Kombinieren mehrerer Datenerfassungssysteme zu kortikospinalen Ausgang und Multi-segment Biomechanik Studieren

Introduction

Transkranialer magnetischer Stimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Verfahren, das menschliche cortex stimulieren. ^3,5 Es gibt mehrere TMS Protokolle, die verwendet werden, um kortikalen Funktion zu verstehen, wie beispielsweise Ein- und Mehrfachpulse, Dual-site Stimulation funktionelle Konnektivität Sonde und sich wiederholenden Impulsen zur Förderung der neuronalen Plastizität. ^4,6-8 TMS-Protokolle können auch kombiniert werden, um die gegenwärtige Verständnis der menschlichen kortikalen Prozesse voranzutreiben und zu führen neuronalen Sanierungsstrategien werden. Zusätzlich zur Stimulierung der Rinde kann TMS auch zur subkortikalen Funktion durch Stimulation der Pyramidenbahn oder Cerebellum zu verstehen.

Eine der größten technischen Herausforderungen, vor denen TMS Forschungs ist die Fähigkeit, die Rolle der kortikalen Arealen bei zielgerichteten willkürliche Bewegung bei Menschen zu untersuchen. Mehrere Überlegungen dazu beitragen, diese technische Herausforderung. Zunächst sollten TMS Lieferung mit Echtzeit menschliche Bewegung c kombiniert werdenApture. Auf diese Weise kann TMS Impulsen durch Funktionen innerhalb einer Bewegungssequenz eine Zeitregelansatz, um komplexe Bewegung Studie geliefert bzw. ausgelöst werden. Zweitens, die Integration von TMS Lieferung und Motion-Capture ermöglicht eine detaillierte Charakterisierung der komplexen Bewegung, wie es sich entwickelt, die das Verständnis der Gehirn Verhalten Beziehungen, die Motorsteuerung zu untermauern voranbringen. Derzeit gibt es keine kommerziell erhältlichen Systeme, einschließlich Integration von TMS und Motion-Capture-Methoden. Zur Neuro auf dem Gebiet der Motorsteuerung, diese Lücke übersetzt typischerweise in zeitaufwendig, technische Herausforderungen, um mehrere Software- und Hardware-Datenerfassung und Abgabesysteme zu integrieren. Diese technische Beschränkung wurde auch in lichten Forschung auf die Untersuchung von dynamischen Multi-Joint-Bewegungen, die die oberen Gliedmaßen gewidmet geführt. Für TMS, um den Bereich der Menschenmotorsteuerung voranzubringen, ist es unerlässlich, dass kortikale Funktion während der komplexen menschlichen Bewegung untersucht werden.

(dh., Beschreibung der Bewegung), Bewegung Kinetik (dh., Kräfte, die Ursache Bewegung) und Muskelaktivität. Drittens muss das System in der Lage, TMS Impulse an dieser Bewegungsfunktionen zu synchronisieren und von Kriterien, die auf komplexe Bewegung Funktionen ausgelöst werden können. Ein solches System liefert eine wesentliche Bindung zwischen kortikaler Funktion und kinematischen und kinetischen Bewegungs.

Dieses Manuskript Details einen einzigartigen Ansatz zur Methoden der TMS und Motion-Capture integrieren. Dieser Ansatz erlaubt eine detaillierte Analyse der Mechanik der komplexen Mehrgelenkbewegungen und ermöglicht eine automatisierte Steuerung TMS Impulsen durch Besonderheiten der Bewegung (dh, Kinematik, Kinetik oder Muskelaktivität) ausgelöst wird. Ferner werden diese Daten acquisition System ermöglicht TMS und Motion-Capture, um mit experimentellen Paradigmen, die visuomotorische oder sensomotorischen Aufgaben erfordern integriert werden. Dieses Manuskript Details einen innovativen Ansatz, um häufig verwendete Motion-Capture-Hard- und Softwaresystemen für den Zweck der Kombination von TMS und Bewegungserfassung und Analyse integrieren. Die Daten werden unter Verwendung einer Probe Studium der menschlichen kortikalen Funktionieren während der planaren Multigelenkbewegung dargestellt. Die benötigten, um das Experiment durchführen Software-Scripte zum Download zur Verfügung.

