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Behavior

Association de plusieurs systèmes d'acquisition de données pour étudier sortie cortico et Multi-segment Biomécanique

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

Introduction

La stimulation magnétique transcrânienne (TMS) est une méthode non-invasive pour stimuler le cortex humain. 3,5 Il existe plusieurs protocoles TMS qui sont utilisés pour comprendre la fonction corticale comme impulsions uniques et multiples, la stimulation bi-place pour sonder la connectivité fonctionnelle, et impulsions répétitives à promouvoir la plasticité neuronale. 4,6-8 protocoles de TMS peuvent également être combinées pour faire avancer la compréhension actuelle des processus corticales humaines et orienter les stratégies de réhabilitation de neurones. En plus de stimuler le cortex, TMS peut également être utilisé pour comprendre la fonction de sous-corticale par stimulation du faisceau cortico-spinal ou cervelet.

Un des plus grands défis techniques que connaît actuellement la recherche de TMS est la capacité à étudier le rôle des aires corticales pendant le mouvement volontaire vers un but dans les humains. Plusieurs considérations contribuent à ce défi technique. Tout d'abord, la livraison TMS doit être combiné avec en temps réel le mouvement humain cApture. De cette manière, les impulsions TMS peuvent être livrés ou déclenchées par des fonctions au sein d'une séquence de mouvement présentant une approche temps-verrouillé pour étudier le mouvement complexe. Deuxièmement, en intégrant la prestation de TMS et de la capture de mouvement permet une caractérisation détaillée du mouvement complexe tel qu'il se déroule, qui fera progresser la compréhension des relations cerveau et le comportement qui sous-tendent le contrôle moteur. À l'heure actuelle, il n'y a pas de systèmes disponibles dans le commerce qui intègrent inclusivement TMS et de capture de mouvement méthodologies. Pour les spécialistes des neurosciences dans le domaine du contrôle moteur, ce vide se traduit généralement beaucoup de temps, les défis techniques d'intégrer de multiples systèmes logiciels et matériels d'acquisition de données et de livraison. Cette limitation technique a également entraîné dans la recherche clairsemée dédié à l'étude des mouvements dynamiques multi-articulaires impliquant le membre supérieur. Pour TMS pour faire avancer le domaine du contrôle moteur humain, il est impératif que la fonction corticale être sondé pendant le mouvement humain complexe.

(ie., La description du mouvement), la cinétique de mouvement (ie., Les forces que le mouvement de la cause), et l'activité musculaire. Troisièmement, le système doit être capable de synchroniser les impulsions de TMS à ces caractéristiques de mouvement, et être déclenché par des critères fondés sur les caractéristiques des mouvements complexes. Un tel système fournira un lien essentiel entre la fonction corticale et cinématique et la cinétique de mouvement.

Ce manuscrit détaille une approche unique à intégrer des méthodes de TMS et de la capture de mouvement. Cette approche permet une analyse détaillée de la mécanique des mouvements multi-articulaires complexes, et permet le contrôle des impulsions de TMS déclenchées par des caractéristiques spécifiques du mouvement (ie, la cinématique, la cinétique, ou l'activité musculaire) automatisé. En outre, cette acq de donnéessystème de uisition permet de TMS et de capture de mouvement pour être intégrés avec les paradigmes expérimentaux qui nécessitent des tâches visuo-moteur ou sensori-motrices. Ce manuscrit détails une approche novatrice pour intégrer les systèmes couramment utilisés matérielles et logicielles de capture de mouvement dans le but de combiner TMS et l'acquisition du mouvement humain et de l'analyse. Les données sont présentées à l'aide d'une étude du fonctionnement cortical humain de l'échantillon pendant le mouvement multi-joint plane. Les scripts de logiciels nécessaires pour réaliser l'expérience sont disponibles pour téléchargement.

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Protocol

NOTE: Le protocole suivant peut être appliqué à une variété d'expériences. Voici les détails concernant une expérience qui implique un bras guidé visuellement tâche atteint l'une des six cibles spatiales affichées sur un écran d'ordinateur. TMS, pour sonder excitabilité cortico-spinal, soit déclenchée par des signaux analogiques issus du mouvement (par exemple, entrée électrogoniomètre ou EMG) ou les signaux numériques générés par le logiciel d'acquisition de données basé balayage. Cette étude a été approuvée par le Comité d'éthique de la recherche McMaster en conformité avec la Déclaration d'Helsinki. Un échantillon de données est fourni.

Exigences 1. matériel / logiciel

REMARQUE: La figure 1 montre un schéma de la configuration matérielle requise pour intégrer les systèmes de TMS et de capture de mouvement dans le contexte d'une expérience visuo-moteur commandé par ordinateur.

