilitering.
Ved at kombinere VR med andre værktøjer såsom transkraniel magnetisk stimulation (TMS), overflade elektromyografi (EMG), og hele kroppen motion capture, skaber en ekstremt kraftfuld og fleksibel platform til at studere den neuromuskulære kontrol med bevægelse i mennesker. Transkraniel magnetisk stimulation er en kraftfuld ikke-invasiv metode til måling af ophidselse og funktionelle integritet faldende motordrevne veje (f.eks corticospinal tarmkanalen) gennem EMG responses såsom motor evoked potentialer (MEP) 8. Moderne tre-dimensionelle motion capture-systemer også give forskerne mulighed for at studere neuromuskulær aktivitet sammen med resulterende bevægelse kinematik og dynamik. Dette muliggør skabelsen af yderst detaljerede modeller i bevægeapparatet samt afprøvning af hypoteser vedrørende strukturen og funktionen af neurale controllere. Disse undersøgelser vil udvide vores videnskabelige viden om den menneskelige sensomotoriske systemet og føre til forbedringer i behandlingen af muskuloskeletale og neurologiske sygdomme.
Men et stort problem med multifunktionelle systemer er synkronisering af separat indspillede datastrømme (f.eks motion capture, EMG, etc.). Målet med denne protokol er at beskrive en generaliseres arrangement af fælles kommercielt tilgængelige systemer til samtidigt at registrere biomekaniske og fysiologiske målinger under bevægelse. Andre forskere ved hjælp af udstyr fraforskellige producenter kan have til at ændre bestemmelser i denne protokol til at passe deres specifikke behov. Dog bør generelle principper fra denne protokol, stadig være gældende.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle deltagere er involveret i eksperimenter gennemgå informeret samtykke procedurer er godkendt af West Virginia University Institutional Review Board (IRB).
1. samlede system Egenskaber, design og generel eksperimentel Task
Bemærk: Den komplette opsætning består af følgende hovedkomponenter: EMG udstyr og tilhørende digitale erhvervelse (DAQ) udstyr; et motion capture-system (denne protokol omfatter en aktiv LED-system); en TMS enhed med et tal-of-otte spolen og stereotaktisk lokalisering udstyr; VR headset og tilhørende computer og software; og en brugerdefineret synkronisering kredsløb. Figur 1 skematisk skitserer forbindelsen mellem de protokolkomponenter.
- Tilslutning af systemkomponenter
- Slut EMG forforstærker til hoved forstærker.
- Tilslut produktion af EMG forstærker til DAQ kontrolapparater inputblokken hjælp BNC eller lignende forbintioner.
- Tilslut DAQ kontrolapparatet til dedikerede computer, der vil udføre en dataindsamling script (supplerende fil).
- Slut VR kontrol computer parallelt output til brugerdefinerede kredsløb enhed (se næste afsnit for detaljer).
- Tilslut synkronisering og motion capture udløser udgange fra brugerdefinerede kredsløb til DAQ optagelse blok sammen EMG signal forbindelser.
- Split motion capture udløse og tilslut den til "Analog indgang Start" port på EMG DAQ udstyr samt udløser forbindelse på den computer, der styrer motion capture udstyr.
Bemærk: Den tidsmæssige forskel mellem begyndelsen af de respektive datafangst streams for den beskrevne udstyr (motion capture og EMG) kan variere fra 160 til 190 ms. Denne tidsmæssige forskel motiverede udformningen af synkronisering kredsløb beskrevet i denne protokol og er sandsynligvis forårsaget af software og hardware forskelle mellem disse to systemer. <li> Tilslut TMS udløse port på brugerdefinerede kredsløb enhed til at BNC input trigger på TMS kontrolenheden.
- Etablere netværksforbindelse mellem VR og motion capture computere ved hjælp leverandør-medfølgende software og fysiske netværksforbindelser.
- Slut VR headset til VR computer og sikre interoperabilitet med eventuelle scripts / programmer, der viser virtuelle miljøer til deltagerne.
Figur 1:. Connectivity af hele opsætningen Dette layout beskriver den generelle forbindelse mellem elementerne i vores system. Synkroniseringskredsløbet er beskrevet andetsteds i teksten nærmere. Den blå spor svarer til det signal, der starter både motion capture og EMG datastrømme. Denne begivenhed er kilden til den tidsmæssige forsinkelse på op til 190 msek ved hjælp af udstyr, der er beskrevet i denne protokol. Den røde spor svarer til VR-initierede synchronization begivenhed, der samtidig registreres af motion capture og EMG-systemer og derefter anvendes til tidsmæssig tilpasning af de respektive datastrømme. Klik her for at se en større version af dette tal.