Protocol

Anmerkung: Die folgenden Protokoll kann auf eine Vielzahl von Experimenten angewandt werden. Im Folgenden sind Details über ein Experiment, das ein visuell geführten Arm Erreichen Aufgabe, eine der sechs Raum Targets auf einem Computermonitor angezeigten beinhaltet. TMS, um corticospinal Erregbarkeit Sonde wird entweder von analogen Signalen, die aus der Bewegung ausgelöst (das heißt, EMG oder Elektrogoniometer Eingang) oder Digitalsignale von den Sweep-basierten Datenerfassungssoftware generiert. Diese Studie wurde von der McMaster Forschungs Ethikrat in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki genehmigt. Ein Beispieldatensatz zur Verfügung.

1. Hardware / Software-Anforderungen

HINWEIS: In Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung der Hardware-Anforderungen an TMS und Bewegungserfassungssystemen im Zusammenhang mit einem computergesteuerten visuomotorische Experiment integrieren.

1. Statten Sie zwei Desktop-Computern mit seriellen und parallelen Schnittstellen (falls nicht bereits vorhanden). Auszustatten PC 1 (Abbildung 1) mit Sweep-basierte Software zur Datenerfassung und PC 2 mit einem visuellen Reiz Liefersoftware.
2. Arbeiten mit der Software
   1. Interne Analog / Digital Box (A / D-Box) Operationen
      Anmerkung: Die folgenden Operationen liefern Informationen für die Leser, wenn sie möchten, um eine ähnliche Software selbst erstellen. Diese Schritte sind nicht notwendig, um das Experiment durchführen, da das Experiment können einfach die von den Autoren zur Verfügung gestellte Software, aber Richtlinien vorgesehen sind, damit die Benutzer ihre eigene Software zu erstellen.
      1. Erstellen Sie eine Sequenzer-Datei innerhalb des Sweep-basierte Datenerfassungs-Software (siehe "Sequenzer-Datei" Beispiel (im Zusatzinformationen 2) auf PC 1 ausgeführt werden.
         HINWEIS: Ein Beispiel der Vorgänge, um einen Sequenzer-Datei unter Verwendung des Sweep-basierten Datenerfassungssoftware in diesem Experiment kann http://ced.co.uk/products/signal#script gefunden werden erstellen.
         NEINTE: Diese Datei dient dazu, alle die genaue Zeitsteuerung erforderlich ist, wie die Sequenz ausführt, die parallel zu der tatsächlichen Datenerfassung und eine Flexibilität entlang taktsynchron externer Trigger. Änderungen in der externen Triggerkriterien können im Dialogfeld Konfiguration, die sich bei der Ausführung des Skripts gebracht wird, durchgeführt werden (siehe Abschnitt "Experimentelle Studien" für weitere Einzelheiten und "Sequenzer File" Screenshot).
      2. Erstellen Sie separate Unterprogramme innerhalb des Sequenzer-Datei, um den Gehör Cue-Generierung und die TMS Auslösekriterien steuern. Haben Sie ein Unterprogramm steuern die auditive Cue basierend auf Eingaben von der visuellen Reiz-Display-Software. Außerdem haben eine Unterprogrammsteuerung die TMS Auslösung basierend auf Eingängen von einem analogen Eingang des A / D-Box.
         Hinweis: Ein Beispiel, wie getrennte Unterprogramme werden in einem Sequenzer-Datei enthalten ist in den Zusatzinformationen (Drehbuch und Sequenzer-Datei) zur Verfügung gestellt. Siehe 1.2.1.1 für zusätzliche Website-Supportspezifisch für das Software-System in dieser Demonstration verwendet. Dieser Aufbau ermöglicht Gehör Cue-Generation, die parallel mit der Prüfung für die TMS Auslösekriterien auf.
      3. Erstellen Sie Codezeilen in den Sequenzer-Datei, die die Unterprogramme (in 1.2.1.2 beschrieben) ruft. Haben jeweils Subroutine Funktion, so dass er auf die Ankunft der Eingaben von den Quellen zu warten (dh visuelle Reiz Anzeigesoftware für Gehör Queue und Analogeingang für TMS-Trigger).
   2. Verbindung und Kommunikation zwischen dem elektromagnetischen Motion-Capture-System zu fegen-basierte Datenerfassungssoftware
