Waiting
Login processing...

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

Behavior

Ved at kombinere flere data Acquisition Systems til at studere corticospinal udgang og Multi-segment Biomekanik

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

Introduction

Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) er en ikke-invasiv metode til at stimulere humane cortex. 3,5 Der er flere TMS protokoller, der bruges til at forstå kortikal funktion, såsom enkelt- og multiple pulser, dual-site stimulation til at probe funktionelt tilslutning, og repetitive impulser til fremme af neural plasticitet. 4,6-8 TMS protokoller kan også kombineres for at fremme den nuværende forståelse af de menneskelige kortikale processer og vejlede neurale rehabiliteringsstrategier. Ud over at stimulere cortex, kan TMS også anvendes til at forstå sub-cortical funktion ved stimulering af corticospinal tarmkanalen eller cerebellum.

En af de største tekniske udfordringer øjeblikket står TMS forskning er muligheden for at undersøge den rolle af kortikale områder i målrettet frivillige bevægelser hos mennesker. Flere overvejelser bidrager til denne tekniske udfordring. For det første bør TMS levering kombineres med tidstro menneskelig bevægelse capture. På denne måde kan TMS impulser leveres eller udløst af funktioner i en bevægelse sekvens, der tilvejebringer en tid-låst tilgang til at studere komplekse bevægelser. For det andet, integrerer TMS levering og motion capture tillader en detaljeret karakterisering af komplekse bevægelser, som det udfolder sig, hvilket vil fremme forståelsen af ​​hjernen-adfærd relationer, der ligger til grund for motorstyring. På nuværende tidspunkt er der ingen kommercielt tilgængelige systemer, inklusiv integrerer TMS og motion capture metoder. For neuroforskere inden for motorstyring, dette tomrum typisk udmønter sig i tidskrævende, tekniske udfordringer for at integrere flere erhvervelse og levering af data software og hardware-systemer. Denne tekniske begrænsning har også resulteret i sparsomme forskning dedikeret til studiet af dynamiske flere fælles bevægelser involverer overekstremiteterne. For TMS at fremme inden for human motorstyring, er det bydende nødvendigt, at kortikal funktion probes under komplekse menneskelig bevægelse.

(dvs.., Beskrivelse af bevægelsen), bevægelse kinetik (dvs.., Tvinger det forårsager bevægelse), og muskel aktivitet. For det tredje, skal systemet være i stand til at synkronisere TMS pulser til disse bevægelser funktioner, og udløses af kriterier baseret på komplekse bevægelse funktioner. Et sådant system vil give et væsentligt sammenhæng mellem kortikal funktion og kinematisk og kinetik bevægelse.

Dette håndskrift detaljer en unik tilgang til at integrere metoder til TMS og motion capture. Denne fremgangsmåde giver mulighed for detaljeret analyse af mekanikken i komplekse multi-joint bevægelser, og tillader automatiseret styring af TMS pulser udløst af særlige træk ved bevægelsen (dvs. kinematik, kinetik, eller muskel aktivitet). Endvidere disse data ACQuisition systemet giver mulighed for TMS og motion capture til at blive integreret med eksperimentelle paradigmer, der kræver visuo-motoriske eller sensomotoriske opgaver. Dette manuskript detaljer en innovativ tilgang til at integrere almindeligt brugte motion capture hardware og software systemer med henblik på at kombinere TMS og erhvervelse menneskelig bevægelse og analyse. Data præsenteres ved hjælp af en stikprøve undersøgelse af menneskets kortikal funktion under plane flere fælles bevægelse. Den software scripts, der er nødvendige for at udføre eksperimentet er tilgængelige for download.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Følgende protokol kan anvendes til en række eksperimenter. Nedenfor er oplysninger om et eksperiment, der involverer en visuelt guidet arm nå opgave til en af ​​seks rumlige mål, der vises på en computerskærm. TMS, at sonde corticospinal uro, er udløst af enten analoge signaler fra bevægelsen (dvs. EMG eller electrogoniometer input) eller digitale signaler genereret fra sweep-baserede datafangst software. Denne undersøgelse blev godkendt af McMaster Research Ethics Board i overensstemmelse med Helsinki-erklæringen. En prøve datasæt er tilvejebragt.

1. Hardware / software krav

BEMÆRK: Figur 1 viser en skematisk af de hardwarekrav at integrere TMS og motion capture-systemer i forbindelse med en computerstyret visuo-motor eksperiment.