2. Generelle Detaljer om Systemintegration og synkronisering
Bemærk: Synkronisering af de separate datafangst systemer i denne protokol (motion capture og EMG) opnås ved brug af en begivenhed signal, der er fælles for alle optagelse streams. Ved hjælp af en fælles begivenhed, alle de signaler kan midlertidigt udrettet efter dataindsamling for at minimere realtid optagelse uoverensstemmelser (op mod 190 msek anvendelse af udstyret i denne protokol). I denne protokol, det fælles signal stammer fra VR-systemet som en parallel port signal. Den fælles signal dirigeres til et kredsløb, der tillader synkronisering af særskilte datavandløb gennem direkte optagelse med EMG signaler og ved samtidig at slukke en motion capture-LED. Kredsløbet er konstrueret ved anvendelse af basale værktøjer og teknikker til opbygning af elektroniske komponenter, svarende til kredsløb beskrevet andetsteds 9.
- Design, Layout, og konstruktion af Synkronisering Circuit
- Identificere eventuelle analoge TTL-baserede udløser mekanismer på udstyr styreenheder (f.eks TMS, motion capture) og blive bekendt med udløser krav såsom TTL puls retning (positiv / negativ) og amplitude. Analoge udløser mekanismer ofte besidder almindelige "BNC" coaxial-stik, der gør forbinder komponenter enkel.
- Tilføj en ekstra LED til motion capture-systemet skal bruges til signal synkronisering; route LED'erne ledningerne gennem synkroniseringskredsløbet (figur 3).
- Bestem elektrisk komponent parametre (dvs. modstand, kapacitans) er nødvendig for at turn off synkronisering LED for et bestemt tidsrum. Find den tid, at banens synkronisering LED slukkes ved ligningen: t = 1,1 * R1 * C1. Denne gang er foreslået til at være mindre end den gennemsnitlige varighed af en eksperimentel bevægelse. For eksempel den aktuelt beskrevne forsøg krævede en modstand og kondensator normeret til ca. en megaohm og en microfarad henholdsvis.
- Brug en loddekolbe at klæbe elektriske komponenter til en trykt "protoyping" eller "projekt" kredsløbsplade efter den skematiske vist i figur 3 Vedlæg dette kredsløb i et almindeligt tilgængeligt plast "projekt" boks.; vil det sandsynligvis være nødvendigt at bore huller i denne boks for BNC-stik. Kredsløbet kan let være drevet af 5 V USB-strøm fra en stationær computer; vil det være nødvendigt at dekonstruere et USB-kabel til at isolere strøm- og jordledninger. Bypass kondensatorer kan også være behov for at regulere strømmen til 555chip (ikke vist i figur 3).
- Undersøg printkortet for eventuelle utilsigtede loddemetal broer mellem elektriske komponenter. Hvis fundet, fjerne lodde med en suge værktøj eller opvarme lodde og mekanisk fjerne bro-forbindelse.
Figur 2:. Trial flowchart Dette flowchart skitserer de stimulus og signal hændelser, der opstår i løbet af en typisk eksperimentel forsøg, der omfatter TMS stimulering. Parallel port koder, der opstår i løbet af et forsøg er vist i de skematiske DB25 symboler (lyseblå).
- Synkronisering Detaljer
- Brug af et rutediagram svarende til figur 2, bestemme, hvornår skal udløses individuelle stykker udstyr i løbet af en eksperimentel bevægelse. For eksempel kan en del udstyr være individuelt udløses, mens andre kan samtidigt udløses. På tidspunkter, der kræver udløser eller signalering (f.eks blå parallelle port symboler i figur 2), afgøre, hvilke parallelle porte signal linjer til at bruge og integrere dem i VR-systemet. Dette udføres ved at sende numeriske værdier til den parallelle port ved de angivne tidspunkter under bevægelser, hver linje repræsenterer et binært ciffer. For flere detaljer om parallelport baseret signalering, henvises til Diskussion.