      1. Um die elektromagnetische Motion-Capture-System zu erhalten, um kontinuierlich zu erzeugen Daten, generiert Codezeilen in der Skriptdatei des Sweep-basierte Datenerfassungs-Software zur Ausgabe einer Reihe von Befehlen an die elektromagnetische Bewegungserfassung über die serielle Verbindung (diese Befehle sollten gefunden werden Die elektromagnetische Motion-Capture-System-Handbuch).Diese Befehle werden in der herunterladbaren Script-Datei gefunden (script_file.sgs, siehe Linien 88 bis 114 und 635 bis 650).
      2. Erstellen Zeilen Code, um das Skript-Datei fügen Sie die Motion-Capture-Daten an jedem Versuch Sweep. Als nächstes müssen das Skript übergeben Sie die Motion-Capture-Daten über eine serielle Verbindung vom PC 1 an den visuellen Reiz-Lieferungssoftware (PC 2), um das Fadenkreuz-Cursor-Position auf dem Monitor des PC 2 zu steuern.
         HINWEIS: Diese Abfolge von Ereignissen ermöglicht die elektromagnetische Motion-Capture-ASCII-Daten kontinuierlich zu erzeugen, und die Daten werden dann von der seriellen Schnittstelle lesen.
      3. Am Ende eines Experiments, erstellen Codezeilen die Skriptdatei send-Befehle zum Ausschalten des elektromagnetischen Motion-Capture-System die Datenausgabe zu haben. Um dies zu tun, haben die Sweep-basierte Datenerfassungssoftware senden Textzeilen hält eine Sensornummer, gefolgt von sechs Koordinatenwerten (siehe script_file.sgs für die Befehlscodes für diese Demonstration verwendet, insbesondere Linien 88 bis 114 und 653-658).
         HINWEIS: Weitere Informationen zu diesen Befehlen sind auch auf der elektromagnetischen Motion-Capture-System Website (Abschnitt 1.2.1.1).
         HINWEIS: Vor dem Extrahieren der Zahlenwerte, die Zeichenfolge "bereinigt", weil, wenn die Koordinate negativ war, ist es vielleicht nicht von der vorherigen Reihe mit allen Leerzeichen getrennt werden.
   3. Sweep-basierte Datenerfassungs-Software zur visuellen Stimulus-Lieferungssoftware Kommunikations
      1. Set-up drei getrennte Kanäle der Kommunikation zwischen dem Sweep-basierte Datenerfassungssoftware und der visuellen Reiz-Lieferungssoftware.
      2. Set-up zwei seriellen Leitungen verwendet werden, um Text-Daten in beiden Richtungen zwischen PC 1 und PC 2. tragen Dazu schließen Sie ein serielles Kabel zwischen PC 1 und PC 2 (jedes serielle Leitung unidirektional zwischen jedem PC, Abbildung 1).
      3. Verbinden Sie PC 2 an den A / D-Box. Um dies zu tun, zu erstellen oder kaufen, ein Kabel, das einen LPT-Anschluss auf einer en hatd und eine BNC-Verbindung am anderen Ende. Verbinden Sie den LPT-Port an den PC 2 und verbinden Sie den BNC-Anschluss mit dem Triggereingang auf der A / D-Box.
         Anmerkung: Diese Verbindung ermöglicht die Leitung, um einen Impuls von der LPT1-Anschluss auf der visuellen Stimulus Abgabesoftwaresystem mit dem A / D-Box Triggereingang erzeugt tragen (dh PC 2, Fig. 1).
         HINWEIS: Das TTL-Signal sorgt für eine präzise Zeitsteuerung der Beginn der Datenerfassung Sweep synchron mit den visuellen Reiz Liefersoftwareoperationen, während die seriellen Leitungen für alle weiteren Informationen übergeben.
         HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass Sie aktuelle PCI-Express-LPT und COM-Port-Karten auf dem PC mit der visuellen Reiz-Lieferungssoftware installiert ist. Dieser Aufbau ermöglicht die Software, um erfolgreich zu arbeiten und es wird dringend empfohlen. Die visuellen Stimulus-Lieferungssoftware Kommunikation, wobei auf einem niedrigen Niveau durchgeführt, um Verzögerungen zu vermeiden, in der Regel nicht arbeiten zuverlässig über die simulierten LPT und COM-Port-Hardware providvon USB-Dongles ed.
      4. Legen Sie die Testdauer-Werte bis 20 ms in der visuellen Reiz Lieferung Software-Datei, als Werte viel kürzer oder länger als 20 ms verursacht Probleme. Https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview: Ressourcen auf, wie man diesen Prozess abzuschließen finden Sie auf folgender Website zu finden. Siehe Zeilen 39 bis 46 in der Szenario-Datei in den Begleitpapieren versehen (Presentation Szenario-Datei).