  1. Udstyre to stationære computere med serielle og parallelle porte (hvis det ikke allerede er tilgængelige). Udstyre PC 1 (figur 1) med sweep-baserede datafangst software og PC 2 med en visuel stimulus levering program.
  2. Software Operationer
    1. Intern Analog / Digital Box (A / D-boks) Operationer
      BEMÆRK: Følgende handlinger give oplysninger til læserne, hvis de gerne vil selv skabe et lignende program. Disse trin er ikke afgørende for at udføre eksperimentet, da eksperimentet blot kan bruge softwaren leveres af forfatterne, men retningslinjer findes at give brugerne mulighed for at skabe deres egen software.
      1. Opret en sequencer-fil i sweep-baserede datafangst software (se "sequencer filen 'eksempel (i supplerende oplysninger 2), der skal udføres på PC 1.
        BEMÆRK: Et eksempel på de operationer, for at skabe en sequencer fil ved hjælp af sweep-baserede datafangst software i dette forsøg kan findes på http://ced.co.uk/products/signal#script.
        INGENTE: Denne fil virker til at give alle den præcise timing kræves som sekvensen henretter parallelt med købet de faktiske data, og giver mulighed for fleksibilitet sammen med synkron timing af eksterne udløsere. Ændringer i eksterne trigger kriterier kan udføres i konfigurationen dialogboks, der er bragt op, når du kører scriptet (se afsnittet "Eksperimentelle forsøg" for flere detaljer og "Sequencer File" screenshot).
      2. Opret separate subrutiner i sequencer-fil til at styre auditive cue generation og TMS trigger kriterier. Har en subrutine styre auditive cue baseret på input fra det visuelle stimulus display software. Desuden har en subrutine kontrol TMS udløsning baseret på input fra en analog indgang til A / D-kassen.
        BEMÆRK: Et eksempel på hvordan separate underprogrammer er indeholdt i en sequencer fil findes i de supplerende oplysninger (script og sequencer-fil). Der henvises til 1.2.1.1 for yderligere hjemmeside supportspecifikke for software, der anvendes i denne demonstration. Denne opsætning giver auditive cue generation at forekomme parallelt med test for TMS trigger kriterier.
      3. Opret linjer kode i sequencer-fil, der kalder subrutiner (beskrevet i 1.2.1.2). Lad hver subrutine funktion, at det venter på ankomsten af input fra deres kilder (dvs. visuel stimulus display software til auditive cue og analog indgang til TMS udløser).
    2. Tilslutning og kommunikation mellem det elektromagnetiske motion capture-system til at feje-baserede datafangst software
      1. For at få den elektromagnetiske motion capture-system til løbende at generere data, generere linjer kode i scriptfilen af ​​sweep-baserede datafangst software til output en række kommandoer til den elektromagnetiske motion capture via den serielle tilslutning (disse kommandoer skal findes i det elektromagnetiske motion capture systemets manual).Disse kommandoer findes i downloades script fil (script_file.sgs se linjerne 88-114 og 635-650).
      2. Opret linjer kode for at få scriptfilen tilføje motion capture data til hvert forsøg feje. Dernæst har scriptet passere motion capture data via en seriel forbindelse fra pc 1 til den visuelle stimulus levering software (PC 2) til at styre det lille kryds markørens position på skærmen af ​​PC 2.
        BEMÆRK: Denne hændelsesforløb giver mulighed for elektromagnetiske motion capture til at generere ASCII-data kontinuerligt, og dataene derefter læses fra den serielle linie.
      3. Ved afslutningen af ​​et eksperiment, oprette linjer kode for at få scriptfilen sende kommandoer til at slukke for elektromagnetiske motion capture-system data output. For at gøre dette, har sweep-baserede data erhvervelse software sende tekstlinjer i besiddelse af en sensor nummer efterfulgt af seks koordinere værdier (se script_file.sgs for kommandoen koder, der anvendes til denne demonstration, specifikt linier 88 til 114 og 653-658).
        BEMÆRK: Yderligere information om disse kommandoer findes også på det elektromagnetiske motion capture-system hjemmeside (punkt 1.2.1.1).
        BEMÆRK: Før ekstraktion af numeriske værdier, har strengen "desinficeres", fordi hvis koordinat var negativ, kan det ikke adskilles fra det tidligere antal af nogen mellemrum.
    3. Sweep-baserede datafangst software til at visuel stimulus levering software kommunikation
      1. Set-up tre separate kanaler for kommunikation mellem sweep-baserede datafangst software og den visuelle stimulus levering software.
      2. Set-up to serielle linjer, der anvendes til at bære tekstdata i begge retninger mellem PC 1 og PC 2. For at gøre dette, skal du tilslutte et serielt kabel mellem PC 1 og PC 2 (hver seriel linje bliver ensrettet mellem hver pc, figur 1).
      3. Tilslut PC 2 til A / D boks. For at gøre dette, oprette eller køb, et kabel, der har en LPT port på et end og en mandlig BNC-forbindelse på den anden ende. Slut LPT-port til PC 2 og tilslut BNC forbindelsen til trigger indgang på A / D-kassen.
        BEMÆRK: Denne forbindelse gør linjen til at bære en impuls genereres af LPT1 porten på den visuelle stimulus levering software system til A / D box trigger indgang (dvs. PC 2, fig. 1).
        BEMÆRK: TTL-signalet sikrer præcis timing af starten af ​​datafangst feje synkront med de visuelle stimulus levering software operationer, mens de serielle linier overføres til alle andre oplysninger.