  1. Équipé de deux ordinateurs de bureau avec des ports série et parallèle (si pas déjà disponibles). Équipé PC 1 (figure 1) avec le logiciel d'acquisition de données à base de balayage, et PC 2 avec un programme de logiciel de distribution de stimulus visuel.
  2. Opérations de logiciels
    1. Interne / Box numérique analogique (A / boîte de D) des opérations
      REMARQUE: Les opérations suivantes fournissent des informations aux lecteurs si ils aimeraient eux-mêmes pour créer un logiciel similaire. Ces étapes ne sont pas essentielles à la réalisation de l'expérience, que l'expérience ne peut tout simplement utiliser le logiciel fourni par les auteurs, mais les lignes directrices sont fournies pour permettre aux utilisateurs de créer leur propre logiciel.
      1. Créer un fichier de séquenceur dans le logiciel d'acquisition de données à base de balayage (voir «fichier séquenceur 'exemple (dans l'Information Supplémentaire 2) pour être exécuté sur le PC 1.
        REMARQUE: Un exemple des opérations pour créer un fichier de séquenceur en utilisant le logiciel d'acquisition de données à base de balayage dans cette expérience peut être trouvé à http://ced.co.uk/products/signal#script.
        NONTE: Ce fichier sert à fournir tout le calendrier précis exigé que la séquence exécute en parallèle avec l'acquisition de données réelles et permet une flexibilité avec synchronisation synchrone des déclencheurs externes. Changements dans les critères de déclenchement externes peuvent être effectuées dans la boîte de dialogue de configuration qui est mis en place lors de l'exécution du script (voir section «Des essais expérimentaux" pour plus de détails et de "Sequencer Fichier" capture d'écran).
      2. Créer des sous-programmes distincts dans le fichier séquenceur pour contrôler la génération de signal auditif et les critères de déclenchement TMS. Demandez à un sous-programme de contrôle du signal auditif fondées sur des données à partir du logiciel d'affichage de stimulus visuel. Aussi, disposent d'un contrôle de routine de la TMS déclenchement basé sur les intrants provenant d'une entrée analogique à la boîte A / D.
        REMARQUE: Un exemple de la façon dont les sous-programmes séparés sont contenus dans un fichier séquenceur est prévu dans le Complément d'information (fichier de script et séquenceur). Reportez-vous à 1.2.1.1 pour un soutien supplémentaire de site Webspécifique pour le système logiciel utilisé dans cette démonstration. Ce set-up permet la génération de signal auditif de se produire en parallèle avec les tests pour les critères de déclenchement TMS.
      3. Créer des lignes de code dans le fichier séquenceur qui appelle les sous-programmes (décrites dans 1.2.1.2). Demandez à chaque fonction de sous-programme tel qu'il attendez l'arrivée des entrées à partir de leurs sources (par exemple, le logiciel d'affichage de stimulus visuel pour signal auditif et entrée analogique pour TMS déclenchement).
    2. Connexion et la communication entre le système de capture de mouvement électromagnétique à balayer basés logiciel d'acquisition de données
      1. Pour obtenir le système de capture de mouvement électromagnétique pour générer en continu des données, générer des lignes de code dans le fichier de script du logiciel d'acquisition de données à base de balayage à la sortie d'un certain nombre de commandes pour la capture de mouvement électromagnétique via la connexion série (ces commandes devraient être trouvés dans le manuel de l'électromagnétique système de capture de mouvement).Ces commandes se trouvent dans le fichier de script téléchargeable (script_file.sgs, voir les lignes 88 à 114 et 635 à 650).
      2. Créer des lignes de code pour avoir le fichier de script ajouter les données de capture de mouvement pour chaque balayage d'essai. Ensuite, demandez le script passer les données de capture de mouvement via une connexion série du PC 1 à le logiciel de distribution de stimulus visuel (PC 2) pour contrôler la position du curseur en forme de croix sur le moniteur du PC 2.
        NOTE: Cette séquence d'événements permet la capture de mouvement électromagnétique pour générer des données ASCII en continu, et les données sont ensuite lues à partir de la ligne série.
      3. À la fin d'une expérience, de créer des lignes de code pour avoir le fichier de script d'envoyer des commandes pour désactiver la sortie de données de système de capture de mouvement électromagnétique. Pour ce faire, disposer du logiciel d'acquisition des données à base de balayage-envoyer des lignes de texte titulaires d'un numéro de capteur suivie par six valeurs de coordonnées (voir script_file.sgs pour les codes de commande utilisés pour cette démonstration, en particulier les lignes 88 à 114 et 653-658).
        NOTE: Pour plus d'informations sur ces commandes sont également disponibles sur le site électromagnétique du système de capture de mouvement (section 1.2.1.1).
        NOTE: Avant d'extraire les valeurs numériques, avoir la chaîne "aseptisé" parce que si la coordonnée était négatif, il pourrait ne pas être séparée de la précédente par nombre de caractères de l'espace.
    3. Un logiciel d'acquisition de données basé Sweep à la communication de logiciel de distribution de stimulus visuel
      1. Set-up trois canaux distincts de communication entre le logiciel d'acquisition de données à base de balayage et le logiciel de distribution de stimulus visuel.
      2. Mise en place de deux lignes série utilisés pour transporter des données de texte dans les deux directions entre le PC 1 et PC 2. Pour ce faire, connecter un câble série entre le PC 1 et PC 2 (chaque ligne série étant unidirectionnelle entre chaque PC, Figure 1).
      3. Connectez PC 2 à la boîte A / D. Pour ce faire, créer, ou de l'achat, un câble équipé d'un port LPT sur un end et un connecteur BNC mâle sur l'autre extrémité. Connectez le port LPT au PC 2 et branchez le connecteur BNC à l'entrée de déclenchement sur la boîte A / D.
        NOTE: Cette connexion permet à la ligne pour mener une impulsion générée par le port LPT1 sur le système de logiciel de distribution de stimulus visuel à la boîte déclenchement entrée A / D (ie, PC 2, Figure 1.).