         Hinweis: Da der visuelle Reiz-Lieferungssoftware Operationen werden sehr eng mit dem Bilderzeugung gebunden und nach unserer Erfahrung die serielle Kommunikation nicht wie erwartet verhalten, es sei denn, die Testdauer in der Studie Funktion eingestellt geeignet war (dh 20 ms.).
      5. Erstellen Kommunikationsprotokolle, um Informationen zwischen den Sweep-basierte Datenerfassungssoftware und der visuellen Reiz-Lieferungssoftware übergeben.
         HINWEIS: Abschnitte 1.2.3.7 bis 1.2.3.11 beschrieben, wie dies abgeschlossen ist. Sehen Sie die zur Verfügung gestellten Mittel in Schritt 1.2.1.1und 1.2.3.5 für weitere Unterstützung für die Sweep-basierte Datenerfassungssoftware und der visuellen Reiz-Lieferungssoftware auf.
      6. Für den Sweep-basierte Datenerfassungs-Software auf den visuellen Reiz-Lieferungssoftware Richtung, erstellen Codezeilen in der Sweep-basierte Datenerfassungs-Software, um zwei Arten von Informationen zu senden; Probenummern starten und stoppen einen Versuch, und Fadenkreuz-Cursor-Positionen. Haben Sie den Sweep-basierte Datenerfassungs-Software schickt alle Informationen als Textzeilen durch eine Zeilenschaltung abgeschlossen. Siehe Linien 700 bis 708 in der Skriptdatei, wie diese abgeschlossen war Signal.
      7. Für die visuelle Reiz-Lieferungssoftware, um zwei Arten von Information, setzen Sie die Anfangszeichen zu sein, eine 0 oder eine 1 gefolgt von einem oder zwei Zahlen nach der Art der Informationen, mit allen Werten, die durch Leerzeichen getrennt. Der visuelle Reiz Liefer Software wird keine Schwierigkeiten haben, im Umgang mit diesen Informationen. Siehe Linien 89-153 der Szenario-Datei, um h zu sehenow dieser Vorgang wurde innerhalb der visuellen Reiz-Lieferungssoftware abgeschlossen.
      8. Im visuellen Stimulus Lieferungssoftware zu fegen basierenden Datenerfassungssoftware Richtung erstellen Codezeilen aus dem visuellen Stimulus Liefersoftware die einzelnen ganzzahligen Werte ausgibt, 0-9, auf die Sweep-basierten Datenerfassungssoftware als einzelne ASCII gesendet werden Zeichen "0" bis "9", gefolgt von einem Zeilenvorschub. Siehe Zeilen 82 bis 87 der Szenario-Datei, um zu bestimmen, wie diese Operation beendet ist.
      9. Erstellen Sie Codezeilen innerhalb der visuellen Reiz-Lieferungssoftware zu senden, Werte von 0 und 1, um Informationen an die Sweep-basierte Datenerfassungssystem, ob und warum der Teilnehmer hatte die Zielposition schlug zurück. Siehe Zeilen 72 bis 80 und 154 bis 220 in der Szenario-Datei, um festzustellen, wie diese Operation abgeschlossen ist.
      10. Erstellen Sie Codezeilen in der visuellen Reiz Lieferung Software, um Informationen in Bezug auf die End-of-Studie Nachricht zu senden (dh
   4. Folge von Operationen innerhalb eines Probe
      1. Set-up die Sequenz einer Studie, so dass die Durchführung einer Studie zwischen dem Sweep-basierte Datenerfassungssoftware und der visuellen Reiz-Lieferungssoftware gemeinsam, mit der Sweep-basierte Datenerfassungs-Software als "verantwortlich" des Gesamtsequenzierung.
      2. Setzen die Sweep-basierte Datenerfassungs-Software die Kontrolle über Experiment Sequenzierung aufgrund der Sweep-basierte Datenerfassungssoftware erzeugt die tatsächliche Datendatei, die mit der Probedaten und daher wird weniger Kommunikation erforderlich kommentierten werden muss.
      3. Set-up des Skripts so dass die Folge von Operationen beginnt mit der Sweep-basierte Datenerfassungs-Software die Auswahl des nächsten Probeeinstellungen (Zielposition & TMS-Trigger-Typ). Siehe Linien 335 bis 345, und innerhalb dieser Linien beschrieben, in der Skriptdatei entsprechenden Schleifen zu verstehen, wie diese Vorgänge abgeschlossen.
         HINWEIS: Die Schleifen sind ebenfalls in der Skript-Datei enthalten ist.