        BEMÆRK: Sørg for at bruge faktiske PCI-Express LPT og COM-port-kort, der er installeret på pc'en med den visuelle stimulus levering software. Denne opsætning gør det muligt for software til at arbejde med succes, og det anbefales kraftigt. De visuelle stimulus levering software kommunikation, der udføres på et lavt niveau for at undgå forsinkelser, generelt ikke fungerer pålideligt over simulerede LPT og COM-port hardware provided af USB dongles.
      4. Indstil forsøg varighedsværdier til 20 ms i det visuelle stimulus levering software-fil, som værdier meget kortere eller længere end 20 ms giver problemer. Ressourcer til, hvordan at fuldføre denne proces kan findes på følgende websted: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Se linier 39 til 46 i scenariet fil, i de supplerende dokumenter (Præsentation scenarie-fil).
        BEMÆRK: Da de visuelle stimulus levering software operationer meget tæt forbundet med billedet generation, og vores erfaring den serielle kommunikation ikke opfører sig som forventet, medmindre forsøget varighed sat i forsøget funktionen var egnet (dvs. 20 ms.).
      5. Opret kommunikationsprotokoller til at videregive oplysninger mellem sweep-baserede datafangst software og den visuelle stimulus levering software.
        BEMÆRK: Afsnit 1.2.3.7 til 1.2.3.11 beskrive, hvordan dette er afsluttet. Se de medfølgende ressourcer i trin 1.2.1.1og 1.2.3.5 for yderligere støtte til sweep-baserede datafangst software og den visuelle stimulus levering software, hhv.
      6. For sweep-baserede datafangst software til den visuelle stimulus levering software retning, skabe linjer kode i sweep-baserede datafangst software til at sende to former for information; forsøg numre til at starte og stoppe en retssag, og kryds markøren positioner. Har sweep-baserede datafangst sender softwaren alle oplysninger som tekstlinjer afsluttet med et linjeskift. Se linjer 700-708 i Signal scriptfilen på, hvordan det blev afsluttet.
      7. For den visuelle stimulus levering software til at skelne mellem to typer oplysninger, skal du indstille den oprindelige karakter til at være et 0 eller et 1 efterfulgt af et eller to tal i henhold til den type oplysninger, med alle værdier bliver adskilt af mellemrum. Den visuelle stimulus levering software vil ikke have nogen problemer med at håndtere denne information. Se linjer 89-153 af scenariet filen for at se how denne operation blev afsluttet inden for den visuelle stimulus levering software.
      8. I den visuelle stimulus levering software til at feje-baserede datafangst software retning, skabe linjer kode fra den visuelle stimulus levering software, der udlæser enkelt heltalsværdier, fra 0 til 9, som skal sendes til sweep-baserede datafangst software som enkelt ASCII tegn "0" til "9" efterfulgt af et linjeskift. Se linjer 82-87 af scenariet filen for at bestemme, hvordan denne operation er afsluttet.
      9. Opret linjer kode i den visuelle stimulus levering software til at sende værdier på 0 og 1 for at vende tilbage oplysninger til sweep-baserede dataopsamlingssystem om, hvorvidt deltageren havde ramt målet position. Se linjer 72-80 og 154-220 i scenariet filen for at bestemme, hvordan denne operation er afsluttet.
      10. Opret linjer kode i den visuelle stimulus levering software til at sende oplysninger om end-of-retssagen meddelelse (dvs.
    4. Sekvens af operationer inden for en retssag
      1. Opsætning sekvensen af ​​en retssag, således at udførelsen af ​​en retssag deles mellem sweep-baserede datafangst software og den visuelle stimulus levering software, med sweep-baserede datafangst software være 'ansvarlig' for den overordnede sekventering.
      2. Sæt sweep-baserede datafangst software i kontrol over eksperiment sekventering fordi sweep-baserede datafangst software genererer den faktiske datafil, der skal annoteret med forsøg detaljer, og derfor er mindre kommunikation påkrævet.
      3. Opsætning scriptet således at rækkefølgen af ​​operationer begynder med sweep-baserede datafangst software udvælgelse af de næste forsøg indstillinger (target position & TMS udløse type). Se linjer 335-345, og tilsvarende sløjfer beskrevet i disse linjer, i scriptet filen for at forstå, hvordan man udfylder disse operationer.
        BEMÆRK: loops er også indeholdt i scriptfilen.
      4. Dernæst har sweep-baserede dataopsamlingssoftware indstillede parametre i A / D boks styring af TMS trigger type og andre aspekter af forsøget. For at gøre dette, har sweep-baserede datafangst software iværksætte dataindsamling, således at A / D-boks venter på en feje trigger fra den visuelle stimulus levering software, og meddeler den visuelle stimulus levering software over den serielle linje i måltallet (1 til 7), der anvendes, hvilket forårsager den visuelle stimulus levering software til at starte et forsøg (dvs.. via TTL puls). Se linjer 180-303 af signalet script til at forstå, hvordan at fuldføre denne operation.
      5. Efter at have afsluttet det førnævnte trin, har sweep-baserede datafangst software vente til færdiggørelse af samlingen af ​​et Sweep af data A / D boks, og tilføje eventuelle positionsdata den modtager fra det elektromagnetiske motion capture-system til de data, der indgår i stikprøven. Se linjer 117-178 og 661-697 af scriptet filen for oplysninger om, hvordan at fuldføre denne operation.