Figur 3:. Synkroniseringskredsløb Denne skematiske viser layoutet af vores brugerdefinerede synkroniseringskredsløb. Standardoutputtilstanden af NAND gate er en høj spænding tilstand; denne spænding output sendes til gaten af en transistor hvorigennem sync LED kredsløb routes. Denne standard tilstand gør kredsløbet lukket, som opretholder LED i en tændt tilstand. Ved modtagelse af en synkronisering Trigger parallelport signal (rød spor i indsat), en indre tilstand af anordningen 555 er vendt rendering output i en høj tilstand, afbrydelse af LED (blå spor). Når dette sker, spændingen på C1 (grøn spor) bygger op til en spænding, der nulstiller den interne tilstand af 555, reaktivering af LED. Parallelporten sync triggersignal også direkte dirigeres til en BNC-stik, der er forbundet til TMS input trigger port. Bemærk: Retningen af denne trigger signal kan have til at blive vendt (fra styret til negativ igangværende eller omvendt) afhængig af en efterforsker specifikke krav til udstyr. Tilføjelsen af en "inverter" chip på denne trigger udgang ville let udføre denne opgave. Klik her for at se en større version af dette tal.
3. Eksperimentelle procedurer
- Sikkerhedsprocedurer og informeret samtykke
- Ensure, at alle eksperimentelle procedurer er godkendt af en Institutional Review Board (IRB). Forklar alle procedurer til deltagere og erhverve informeret samtykke med IRB godkendt dokumentation.
- Efter at erhverve informeret samtykke, gennemføre en grundlæggende TMS sikkerhed screening med deltagerne for at sikre, at de ikke har tinnitus, en familie historie af epilepsi eller krampeanfald eller andre tilstande med forhøjede risiko for beslaglæggelse.
- Under TMS stimulering strengt kræver brug af beskyttende ørepropper for at forebygge høreskader.
- Elektromyografi Collection
- Afhængigt af de videnskabelige mål for en læsers undersøgelse, afgøre, fra hvilken arm muskler til at optage EMG-signaler. For undersøgelsen er beskrevet i denne protokol, drejningsmomenter genereret på skulder og albue under bevægelse blev undersøgt. Således indspillede EMG-signaler var fra de store overfladiske muskler, der virker på disse to samlinger, såsom deltoid, pectoralis, biceps, triceps, og brachioradialis.
- Foretag alle nødvendige elektriske forbindelser mellem forskellige EMG udstyr, herunder forstærkere, forforstærkere, sensor ledninger og sensor puder i henhold til fabrikantens specifikationer ved at forbinde matchende stik.
- Forbered hver elektrode sted ved let at rense det med en spritserviet, fjerne enhver overdreven hår med en barberkniv, og ved at anvende en mild slibende gel. Korrekt klargøring vil sikre ensartede og lave elektrode-til-hud impedans værdier (<10 kohm) og højt signal-til-støj-forhold af indspillede EMG-signaler.
- Har fag udfører isometriske kontraktioner designet til at isolere enkelte muskler af interesse baseret på accepterede anatomiske og biomekaniske beskrivelser 10. For eksempel, for at isolere biceps, bede deltageren til at modstå en pålagt udvidelse af albuen.
- Efter at have fag udfører muskel-isolerende sammentrækninger, anbringe differentielle bipolære EMG elektroder over tykkeste, centrale Portipå, eller "mave", for hver muskel på accepterede steder 11. Dette sikrer dækning af en maksimal antallet af muskelfibre og minimerer "krydstale" mellem tilgrænsende muskler. Vær sikker på at justere de bipolære elektroder 'længste akser langs musklerne, parallelt med fibrene.
- Anbringe EMG jorden elektrode ifølge udstyr specifikationer (f.eks huden over C7 hvirvel).
- Optag forstærkede EMG signaler gennem DAQ-udstyr styres af en brugerdefineret computer script. Scriptet anvendes i den nuværende protokol er vedlagt som en supplerende fil.
- Juster gevinster anvendes på optagne signaler til ønskede niveau ved at flytte ringer på EMG-forstærker. Undgå forstærkningsværdier der forårsager optagede signaler at overstige input vifte af kontrolapparatet (typisk 5 V). Fælles EMG gain værdier er mellem 1,000-4,000.
- Udfør lignende isometriske kontraktioner til dem, der udføres i trin 3.2.4 og visuelt inspicere EMG Signals for at sikre, at de er af høj kvalitet (dvs. højt signal-til-støj-forhold). Repositionere elektroder og ændre signalet gevinst, hvis det er nødvendigt.