        REMARQUE: Le signal TTL assure moment précis du début du balayage d'acquisition de données en synchronisme avec les opérations de logiciels de livraison de stimulus visuel, tandis que les lignes série transférés de toute autre information.
        REMARQUE: Assurez-vous de l'utilisation réelle des cartes PCI-Express LPT et COM ports installés sur le PC avec le logiciel de distribution de stimulus visuel. Cette configuration permet au logiciel de fonctionner avec succès et il est fortement recommandé. La livraison de relance communications de logiciels visuels, menées à un niveau bas pour éviter tout retard, ne fonctionnent généralement pas de manière fiable sur la simulation LPT et COM matériel du port provided par des dongles USB.
      4. Définissez les valeurs de durée d'essai à 20 ms dans le fichier visuel de logiciel de distribution de relance, comme des valeurs beaucoup plus courte ou plus longue que 20 ms provoque des problèmes. Ressources sur la façon de compléter ce processus peuvent être trouvés sur le site Web suivant: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Voir les lignes 39 à 46 dans le fichier de scénario fourni dans les documents complémentaires (fichier de scénario de Présentation).
        NOTE: Depuis les opérations de logiciels de livraison de relance visuels sont très étroitement liés à la génération de l'image, et dans notre expérience, les communications série ne se comportent pas comme prévu, à moins que la durée de l'essai défini dans la fonction de première instance était approprié (soit 20 ms.).
      5. Créer des protocoles de communication pour transmettre des informations entre le logiciel d'acquisition de données à base de balayage et le logiciel de distribution de stimulus visuel.
        NOTE: Les sections 1.2.3.7 à 1.2.3.11 décrivent comment cela est terminé. Voir les ressources fournies à l'étape 1.2.1.1et 1.2.3.5 pour plus de support pour le logiciel d'acquisition de données basé balayage et le logiciel de distribution de stimulus visuel, respectivement.
      6. Pour le logiciel d'acquisition de données basé balayage à la direction de logiciel de distribution de stimulus visuel, créer des lignes de code dans le logiciel d'acquisition de données basé balayage à envoyer deux formes de l'information; numéros d'essai pour démarrer et arrêter un procès, et les positions de curseur en forme de croix. Avoir le logiciel d'acquisition de données basé balayage-envoyer toutes les informations sous forme de lignes de texte se terminant par un saut de ligne. Voir les lignes 700 à 708 dans le fichier de script de signal de la façon dont cela a été achevé.
      7. Pour le logiciel de distribution de stimulus visuel à distinguer deux types d'information, définir le caractère initial d'être un 0 ou un 1 suivi par un ou deux numéros selon le type d'information, avec toutes les valeurs étant séparées par des espaces. Le logiciel de distribution de stimulus visuel aura aucune difficulté à faire face à cette information. Voir lignes 89-153 du fichier de scénario pour voir hOW cette opération a été réalisée dans le logiciel de distribution de stimulus visuel.
      8. Dans le logiciel de distribution de stimulus visuel à base de balayer la direction de logiciels d'acquisition de données, de créer des lignes de code du logiciel de distribution de stimulus visuel qui émet des valeurs entières simples, de 0 à 9, pour être envoyé au logiciel d'acquisition de données à base de balayage-seul ASCII caractères '0' à '9' suivie par un saut de ligne. Voir les lignes 82 à 87 du fichier de scénario pour déterminer comment cette opération est terminée.
      9. Créer des lignes de code dans le logiciel de distribution de stimulus visuel pour envoyer des valeurs de 0 et 1 pour renvoyer des informations sur le système d'acquisition de données à base de balayage-quant à savoir si ou non le participant avait frappé la position cible. Voir les lignes 72 à 80 et 154 à 220 en le fichier de scénario pour déterminer comment cette opération est terminée.
      10. Créer des lignes de code dans le logiciel de distribution de stimulus visuel pour envoyer des informations concernant le message de fin de procès (c.-à-
    4. Séquence des opérations dans un procès
      1. Mise en place de la séquence d'un procès tels que l'exécution d'un procès est partagée entre le logiciel d'acquisition de données à base de balayage et le logiciel de distribution de stimulus visuel, avec le logiciel d'acquisition de données à base de balayage-être 'en charge' de la séquence globale.
      2. Mettez le logiciel d'acquisition de données basé balayage de contrôle du séquençage de l'expérience parce que le logiciel d'acquisition de données à base de balayage-génère le fichier de données réel qui doit être annotée avec des détails de procès et, par conséquent, moins de communication est nécessaire.
      3. Mise en place le script de telle sorte que la séquence des opérations commence avec le logiciel d'acquisition de données à base de balayage de sélection du prochain paramètres d'essai (position de la cible et le type de déclenchement TMS). Voir les lignes 335 à 345, et les boucles correspondantes décrites au sein de ces lignes, dans le fichier de script à comprendre comment remplir ces opérations.
        REMARQUE: Les boucles sont également contenues dans le fichier de script.
      4. Ensuite, avoir l'ensemble de logiciels d'acquisition de données à base de paramètres de balayage-dans la boîte A / D contrôler le type de déclenchement TMS et d'autres aspects de l'essai. Pour ce faire, avoir le logiciel d'acquisition de données basé balayage de lancer la collecte de données de telle sorte que la boîte A / D est en attente d'un déclenchement de balayage à partir du logiciel de distribution de stimulus visuel, et en informe le logiciel de distribution de stimulus visuel sur la ligne série du nombre cible (1 à 7) utilisé, ce qui provoque le logiciel de distribution de stimulus visuel pour commencer un procès (ie., via l'impulsion TTL). Voir lignes 180 à 303 de l'écriture du signal de comprendre comment terminer cette opération.
      5. Après avoir terminé l'étape mentionnée ci-dessus, ont l'attente d'un logiciel d'acquisition de données basé balayage de l'achèvement de la collection d'un sweep des données par la boîte A / D, et ajouter des données de position qu'il reçoit du système de capture de mouvement électromagnétique pour les données échantillonnées. Voir lignes 117 à 178 et 661 à 697 du fichier de script pour obtenir des informations sur la façon de terminer cette opération.