      6. Set-up den visuelle stimulus levering software til at overvåge emne-kontrollerede trådkors markørposition. Set-up den visuelle stimulus levering software til at flytte målet til den angivne position og generere en TTL puls på LPT1 porten efter markøren er i hjemmet position for en bestemt periode (defineret i det visuelle stimulus levering software). Se linjer 89-232 i scenariet filen for, hvordan man udfylder dette trin.
      7. Opret linjer kode, der gør den visuelle stimulus levering software sende TTL puls til at udløse A / D-opkøbet boksen data og dermed starte retssagen timing inde i A / D-kassen. Se linjer 222-232 af scenariet fil på, hvordan man udfylder dette trin.
      8. Samtidig har den visuellestimulus levering software scenarie fil begynde en forsinkelse, hvorefter det vil flytte målet til den angivne position og begynde at overvåge trådkorset markøren for at se om det "at ramme" målet (dvs.., tilbage på mål for en bestemt periode). Set-up den visuelle stimulus levering software, at det fortsætter denne overvågning af trådkorset markørposition indtil sweep-baserede datafangst software informerer den visuelle stimulus levering software retssagen er afsluttet.
        BEMÆRK: Disse operationer er på samme linje kode i scenariet filen angivet i trin 1.2.4.6 og 1.2.4.7.
      9. Inde i A / D boksen skabe en tidsforsinkelse. For en bestemt periode, der løber frem til udgangen af ​​forsinkelsen, har software monitor to EMG-signaler (BEMÆRK: kunne være nogen analoge signaler) til at kontrollere, at de er af lav amplitude (denne amplitude værdi brugerdefineret). Forfatterne anbefaler en EMG amplitude på +/- 100 μV eller ~ 1% af en deltagernes maksimale frivillig aktivering. Se linjer 45-75 i sequencer-filen til at fuldføre denne operation.
      10. Opret linjer kode, som gør starten på denne stille EMG overvågningsperiode præget af en A / D-box-genereret digital markør med kode 1. Også, hvis der registreres et »ikke-quiet 'EMG-signal, ikke tillader yderligere A / D box udgange (f.eks., bip eller TMS trigger) genereres under retssagen. Opsætning af en kommando i softwaren, således at hvis der er en "ikke-quiet 'EMG-signalet, er forsøget gentages. Se de linjer, der er nævnt i trin 1.2.4.9 plus linier 118 til 124 i sequencer filen og linjer 347-420 af scriptet filen for disse operationer.
      11. Ved afslutningen af ​​forsinkelsen, og efter optagelse rolige EMG signaler, har A / D boks generere en DAC 0 udgangsimpuls (i denne opsætning, DAC output forårsager en hørbar "bip"). Har en A / D-box -generated digitale datapunkt markerer starttidspunktet for den "bip" med "kode 2" Se linjer 126-138 af sequencer-filen til at forstå, hvordanat fuldføre denne operation.
      12. Opsætning scriptet i sweep-baserede datafangst software til at få A / D boks overvåge feje tid og indkommende signaler, og generere en TMS trigger baseret på de relevante kriterier. Opret linjer kode således at en digital "kode 3 'datapunkt markerer tidspunktet for denne TMS trigger (hvis det sker). Se linjer 77-116 af sequencer-filen til at forstå, hvordan at fuldføre denne operation.
      13. Har venteperioden, for egnede trigger betingelser, fortsætte, indtil en fastsat periode inden udgangen af ​​sweep.
        BEMÆRK: Dette forhindrer retssagen opstår uendeligt hvis et kriterium ikke er opfyldt. Se linjer 65-76 og 118-138 i sequencer filen for at forstå, hvordan at fuldføre denne operation.
      14. Opsætning sweep-baserede datafangst software til at registrere afslutningen af ​​A / D-opsamlingsboks data og meddeler den visuelle stimulus levering software, retssagen er overstået. Se linjer 180-303 af scriptet filen til at forståhvordan man udfylder dette trin.
      15. Når den visuelle stimulus levering software er meddelt, at retssagen er slut, har den visuelle stimulus levering software returnere målet til udgangspositionen og sende oplysninger til sweep-baserede datafangst software om, hvorvidt deltageren 'hit "målet. Har sweep-baserede datafangst software "tag" den nyligt samplet ramme af data, hvis deltageren ikke 'hit "målet ,. Se linjer 89-221 af scenariet fil, hvordan at fuldføre denne operation.
      16. Opsætning scriptet i sweep-baserede datafangst software til at vente på en forsinket post-forsøg og i slutningen af ​​denne forsinkelse, har processen tilbagevenden til trin 1 og kassér de data, der indgår i stikprøven, og gentage den sidste retssag, hvis kunne feje baseret datafangst software ikke udløse TMS, eller gå videre til den næste forsøg, hvis alle var 'OK'. Se linjer 180-303 og tilsvarende sløjfer i scriptfilen for at forstå, hvordan at fuldføre denneoperation.
        BEMÆRK: sweep-baserede dataopsamlingssoftware og de visuelle stimulus levering software anvendes tilstandsmaskiner at styre den nødvendige sekvens af operationer, fordi det tilladt for nem justering af den eksperimentelle adfærd, efter behov.
  3. Placer sensorerne på landemærker knoklet for at erhverve motion capture data. At indsamle data vedrørende arm kropsholdning, placere sensorer på stammen (suprasternal notch), skulder (acromion), albue (8 mm overlegne til den laterale epicondyle) og håndled (mellem lunate og capitatum knogler på dorsum af hånden og på linje med den 3. ciffer), som pr anbefalinger til at spore fælles centre for rotation med minimale sensorer. 10