- Motion Capture System Forberedelse
- Kalibrere bevægelsessporing kameraer med leverandør-leverede instruktioner og udstyr i henhold til producentens anvisninger.
- Brug af tape og andre indpakningsmaterialer, vedhæfte aktive LED-sensorer til knoklet seværdigheder nær leddene i armen og andre anatomiske punkter af interesse anvendt i konstruktionen af biomekaniske modeller: distale falanks af pegefingeren, radiale og ulnare styloid processer ved håndleddet , olecranon proces ved albuen, coracoid og acromion processer i skulderen, sternoclavicular hak, formet som et sværd proces, og spinosus proces med C7. Vedhæft en anden LED til VR-headset til at indstille synspunkt i det virtuelle miljø.
- Slut hver LED til et ledningsnet, der er knyttet til den trådløse driver enhed. Tænd chauffør undet og sikre en korrekt belysning af alle lysdioder.
- Placer synkronisering LED i en bekvem beliggenhed væk fra motivet, men inden for klart overblik over kameraerne.
- Transcranial magnetisk stimulation stereotaktisk Lokalisering
- Kalibrere hardware og software designet til TMS registrering 12, for at muliggøre nøjagtig placering spole. Dette indebærer generelt co-registrering TMS spoler med anatomiske vartegn såsom nasion, præaurikulær point, og næsetippen. Stereotaktisk registrering mellem en deltager og stimulering spole er en integreret konsekvent stimulation lokalisering.
- MEP hot-spot Lokalisering og MEP Threshold Pprocedures
- Udfør såkaldte "hot-spot" teknikker til at lokalisere TMS-følsomme områder af cortex, der producerer de største amplitude MEP'er med det laveste grænse ved stimulering 8,13,14. Transkraniel magnetisk stimulation til at studere motorsystemer typiskindebærer at stimulere en kortikal område, der styrer bevægelse i en bestemt kropsdel (f.eks armen og hånden) 15.
- Optag placeringen af eventuelle ideelle stimulation sites på deltagerne hovedbund med den kalibrerede stereotaktisk registrering udstyr og tilhørende software. Efter hvert sted er optaget med softwaren, sikre dets nøjagtighed ved at flytte stedet og stimulere igen, på udkig efter lignende MEP svar.
- Behavioral Opgave i Virtual Reality
- Design parametrene for adfærdsmæssige opgave (f.eks nå bevægelser), der skal anvendes i forsøget. I den aktuelle undersøgelse, er opgaven at nå til virtuelle mål placeret sekventielt i forskellige rumlige placeringer. Størrelsen af målene definerer den nøjagtighed, hvormed deltagerne flytte. Design bevægelserne sådan, at forskellige retninger og størrelserne af fælles momenter er fremkaldt som deltagere rækker ud efter målene.
- Opsætning VR miljø, der guiderfag gennem adfærdsmæssige opgave ved hjælp af kommerciel VR software, der er kompatibel med headset og bevægelsessporing system ifølge producentens protokol. Bliv fortrolig med softwaren pakkens krævede it-ressourcer og programmering sprogkrav. Fælles VR softwarepakker har evnen til at blive programmeret med sprog, herunder Python, C ++, C #, og andre. Derudover program analoge udgange via den parallelle port til synkronisering og mærkning af specifikke begivenheder af interesse (figur 2). I den nuværende forsøg, VR software udgange begivenheder ved begyndelsen af hver gentagelse af opgaven og til tider med ønsket TMS stimulering.
- Slut VR output til synkroniseringskredsløbet (figur 3) og / eller andet udstyr, der skal synkroniseres med kabler med matchende stik.
- Instruer emner til at udføre VR adfærdsmæssige opgave. I den aktuelle undersøgelse, VR miljø varpræsenteres efter et head-monteret display, hvor deltagerne set arrays af sfæriske mål. Brug af VR-software, program specifik dine bevægelser ved at ændre udseendet af mål (farve, placering, etc.) og sætte deltagere med disse handlinger. Derudover informere deltagerne om eventuelle andre ønskede bevægelse begrænsninger. For eksempel blev deltagerne i den aktuelle undersøgelse bedt om at holde alle armsegmenter inden for et lodret plan bevægelighed og opnå for mål.