      6. Mise en place du logiciel de distribution de stimulus visuel pour surveiller la position croix sur l'objet contrôlé. Mise en place du logiciel de distribution de stimulus visuel pour déplacer la cible à la position spécifiée et générer une impulsion TTL sur le port LPT1 après le curseur est dans la position de la maison pour une période de temps spécifiée (défini dans le logiciel visuel de livraison de relance). Voir les lignes de 89 à 232 dans le fichier de scénario de la façon de terminer cette étape.
      7. Créer des lignes de code qui rend le logiciel visuel de livraison de relance envoyer une impulsion TTL pour déclencher l'acquisition de A / D de données de la boîte et, de ce fait, commencer le calendrier d'essai intérieur de la boîte A / D. Voir lignes 222 à 232 du fichier de scénario sur la façon de compléter cette étape.
      8. Dans le même temps, avoir le visuelstimulus fichier de scénario de logiciels de livraison commence un délai après lequel il se déplace la cible à la position spécifiée et commencer à surveiller le curseur en forme de croix de regarder pour cela «frapper» la cible (ie., en restant sur ​​la cible pour une période déterminée). Mise en place du logiciel de distribution de stimulus visuel tel qu'il continue cette surveillance de la position du curseur en forme de croix jusqu'à ce que le logiciel d'acquisition de données basé balayage-informe le logiciel de distribution de stimulus visuel de fin de l'essai.
        NOTE: Ces opérations sont sur la même ligne de code dans le fichier de scénario fourni dans les étapes 1.2.4.6 et 1.2.4.7.
      9. A l'intérieur de la boîte A / N, créer un retard de temps. Pour une période déterminée, en cours d'exécution jusqu'à la fin du délai, que le moniteur du logiciel deux signaux EMG (NOTE: pourrait être des signaux analogiques) pour vérifier qu'ils sont de faible amplitude (cette valeur d'amplitude est définie par l'utilisateur). Les auteurs recommandent une amplitude EMG +/- 100 mV de ou environ 1% de l'activation volontaire maximale d'un participants. Voir les lignes 45 à 75 dans le fichier séquenceur pour terminer cette opération.
      10. Créer des lignes de code qui rend le début de cette période de surveillance d'EMG calme marquée par un A / D marqueur numérique boîte généré par le code 1. En outre, si un signal EMG «non-tranquille» est détectée, ne permettent pas d'autre A / sorties de la boîte de D (par ex., bip ou TMS déclenchement) être générés au cours du procès. Mettre en place une commande dans le logiciel de sorte que si il ya un signal EMG «non tranquille», le procès se répète. Voir les lignes mentionnées à l'étape 1.2.4.9 plus des lignes 118 à 124 du fichier séquenceur et lignes 347-420 du fichier de script pour ces opérations.
      11. À la fin du délai, et après l'enregistrement de signaux EMG calmes, ont la boîte A / D générer une impulsion de sortie DAC 0 (dans ce set-up, la sortie de DAC provoque un «bip» sonore). Avoir une boîte A / D -generated point de données numériques indiquent l'heure de début de la «bip» avec «code 2 'Voir lignes 126-138 du fichier séquenceur de comprendre commentpour terminer cette opération.
      12. Mise en place le script dans le logiciel d'acquisition de données à base de balayage à avoir la boîte A / D contrôler le temps de balayage et de signaux entrants, et de générer un déclencheur de TMS basée sur les critères appropriés. Créer des lignes de code tels que un «code 3 'point de données numérique marque le temps de cette TMS déclencheur (si elle se produit). Voir lignes 77-116 du fichier séquenceur de comprendre comment terminer cette opération.
      13. Avoir la période d'attente, pour les conditions de déclenchement appropriés, continuer jusqu'à une période déterminée avant la fin du balayage.
        NOTE: Cela empêche le procès de se produire à l'infini si un critère est pas remplie. Voir les lignes 65 à 76 et 118 à 138 en le fichier séquenceur de comprendre comment terminer cette opération.
      14. Mise en place du logiciel d'acquisition de données à base de balayage à détecter la fin de la collecte de données de la boîte A / D et aviser le logiciel de distribution de stimulus visuel que le procès est terminé. Voir lignes 180 à 303 de le fichier de script à comprendrecomment terminer cette étape.
      15. Lorsque le logiciel de distribution de stimulus visuel est informé que le procès est terminé, avoir le logiciel visuel de livraison de relance revenir la cible à la position de la maison et d'envoyer des informations sur le logiciel d'acquisition de données à base de balayage-quant à savoir si le participant 'a frappé la cible. Avoir la «tag» de logiciels d'acquisition de données à base de balayage-la trame nouvellement échantillonné des données si le participant n'a pas «frappé» la cible ,. Voir lignes 89-221 du fichier de scénario de la façon de terminer cette opération.
      16. Mise en place le script dans le logiciel d'acquisition de données à base de balayage à attendre un délai post-essai et à la fin de ce délai, avoir le processus de retour à l'étape 1 et jeter les données échantillonnées et en répétant le dernier procès si le sweep- le logiciel d'acquisition de données basés n'a pas déclenché TMS, ou déplacer sur le prochain procès si tout était «OK». Voir lignes 180 à 303 et des boucles dans le fichier de script correspondant pour comprendre comment compléter ceopération.
        REMARQUE: Le logiciel d'acquisition de données basé balayage et les logiciels a utilisé des machines de l'Etat de livraison de stimulus visuel pour contrôler la séquence des opérations nécessaires car il a permis un ajustement facile du comportement expérimental, selon les besoins.
  3. Placer les capteurs sur les repères osseux pour acquérir des données de capture de mouvement. Pour collecter les données relatives à armer la posture, la place des capteurs sur le tronc (fourchette sternale), l'épaule (acromion), coude (8 mm supérieurs à l'épicondyle), et du poignet (entre le semi-lunaire et capités os sur le dos de la main et en ligne avec la 3 e chiffres), conformément aux recommandations de suivre centres communs de rotation avec des capteurs minimes. 10