Figur 1
Figur 1. Hardware Set-up. For at give mulighed for de elektromagnetiske motion capture data, der skal sendes til sweep-baseret datafangst software og den visuelle stimulus levering software, først samle de 4 elektromagnetiske sensorer med systemets konsol. Forbind systemets konsol til pc'en 1 med en 9 bens serielt kabel. Tilslut pc'en 1 til pc'en 2 med en 9 bens serielt kabel. At give mulighed for TMS levering, tilslutte pc'en 1 med A / D kasse med et USB-kabel, og tilslut et BNC-kabel mellem A / D-boksen og TMS enhed. At give mulighed for EMG optagelse tilsluttes EMG fører til EMG amp og tilslut EMG amp til A / D-boks via BNC kabler. Tilslut electrogoniometer (Elgon) til A / D-boks via et BNC-kabel til at optage fælles vinkel ændringer online. For at tillade den visuelle stimulus levering software til at udløse retssagen start, tilsluttes pc'en 2 til A / D-box trigger input via en LPT-port til BNC-kabel. Klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Hardware-tilslutningunder eksperimentet (figur 1)
    1. Tilslut det elektromagnetiske motion capture-system til pc'en kører sweep-baserede datafangst software med en 9 pin seriel kabler.
    2. Har de data erhvervelse boksen koordinere TMS levering og registrering af motion capture data mv Dette gøres ved alle ovennævnte operation indeholdt i script og sequencer-filer. Tilslut A / D-boksen ved hjælp af et USB-kabel til PC 1 og en BNC til parallel kabel fra A / D-box trigger input til PC 2.
    3. Sæt EMG fører ind til EMG-filter (band-pass sat til 20 og 2500 Hz) og forstærker (gain X1000) til opsamling af EMG aktivitet og corticospinal output målt som motor evoked potentialer (MEP'er).
    4. Slut Monofasisk Transcranial Magnetic Stimulator til de passende dataindsamling box digitale udgange (Digital udgang '0' i dette eksperiment) for at tillade feje-baserede datafangst software på PC1 til at udløse TMS pulser under eksperimentet. li>
    5. Tilslut en electrogoniometer til kassen datafangst på analog kanal 2. Denne tilslutning giver mulighed for sweep-baserede datafangst software til at udløse TMS baseret på skulderen vinkel ved hjælp af softwaren, som forfatterne.
    6. Bygge eller købe en arm forfriskende enhed, der understøtter armen mod tyngdekraften. Denne enhed muliggør plane bevægelser i det vandrette plan (se figur 2). Hvis opbygge enheden, et eksempel tegning er til rådighed efter anmodning fra den tilsvarende forfatter. Figur 2 viser et foto af enheden bruges i demonstrationen.