- Når deltagerne er vant til de eksperimentelle bevægelser, optage EMG og motion capture data og synkronisering signaler ved hjælp af brugerdefinerede scripts eller sælger leveret softwarepakker. Juster prøveudtagning for hver dataopsamlingssystem til ønskede værdier; desuden blive fortrolig med og justere enhver producent-specifikke parametre som motion-sporing LED intensitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Synkronisering af de mange datastrømme i denne opsætning gør det muligt at registrere de kinematik, løbende muskelaktivitet (EMG), og øjeblikkelige neuromuskulær aktivitet (MEP'er), der opstår under bevægelser overekstremiteterne. Gentagne forsøg med en given bevægelse er forpligtet til at rekonstruere MEP respons profiler over en hel bevægelse. Figur 4 viser data indsamlet fra et emne. Figur 4A viser et eksempel på disse datastrømme løbet af en enkelt forsøg med de tilsvarende synkroniseringssignaler og arrangementer. Tidsmæssige justering af signaler med hensyn til synkronisering begivenhed er en simpel post-hoc-procedure under anvendelse af signalanalyse software (signalerne "forskudt" i tid ved hjælp af synkronisering begivenhed som en fælles tidsmæssig anker). Signaler kan derefter være tid-normaliseret ved varigheden af hver bevægelse retssag. Uden synkronisering kan EMG og motion capture datastrømme har en tidsmæssig uoverensstemmelse som grspise som 160-190 ms. Men ved at udnytte synkronisering foruden udbredt TTL signalering, skal brugerne forvente at minimere tidsmæssige fejl mellem datastrømme til grænsen af frekvenserne af deres signaler (ca. en ms i dette eksempel) prøvetagning. Figur 4B viser gennemsnitlige kantede kinematik og dynamik tværs 24 forsøg for en enkelt bevægelse, det lange hoved af biceps EMG profil fra forsøg uden TMS i løbet af de samme bevægelser, og de tilsvarende rekonstruerede MEP profiler fra forsøg med enkelt-puls TMS under bevægelse til de samme mål.
Figur 4:. Tilpasning af EMG og Motion Capture (A) Repræsentative signaler, der er taget under en eksperimentel forsøg vises i venstre kolonne af diagrammer. De blå og røde cirkler svarer til den samme VR-genererede synkronisering tilfælde registreres af to separatelye stykker udstyr (illustreret ved at dividere sort linje). Disse tidspunkter og respektive data senere tidsmæssigt justeret ved hjælp af brugerdefineret software. Forskellen mellem disse to tidspunkter kan være op mod 190 ms hjælp, når du bruger udstyr, der er beskrevet i denne protokol; andre efterforskere med forskelligt udstyr kan opleve forskellige forsinkelser. (B) Efter tidsmæssige justering gennemsnit kan oprettes data til at beskrive fysiologiske, kinematiske og dynamiske egenskaber af en bevægelse. Disse data repræsenterer 24 forsøg med samme bevægelse; søjler på bicep MEP'erne grafen og de skraverede områder på andre grafer repræsenterer standardafvigelsen. Disse data kan efterfølgende anvendes til at beskrive potentielle faldende motor styresignaler med hensyn til muskel aktivitet og bevægelse kinematik og dynamik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formålet med denne artikel er at beskrive en metode til at inkorporere VR i studiet af menneskets bevægelse og en metode til synkronisering af forskellige datastrømme. Virtual Reality vil udvide mulighederne i forskernes, der forsøger at genskabe den virkelige verden bevægelse scenarier i et laboratorium indstilling. Ved at kombinere VR med andre neuromuskulære optagelse og stimulerende metoder danner en kraftfuld suite af værktøjer til omfattende studere menneskelige motor kontrolmekanismer. De resulterende multidimensionelle datasæt opnået under omhyggeligt designede eksperimenter kan uddybe vores forståelse af den neurale kontrol af bevægelser.
En af de mere vigtige elementer i dette system er muligheden for at synkronisere elektrofysiologiske og motion capture datastrømme med fælles VR-genererede hændelser. Den brugerdefinerede kredsløb beskrevet i denne protokol fungerer som en fleksibel, omkostningseffektiv fundament, der kan ændres til at opfylde de unikke krav i andre experimental paradigmer og udstyr, svarende til løsninger på andre områder 9. Den fælles synkronisering begivenhed er en parallel output kommando, der stammer fra den computer, der driver vores VR software. Fordelene ved en standard parallelt interface er dets enkelhed, hastighed og fleksibilitet. Inden et parallelt interface er der otte uafhængige data linjer, der hver repræsenterer et binært ciffer fra 2 0-2 7; summen af disse tal kan lig en række tal fra 0 til 255. Hver af de respektive data linjer kan udnyttes som separate og samtidige trigger signaler til at interface med mange systemer. Disse udløser signaler er normalt enkle kvadrat-bølge spændingssignaler, almindeligvis omtales som TTL signaler eller impulser.