Figure 1
Figure 1. Installation du matériel. Pour permettre les données de capture de mouvement électromagnétiques pour être envoyé au balayagele logiciel d'acquisition de données et le logiciel à base de livraison de stimulus visuel, d'abord assembler les 4 capteurs électromagnétiques avec la console du système. Connectez la console du système au PC 1 avec un câble série 9 broches. Connectez le PC 1 vers le PC 2 avec un câble série 9 broches. Pour permettre la livraison de TMS, connecter le PC 1 avec la boîte A / D avec un câble USB et de connecter un câble BNC entre la boîte A / D et l'unité de TMS. Pour permettre l'enregistrement EMG, connectez l'EMG conduit à l'ampli EMG et connecter l'ampli EMG boîte A / D à l'aide de câbles BNC. Connectez le électrogoniomètre (Elgon) à la boîte A / D via un câble BNC pour enregistrer les changements d'angle conjointes en ligne. Pour permettre au logiciel de distribution de stimulus visuel pour déclencher le début de l'essai, connecter le PC 2 à la boîte déclenchement entrée A / D via un port LPT au câble BNC. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

  1. Connectivité matérielleau cours de l'expérience (Figure 1)
    1. Connectez le système de capture de mouvement électromagnétique pour le PC exécutant le logiciel d'acquisition de données basé balayage avec un 9-pin câbles série.
    2. Avez-la boîte d'acquisition de données de coordonner la prestation de TMS et de l'enregistrement des données de capture de mouvement, etc. Cela se fait par toute l'opération précitée contenue dans les fichiers de script et séquenceur. Case A / D, utilisez un câble USB pour PC 1 et un BNC câble parallèle de l'A / D case entrée de déclenchement à 2 PC.
    3. Branchez l'EMG mène dans le filtre de l'EMG (passe-bande réglé sur 20 et 2 500 Hz) et amplificateur (gain x1000) pour la collecte de l'activité EMG et la sortie cortico mesurée comme potentiels évoqués moteurs (PEM).
    4. Connectez le stimulateur magnétique transcrânien monophasique à la boîte d'acquisition de données appropriée sorties numériques (sortie numérique «0» dans cette expérience) pour permettre au logiciel d'acquisition de données basé sur le PC1-balayage pour déclencher les impulsions de TMS pendant l'expérience. li>
    5. Connectez un électrogoniomètre à la boîte d'acquisition de données sur le canal analogique 2. Cette connexion permet pour le logiciel d'acquisition de données à base de balayage à déclencher TMS fonction de l'angle de l'épaule à l'aide du logiciel fourni par les auteurs.
    6. Construire ou acheter un dispositif de contreventement bras qui supporte le bras contre la gravité. Ce dispositif permet des mouvements planaires dans le plan horizontal (voir figure 2). Si la construction de l'appareil, un exemple de dessin est disponible sur demande auprès de l'auteur correspondant. La figure 2 montre une photo de l'appareil utilisé dans la démonstration.