Figur 2
Figur 2. Arm bøjlen. Afbildet er deltager placeret i armen bøjlen, mens et TMS spole anbringes på deltagerens hovedbund.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Forsøg Opsætning

  1. Antropometriske Foranstaltninger
    1. Optag kroppens samlede masse af deltageren ved hjælp af en skala.
    2. Mål længden af ​​alle segmenter for den kinematiske og kinetiske analyse. For eksempel i denne ansøgning med armen, måle længden af ​​hånden, underarm og overarm med et målebånd.
    3. Beregn antropometriske foranstaltninger, såsom segment tyngdepunkt, segment tyngdepunkt placering og inertiradius hjælp ligninger fra forskningslitteratur. 9,12,13 (Se Supplerende oplysninger 1).
  2. EMG opsætning
    1. Forbered huden over musklen (r) af interesse med en let slibende gel og tørre af med alkohol. Kontroller impedans med en impedans meter. Sørg for, at huden-elektrode impedans er under 10 kohm at øge EMG signal acquimensætning.
    2. Placer to elektroder over musklen maven af ​​musklerne i interesse i en bipolær montage. Forfatterne lede læseren til ressourcer til at hjælpe med EMG placering. 2. Til dette eksperiment, sted elektroder over biceps brachii, triceps brachii, pectoralis major, posterior deltoid, og brachioradialis.
    3. Brug af BNC kabler, tilsluttes udgangene fra EMG forstærkeren til de analoge kanaler 0, 1, 3, 4 og 5 (for dette specifikke eksperiment disse kanaler i forbindelse med dem, der anvendes i de downloades scripts) på A / D boks.
  3. TMS
    1. Kalibrer TMS spole til deltageren ved hjælp af en neuro-navigation software program, som beskrev i softwarens manual.
      BEMÆRK: Andre metoder kan anvendes til at kalibrere spolestillingen til personens hovedbund, men det anbefales at bruge et neuro-navigation software program.
    2. Find motor hotspot. Som en start placering, skal du placere spolen på den kontralaterale hanmisphere af armen / hånden blive undersøgt og 5 cm lateralt for toppunktet for at give en omtrentlig placering af hånden / armen område af den primære motor cortex. Find toppunktet ved hjælp af internationale 10-20 elektroencefalografi elektrodeplacering system.
    3. Placer TMS spolen fladt på deltagerens hoved og orientere spolen således, at det er 45 ° i forhold til det sagittale plan. Denne positionering vil fremkalde en latero-posterior til medio-anterior monofasiske strøm i cortex.
    4. Begyndende ved ~ 30% af den maksimale stimulator output (MSO) afgiver TMS pulser med en inter-stimulus interval på 6 sek eller større, som beskrevet i sweep-baserede dataopsamlingssoftware.
    5. Flyt TMS spolen til lidt forskellige steder med små ændringer i orienteringen indtil en MEP er observeret i musklen af ​​interesse.
    6. Bestem MSO, der giver medlemmerne fra ~ 1 mV i målet muskel. Brug neuronavigation softwaren til digitalt registrere denne placering. Gentagedenne procedure for hver muskel, hvor der kræves en motor hotspot for eksperimentet.
    7. Bestem hvilende motor tærskel (RMT) ved at starte på intensiteten, der producerer den mest pålidelige ~ 1 mV MEP i musklen af interesse, leverer enkelt TMS impulser og registrering af MEP top til top amplituden online.
    8. Bestem MSO hvorved peak-to-peak amplituden af MEP er ≥ 50 μV i 5 ud 10 på hinanden følgende forsøg. 3,11
      BEMÆRK: For at være i overensstemmelse med tidligere litteratur, 1,3 sikre, at MEP er optaget fra en monopolært EMG montage.
  4. Eksperimentelle forsøg
    1. Start eksperimentet ved at køre den visuelle stimulus levering program først (dvs.., Scenarie-fil). Start af visuelle stimulus levering software program først giver mulighed for software til at begynde at læse i de elektromagnetiske motion capture data og tillade en motion capture-sensor til at styre enmarkøren på skærmen.
    2. Kør 'scriptfilen "for de eksperimentelle forsøg inden for sweep-baserede datafangst software. Dette script fil læser i "sequencer filen ', der leverer eksterne udløsende værdier baseret på retssagen typen.
    3. Input ønskede oplysninger i den konfiguration dialogboks, der åbnes. Trappe, 2.4.4 til 2.4.11 alle vedrører indstillingsdialogen kassen.
    4. Indtast værdien "1" i "stimulus sæt i randomisering blok" boksen. Denne værdi styrer antallet af gange et forsøg type er udført i en blok.
    5. Indtast værdien "20" i "randomisering blokke i eksperimentet" boksen. Denne værdi styrer antallet af blokke, der vil blive udført i et eksperiment.
    6. Indtast værdien "20" i "bip impulsvarighed" boksen. Denne værdi styrer længden af ​​tid af DAC output og derfor hvor længe bip puls er "on".
      BEMÆRK: Rediger denne værdi for at øge længden afauditive tone er til stede.
    7. Indtast værdien "5" i "bip pulsamplitude" boksen. Denne værdi styrer amplituden i volt DAC output og derfor "volumen" af bip puls.