Under en bevægelse retssag, er det fælles synkronisering begivenhed indviede baseret på en deltagers placering i et virtuelt miljø spores ved hjælp af en infrarød LED-baseret motion capture system. Synkroniseringenbegivenhed signal (TTL) fra VR software dirigeres til den brugerdefinerede kredsløb, som er udformet til samtidigt at transmittere VR synkronisering begivenhed til vores EMG data og motion capture strømme (figur 3). EMG-systemet registrerer TTL puls med løbende muskelaktivitet. VR-signalet også ført gennem den aktive del af kredsløbet, som styrer strømforsyningen til en LED fra motion capture system. Efter modtagelse af TTL puls, er omdirigeret LED slukket for en kort periode. Denne begivenhed er registreret af motion capture-systemet og er tidsmæssigt synkront med TTL puls registreret af EMG-systemet. Denne begivenhed kan efterfølgende anvendes til at tilpasse de signaler til analyser.
Den aktive del af kredsløbet (skematisk vist i figur 3) er primært baseret på en integreret kredsløb (IC) eller "chip", almindeligt kendt som en "555 timer kredsløb" 16. Outputtet af 555timing kredsløb (normalt en lav spænding) indgår en NAND (negeres AND) port sammen med en konstant spænding fra USB-strøm. En NAND gate er en elektrisk logik komponent, der udsender en lav værdi (dvs. 0V), når de to indgange er høje (fx jernbane spænding). Den indsatte i figur 3 detaljer driften af vores kreds efter modtagelse af en synkronisering begivenhed signal. Varigheden, at kredsløbet slukker LED afhænger af de værdier, der benyttes til R1 og C1, og findes ved ligningen: T = 1,1 * R1 * C1. De for tiden beskrevne eksperiment krævede modstand og kapacitans værdier i en megaohm og en microfarad henholdsvis at producere synkronisering lys hvile kortere end varigheden af en typisk bevægelse (ca. et sekund for dette motiv).
Den nuværende protokol metode til synkronisering har mange fordele i forhold til kommercielt tilgængelige muligheder. Kredsløbskomponenterne og nødvendige værktøjer til dens etssembly er let tilgængelige på elektriske komponentleverandører til minimale omkostninger 9. Derudover en simpel hardware-baseret løsning til synkronisering giver eksperimentatorer til lettere fejlsøge problemer, der kan opstå under eksperimentelle sessioner. Endelig ved at udnytte temmelig allestedsnærværende TTL signalering, man kan nemt tilpasse sig nye eksperimentelle design, der udnytter forskellige metoder og udstyr (f.eks EEG). En potentiel ulempe ved det multifunktionelle system, der er beskrevet i denne protokol er kompleksiteten af forsøgsopstillinger med mange dataindsamlingssystemer. Dette kan resultere i lange eksperimentelle sessioner, deltager træthed, og flere muligheder for systemfejl. Eksperimentatorer kan minimere problemer gennem designe kortfattet eksperimentelle paradigmer, der har til formål at undersøge meget specifikke neuromuskulære fænomener.
Kredsløbet og overordnede synkronisering procedure gennemført i denne protokol har til formål at give generaliseres guidelines til at udføre biomekaniske eksperimenter med flere, samtidigt optagne datastrømme. Protokollen beskriver procedurer til at synkronisere datastrømme fra alt udstyr med analoge indgange eller udløser eller LED signaler. Dog vil efterforskerne benytter passive bevægelser sporingssystemer uden lysdioder, sandsynligvis nødt til at ændre den aktuelt beskrevne løsning. Systemer med passiv motion capture og andre optagelse og stimulerende udstyr, der er digitalt udløses behøver ikke at stole på synkronisering kredsløb. I stedet ville sådanne systemer stole på brugerdefinerede software-baserede løsninger, kan udformningen af hvilke udledes eksemplet med det nuværende system. Således protokol giver generalisere principper til at hjælpe designe løsninger til andre unikke scenarier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af NIH tilskud P20 GM109098, NSF og WVU ADVANCE Sponsorering Program (VG), og WVU afdelingerne nystartede fonde.
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).