Figure 2
Figure 2. Arm dispositif d'appui. Un participant est représenté placé dans le dispositif d'entretoisement bras, tandis qu'une bobine de TMS est placé sur le cuir chevelu du participant.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Expérience Set-up

  1. Mesures anthropométriques
    1. Noter la masse totale du corps du participant en utilisant une échelle.
    2. Mesurer la longueur de tous les segments de l'analyse cinématique et cinétique. Par exemple, dans cette demande avec le bras, mesurer la longueur de la main, avant-bras, et le bras avec un ruban à mesurer.
    3. Calculer les mesures anthropométriques, comme centre du segment de la masse, centre du segment de l'emplacement de masse et le rayon de giration en utilisant les équations de la littérature de recherche. 9,12,13 (Voir Renseignements supplémentaires 1).
  2. EMG set-up
    1. Préparer la peau sur le muscle (s) d'intérêt avec un gel abrasif lumière et nettoyer avec de l'alcool. Vérifiez l'impédance avec un impédancemètre. Assurez-vous que l'impédance peau-électrode est inférieure à 10 k pour améliorer le signal EMG Acquisition.
    2. Placez deux électrodes sur le ventre musculaire des muscles d'intérêt dans un montage bipolaire. Les auteurs orienter le lecteur vers des ressources pour aider avec le placement EMG. 2 Pour cette expérience, placer les électrodes sur le biceps brachial, triceps brachii, grand pectoral, deltoïde postérieur, et brachioradialis.
    3. L'utilisation de câbles BNC, connecter les sorties de l'amplificateur EMG aux canaux analogiques 0, 1, 3, 4 et 5 (pour cette expérience spécifique, ces canaux liés à ceux utilisés dans les scripts téléchargeables) sur la boîte A / D.
  3. TMS
    1. Calibrer la bobine de TMS au participant en utilisant un logiciel neuro-navigation, comme décrit dans le manuel du logiciel de.
      NOTE: D'autres méthodes peuvent être utilisées pour calibrer la position de la bobine au cuir chevelu de la personne, mais il est recommandé d'utiliser un logiciel neuro-navigation.
    2. Localiser moteur hotspot. Comme un emplacement de départ, placer la bobine sur le controlatéral ilMiSPHERE du bras / main à l'étude et 5 latérale cm au sommet pour donner une localisation approximative de la zone / du bras de la main du cortex moteur primaire. Localisez le sommet à l'aide du système international 10-20 d'électroencéphalographie de positionnement des électrodes.
    3. Placer la bobine de TMS à plat sur la tête du participant et orienter la bobine de telle sorte qu'elle se trouve à 45 ° par rapport au plan sagittal. Ce positionnement va induire une latéro-postérieure de courant monophasique médio-antérieur dans le cortex.
    4. Partant ~ 30% de la puissance maximale du stimulateur (MSO) délivrer des impulsions de TMS avec un intervalle de 6 secondes ou plus entre stimuli, comme décrit dans le logiciel d'acquisition de données basé balayage.
    5. Déplacez la bobine de TMS à des endroits légèrement différents avec de petits changements dans l'orientation jusqu'à ce qu'un député européen est observé dans le muscle d'intérêt.
    6. Déterminer l'OSM qui donne députés de ~ 1 mV dans le muscle cible. Utilisez le logiciel de neuronavigation pour enregistrer numériquement cet endroit. Répétercette procédure pour chaque muscle pour laquelle un hotspot de moteur est nécessaire pour l'expérience.
    7. Déterminer le seuil moteur au repos (RMT) en commençant par l'intensité qui produit le plus fiable ~ 1 mV MEP dans le muscle d'intérêt, délivrant des impulsions de TMS simples et l'enregistrement de la crête MEP amplitude crête en ligne.
    8. Déterminer l'OSM dans lequel l'amplitude de la MEP crête-à-crête est ≥ 50 mV à 5 sur 10 essais consécutifs. 3,11
      NOTE: Pour être cohérent avec la littérature précédente, 1,3 veiller à ce que le député est enregistré à partir d'un montage EMG monopolaire.
  4. Des essais expérimentaux
    1. Commencez l'expérience en exécutant le programme de logiciel de distribution de premier stimulus visuel (ie., Fichier de scénario). Démarrage du programme de logiciel de distribution de stimulus visuel premier permet pour le logiciel pour démarrer la lecture des données de capture de mouvement électromagnétiques et permettre un capteur de capture de mouvement pour contrôler unecurseur sur l'écran.
    2. Exécutez le fichier 'script' pour les essais expérimentaux dans le logiciel d'acquisition de données à base de balayage. Ce fichier de script lit dans le «fichier séquenceur 'qui offre déclencheurs externes basées sur le type de procès.