    8. Indtast værdien "100" i "tidsindstillet udløser indlæg bip forsinkelse" kassen. Denne værdi bestemmer intervallet i ms mellem det auditive "go" cue og den digitale udgang (dvs.., TMS udløser 1).
    9. Indtast værdi "0,1" i "EMG trigger tærskelværdi" boksen. Denne værdi angiver amplituden af EMG i volt kræves for at udløse den digitale udgang (dvs.., TMS udløser 2). Disse foranstaltninger blev truffet på ikke-rektificeret EMG-signaler.
    10. Indtast værdi "0,242" i "Angle trigger tærskelværdi" boksen. Denne værdi bestemmer tærskelværdien i volt læst fra electrogoniometer at udløse den digitale udgang (dvs.., TMS aftrækkeren 3).
      BEMÆRK: Denne værdi afhænger af kalibrering afden electrogoniometer. Brugeren skal indtaste denne spænding, som svarer til en fælles vinkel tærskel, som vil fremkalde en TMS puls.
    11. Indtast værdien "1" (dvs.., 1 sek) i "forsinkelse efter retssagen" boksen. Denne værdi bestemmer inter retssagen interval.
      BEMÆRK: Yderligere oplysninger om hver funktion kan findes i scriptet eller ved anmodning fra forfatterne.
    12. Start scriptet når alt er klar med hensyn til deltageren, TMS, og visuel stimulus display program.
    13. Efter dette trin, observere software køre på egen hånd uden nogen / eller med minimal brugerinput.
      BEMÆRK: Et eksempel forsøg starter med deltageren placere markøren i startpositionen målet. Den nye visuelle målposition vises, og deltager flytter til dette mål, når en auditiv "Book" cue leveres via en digital til analog udgang på boksen dataopsamling.
    14. Efter at levere cue, bede deltagerne til at flytte markøren til tArget. Efter at have nået målet position ved hjælp af markøren, observere startpositionen og begynde det næste forsøg ved at placere markøren tilbage i udgangspositionen.
      BEMÆRK: Her er eksempel på TMS udløses af scriptet. Sørg den enkelte er i deres udgangsposition. Overhold den visuelle målposition og instruere deltageren til at flytte markøren til dette mål. Trigger TMS at forekomme ved 100 ms efter auditive 'GO' cue. Den enkelte holder markøren ved målpositionen 1 sek. Individet vender derefter tilbage til udgangspositionen afventer næste forsøg.
    15. Sørg for, at markøren er i udgangsposition. Overhold den visuelle målposition og instruere deltageren til at flytte markøren til den ønskede position. Trigger TMS at forekomme ved 100 ms efter auditive 'GO' cue. Instruere den enkelte til at holde markøren på målpositionen 1 sek. Spørg den enkelte til at vende tilbage markøren til udgangspositionen afventer næste forsøg.
      BEMÆRK: I dette eksempel det analoge signal udløser TMS. Specifikt i dette eksempel, EMG udløser TMS puls. Forsøget har 21 betingelser: 7 målbetingelserne x 3 forskellige tidspunkter, hvor en TMS puls udløses (dvs., udløser 1, udløser 2, trigger 3.). I dette eksempel er TMS pulser udløses baseret på digitale begivenheder, eller eksterne analoge trigger begivenheder som EMG eller electrogoniometer input. Disse digitale eller analoge begivenheder kan ændres af brugeren ved at ændre sekvenser og script-filer. Den omtrentlige samlede varighed af eksperimentet er 3 til 4 timer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser resultaterne fra en enkelt forsøg. I dette forsøg figur 3A viser den oprindelige placering af deltageren, og efter en auditiv "Book" cue, deltageren flyttede så hurtigt og præcist som muligt til målet (dvs.., Den endelige position). Sweep-baserede datafangst software udløste en TMS puls baseret på EMG debut i biceps brachii musklen. Dette tillod mål for corticospinal output rettet til øvre armmuskler skal evalueres på et bestemt tidspunkt under udførelsen af opgaven. Figur 3B viser MEP opnået fra hver muskel fra enkelt TMS puls under EMG udbrud af denne retssag. Spids-til-spids amplituden af ​​MEP fra TMS pulsen måles fra hver muskel. Alternativt kunne måles, det område af MEP. Ændringer i MEP størrelse på tværs forskellige bevægelse faser eller bevægelse typer angiver ændringer i corticospinal ophidselse på tværs af forskellige opgaver eller tidspunkter. Brug af den integrerede tilgang motion capture og TMS-systemer, kan forskerne kvantificere neurale aktivitet stammer fra motor cortex på et præcist tidspunkt i løbet af adfærd, såsom under EMG debut i dette eksempel. Endvidere kan der være en forsinkelse indsat mellem EMG indtræden og udløsning af TMS levering (se sequencer fil på linje 88 til 98 og 109 til 117 for at indsætte denne forsinkelse) at undersøge tidsforløbet af corticospinal output, der kan variere i løbet af bevægelse. Vigtigt er det, kan andre analoge signaler såsom bevægelse kinematik (fælles vinkel, fælles hastighed, fælles acceleration) og sensoriske signaler (visuelle, auditive) også bruges til at udløse TMS levering.