    3. Entrée souhaitée informations dans la boîte de dialogue de configuration qui ouvre. Étapes, 2.4.4 à 2.4.11 appartiennent tous à la boîte de dialogue de configuration.
    4. Entrer la valeur "1" dans les "jeux de relance dans le bloc de randomisation" boîte. Cette valeur contrôle le nombre de fois un type d'essai est effectué dans un bloc.
    5. Entrer la valeur "20" dans les "blocs de randomisation dans l'expérience" boîte. Cette valeur contrôle le nombre de blocs qui seront effectuées dans une expérience.
    6. Entrer la valeur "20" dans la boîte "bip de durée d'impulsion". Cette valeur contrôle la durée de la sortie du CNA et, par conséquent, la durée de l'impulsion sonore est "on".
      Remarque: Modifiez cette valeur pour augmenter la longueur de laton auditive est présente.
    7. Entrer la valeur "5" dans la boîte "d'amplitude d'impulsion bip". Cette valeur contrôle l'amplitude en volts de la sortie du CNA et donc, le "volume" de l'impulsion de bip.
    8. Entrer la valeur "100" dans la case "chronométré après déclenchement de retard bip". Cette valeur détermine l'intervalle en ms entre l'auditoire cue "go" et la sortie numérique (ie., TMS déclenchement 1).
    9. Entrer la valeur "0,1" dans la boîte "EMG de niveau de seuil de déclenchement". Cette valeur détermine l'amplitude des EMG en volts requis pour déclencher la sortie numérique (ie., TMS déclenchement 2). Ces mesures ont été prises sur les signaux EMG non rectifiés.
    10. Entrer la valeur "0.242" dans la boîte "Angle de niveau de seuil de déclenchement". Cette valeur détermine la valeur de seuil en volts lues à partir du électrogoniomètre pour déclencher la sortie numérique (ie., TMS gâchette 3).
      NOTE: Cette valeur dépend de l'étalonnage desl'électrogoniomètre. L'utilisateur doit entrée que valeur de tension qui correspond à un seuil d'angle commun qui déclenchera une impulsion de TMS.
    11. Entrer la valeur "1" (ie., 1 sec) dans la case "de retard après le procès". Cette valeur détermine l'intervalle d'essai inter.
      NOTE: Plus d'informations sur chaque fonction peut être trouvée dans le script ou par demande auprès des auteurs.
    12. Lancer le script une fois que tout est prêt à l'égard du participant, TMS, et visuelle programme d'affichage de relance.
    13. Après cette étape, d'observer la course de logiciel sur son propre sans aucune / ou avec la participation minimale de l'utilisateur.
      REMARQUE: Un exemple procès commence avec le participant plaçant le curseur dans la cible de position de la maison. La nouvelle position de la cible visuelle apparaît et se déplace participant à cet objectif, une fois un auditoire "go" cue est livré via un convertisseur numérique à la sortie analogique sur la boîte d'acquisition de données.
    14. Après avoir livré la queue, demander aux participants de déplacer le curseur sur le tArget. Après avoir atteint la position cible à l'aide du curseur, observer la position de repos et commencer le prochain essai en plaçant le curseur avant la position de repos.
      NOTE: Voici l'exemple de TMS étant déclenché par le script. Assurer que la personne est dans leur position d'origine. Respecter la position de cible visuelle et demander au participant de déplacer le curseur à cet objectif. Déclencher le TMS de se produire à 100 ms après la auditive 'GO' cue. L'individu maintient le curseur à la position de la cible pendant 1 sec. L'individu revient alors à la position de la maison en attendant le prochain procès.
    15. Assurez-vous que le curseur est dans la position de la maison. Respecter la position de cible visuelle et demander au participant de déplacer le curseur à la position cible. Déclencher le TMS de se produire à 100 ms après la auditive 'GO' cue. Demander l'individu pour maintenir le curseur à la position cible pendant 1 sec. Demandez à la personne de revenir le curseur sur la position de la maison en attendant le prochain procès.
      NOTE: Dans cet exemple, le signal analogique déclenche le TMS. Plus précisément, dans cet exemple, l'EMG déclenche l'impulsion de TMS. L'expérience a 21 conditions: 7 conditions cibles x 3 points de temps différents au cours de laquelle une impulsion de TMS est déclenchée (par exemple, déclenchement 1, 2, déclenchement déclenchement 3.). Dans cet exemple, TMS impulsions sont déclenchées en fonction d'événements numériques, ou des événements de déclenchement analogiques externes tels que EMG ou entrée électrogoniomètre. Ces événements numériques ou analogiques peuvent être modifiés par l'utilisateur en changeant les séquences et les fichiers de script. La durée approximative totale de l'expérience est de 3 à 4 heures.