Figur 3C og 3D vise vinkelforskydning af skulderen og albueleddet. Figur 3E og 3F vise enbilt hastighed ved skulderen og albueleddet. Figur 3G og 3H viser kinetikken ved skulderen og albueled. De blå, grønne og røde linjer er på nettet, muskel, og knogle på knogle kontakt øjeblik, hhv. Den corticospinal uro, rettet til hver muskel, kan derefter sammenlignes med de forskellige bevægelser resultatmål (dvs.., Bevægelse kinematik og kinetik). Disse foranstaltninger er beregnet på grundlag af de motion capture data og antropometriske data. Desuden er denne opsætning giver mulighed for tid-låst TMS pulser at forekomme på ethvert tidspunkt før eller under bevægelsen og kan vurdere ændringer i corticospinal uro i forbindelse med visse funktioner i bevægelsen.

Figur 4 viser f.eks MEP'er optaget fra biceps brachii (A) og pectoralis major (C), mens nå til et mål, der kræver både biceps brachii og pectoralis major (E) for at være aktive. Figur 4 viser også MEP optaget fra triceps brachii (B) og posterior deltoid (D), mens når til et mål, der kræver både triceps brachii og posterior deltoid (F) for at være aktive.

Figur 3
Figur 3. Repræsentative resultater fra en enkelt forsøg. (A) den skematiske til venstre viser startpositionen forsøget begyndelsen, mens den skematiske til højre viser slutpositionen under forsøget. (B) spids til spids amplituden af MEP fremkaldt i de øvre armmuskler. BB = Biceps brachii, TB = Triceps brachii, PM = pectoralis major, PD = Posterior Deltoid. (C & D) vinkeldrejning tidsprofil for skulder- og albueled i hele forsøgsperioden. Værdierne angiver rotation (i radianer) forskudt med en drejning modsat uret i forhold til Røjre vandret. Et stigende vinkel indikerer fleksion, mens en faldende vinkel angiver forlængelse. (E & F) vinkelhastigheden tidsprofil for skulder- og albueled i hele forsøgsperioden. (G & H) det øjeblik tidsprofilen af skulderen og albueleddet hele forsøget. Den blå linje viser Net Moment, den røde linje viser Bone på Bone Kontakt Moment, og den grønne linje viser den forudsagte Muscle Moment. Positive værdier angiver, at det øjeblik handler i flexor retning (dvs.., Rotation mod uret), mens negative værdier indikerer, at det øjeblik handler i extensor retning (dvs.., Rotation med uret). Se Supplerende oplysninger 4 til beregning af muskel, knogle på knogle kontakt og netto øjeblik. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 4. Repræsentative MEP'er optaget fra øvre armmuskler. MEP optaget fra biceps brachii (A) og pectoralis major (C), mens nå til et mål, der kræver aktivitet af både biceps brachii og pectoralis major (E). MEP optaget fra triceps brachii (B) og posterior deltoid (D), mens nå til et mål, der kræver aktivitet af både triceps brachii og posterior deltoid (F). Klik her for at se en større version af dette tal.

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

Adfærd Transkraniel magnetisk stimulation primær motor cortex plane nå elektromyografi kinematik kinetik erhvervelse analoge data software visuel stimulus levering software software / hardware integration motion capture
Ved at kombinere flere data Acquisition Systems til at studere corticospinal udgang og Multi-segment Biomekanik
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