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Representative Results

Figure 3 montre les résultats d'un seul essai. Dans cet essai, figure 3A montre la position initiale du participant et, après une cue 'go' auditif, le participant déplacé aussi rapidement et précisément que possible à la cible (ie., La position finale). Le logiciel d'acquisition de données basé balayage déclenché une impulsion de TMS basée sur EMG apparition dans le muscle biceps brachial. Cela a permis la mesure de la production cortico dirigé vers muscles du bras doit être évalué à un moment précis pendant l'exécution de la tâche. Figure 3B affiche l'eurodéputé obtenu à partir de chaque muscle de l'impulsion TMS unique pendant EMG début de ce procès. L'amplitude de la MEP de l'impulsion TMS crête-à-crête est mesurée à partir de chaque muscle. Alternativement, la zone de la MEP a pu être mesurée. Les changements dans la taille de la MEP dans les différentes phases de mouvement ou de types de mouvement indiquent des changements dans corticospiexcitabilité nal à travers différentes tâches ou des points dans le temps. Utilisation de l'approche intégrée de capture de mouvement et systèmes TMS, les chercheurs peuvent quantifier l'activité de neurones provenant de cortex moteur à un moment précis pendant la conduite, comme pendant EMG apparition dans cet exemple. En outre, il peut y avoir un délai inséré entre le début EMG et le déclenchement de la livraison TMS (voir le fichier séquenceur sur les lignes 88 à 98 et 109 à 117 pour insérer ce retard) d'enquêter sur l'évolution dans le temps de la production cortico qui peuvent varier au cours de la mouvement. Surtout, d'autres signaux analogiques tels que la cinématique de déplacement (angle de l'articulation, de la vitesse commune, l'accélération conjointe) et les signaux sensoriels (visuel, auditif) peuvent également être utilisés pour déclencher la livraison TMS.

Les figures 3C et 3D afficher le déplacement angulaire de l'articulation de l'épaule et du coude. Figures 3E et 3F montrent l'unevitesse gulaire à l'articulation de l'épaule et du coude. Figure 3G et 3H afficher la cinétique à l'épaule et du coude. Les lignes bleues, vertes et rouges sont le filet, les muscles et les os sur les couples de contact de l'os, respectivement. L'excitabilité cortico, dirigée à chaque muscle, pourrait alors être comparé aux différentes mesures mouvement de résultats (ie., Cinématique du mouvement et de la cinétique). Ces mesures sont calculées sur la base des données de capture de mouvement et les données anthropométriques. En outre, cette configuration permet d'impulsions de TMS temps-verrouillé de se produire à tout moment avant ou pendant le mouvement et peuvent évaluer les changements dans l'excitabilité cortico par rapport à certaines caractéristiques du mouvement.

La figure 4 montre un exemple députés enregistrés à partir du biceps brachial (A) et grand pectoral (C), tout en atteignant une cible qui nécessite à la fois biceps brachial et grand pectoral (E) d'être actif. La figure 4 montre également MEP enregistrés à partir de triceps brachii (B) et deltoïde postérieur (D), tout en atteignant une cible à la fois qui nécessite triceps brachii et deltoïde postérieur (F) d'être actif.

Figure 3
Figure 3. Les résultats représentatifs d'un seul essai. (A) le schéma de gauche montre la position de départ au début du procès, alors que le schéma à droite montre la position finale au cours du procès. (B) l'amplitude pic à pic de l'eurodéputé évoqué dans les muscles du bras. BB = biceps brachial, TB = triceps brachii, PM = pectoral, PD = Deltoïde Postérieur. (C & D), le profil angulaire de temps de déplacement de l'épaule et du coude au long du procès. Les valeurs indiquent la rotation (en radians) déplacé par une rotation dans le sens antihoraire par rapport à la right horizontale. Un angle croissant indique flexion, tout en diminuant l'angle indique l'extension. (E & F), le profil angulaire de temps de la vitesse de l'épaule et du coude au long du procès. (G & H), le profil de temps de moment de l'articulation de l'épaule et du coude au long du procès. La ligne bleue représente le moment Net, la ligne rouge représente l'os sur l'os Contactez Moment, et la ligne verte représente le moment de Muscle prédit. Les valeurs positives indiquent que le moment est agissant dans la direction de flexion (ie., Rotation antihoraire), tandis que les valeurs négatives indiquent que le moment est agissant dans le sens de l'extenseur (ie., La rotation dans le sens horaire). Voir l'information supplémentaire 4 pour le calcul des muscles, des os, au contact de l'os et le moment net. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 4. députés représentant inscrit de muscles du bras. MEP a enregistré de biceps brachial (A) et grand pectoral (C), tout en atteignant une cible qui requiert l'activité des deux biceps brachial et grand pectoral (E). MEP enregistré à partir triceps brachial (B) et le deltoïde postérieur (D), tout en atteignant une cible qui requiert une activité à la fois brachial et postérieure du deltoïde triceps (F). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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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).
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Comportement numéro 107 La stimulation magnétique transcrânienne cortex moteur primaire plane atteindre électromyographie la cinématique la cinétique le logiciel d'acquisition de données analogiques le logiciel visuel de livraison de relance l'intégration logiciel / matériel la capture de mouvement
Association de plusieurs systèmes d'acquisition de données pour étudier sortie cortico et Multi-segment Biomécanique
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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).

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