      4. Als nächstes müssen Sie die Sweep-basierte Datenerfassungs-Software eingestellten Parameter in der A / D-Box Steuerung des TMS-Trigger-Typ und andere Aspekte der Studie. Um dies zu tun, müssen die Sweep-basierte Datenerfassungssoftware initiieren Datenerfassung, so dass der A / D-Box wartet auf einen Sweep-Trigger aus der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, und benachrichtigt den visuellen Reiz-Lieferungssoftware über die serielle Schnittstelle des Zielnummer (1-7) verwendet, der bewirkt, dass der visuelle Reiz Übertragungssoftware, eine Test starten (dh., über den TTL-Impuls). Siehe Linien 180 bis 303 des Signals Skript zu verstehen, wie um diesen Vorgang abzuschließen.
      5. Nach Abschluss der vorgenannten Schritt müssen die Sweep-basierten Datenerfassungssoftware Warten auf Beendigung der Sammlung einer sweep von Daten durch den A / D-Box, und fügen Sie keine Positionsdaten, die sie von der elektromagnetischen Motion-Capture-System, um den abgetasteten Daten. Siehe Linien 117 bis 178 und 661 bis 697 der Skript-Datei nach, wie um diesen Vorgang abzuschließen.
      6. Set-up der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, um das Thema gesteuerte Fadenkreuz-Cursor-Position zu überwachen. Set-up der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, um das Ziel auf die angegebene Position zu bewegen und erzeugen einen TTL Puls auf LPT1-Anschluss, nachdem der Cursor in der Ausgangsposition für einen bestimmten Zeitraum (in der visuellen Reiz-Lieferungssoftware definiert). Siehe Zeilen 89 bis 232 in der Szenario-Datei, wie man diesen Schritt abzuschließen.
      7. Erstellen Sie Codezeilen, die der visuelle Reiz-Lieferungssoftware senden TTL-Impuls, um die A / D-Box Datenerfassung auslösen und damit beginnen die Testzeitpunkt innerhalb des A / D-Box macht. Siehe Linien 222 bis 232 der Szenario-Datei, wie man diesen Schritt abzuschließen.
      8. Gleichzeitig haben die visuellenStimulus-Lieferungssoftware Szenario-Datei beginnt eine Verzögerung nach dem es das Ziel auf die angegebene Position und beginnen die Überwachung der Fadenkreuz-Cursor, um es zu sehen 'schlagen' das Ziel (dh., Rest auf Ziel für einen bestimmten Zeitraum). Set-up der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, so dass sie diese Überwachung der Fadenkreuz-Cursor-Position bis zum Sweep-basierte Datenerfassungs-Software weiterhin informiert den visuellen Reiz-Lieferungssoftware von Versuch Fertigstellung.
         ANMERKUNG: Diese Operationen sind in der gleichen Zeile des Codes in der Szenario-Datei in den Schritten 1.2.4.6 und 1.2.4.7 vorgesehen.
      9. Im Inneren des A / D-Box, erstellen Sie eine Zeitverzögerung. Für einen bestimmten Zeitraum, läuft bis zum Ende der Verzögerung, haben die Software-Monitor zwei EMG-Signale (HINWEIS: konnte keine analogen Signale werden), um zu überprüfen, dass sie geringer Amplitude sind (diese Amplitudenwert benutzerdefiniert). Die Autoren empfehlen eine EMG-Amplitude von +/- 100 & mgr; V oder ~ 1% der maximalen freiwilligen Aktivierung ein Teilnehmer. Siehe Zeilen 45 bis 75 in der Sequenzer-Datei für diesen Vorgang.
      10. Erstellen Sie Codezeilen, die den Beginn dieser ruhigen EMG Überwachungszeitraum von einem A / D-Box-generierten digitalen Marker mit Code 1. Auch markierte macht, wenn eine "nicht ruhig" EMG-Signal erkannt wird, nicht weiter zulassen, dass jeder A / D-Box-Ausgänge (z. B. Piepton oder TMS-Trigger) während des Prozesses erzeugt werden. Einen Befehl in der Software, so dass, wenn es eine "Nicht-Ruhe" EMG-Signal wird der Versuch wiederholt eingestellt. Sehen Sie die in Schritt 1.2.4.9 Plusleitungen 118 bis 124 der Sequenzer-Datei und Zeilen 347 bis 420 der Skriptdatei für diese Operationen genannten Linien.
      11. Am Ende der Verzögerung und nach der Aufnahme ruhig EMG-Signale haben die A / D-Box erzeugen einen DAC 0 Ausgangsimpuls (in diesem Set-up, bewirkt, dass der DAC-Ausgang ein hörbarer Piepton). Haben Sie einen A / D-Box -generated digitalen Datenpunkt markieren die Startzeit des "Beep" mit "Code 2" Siehe Leitungen 126 bis 138 der Sequenzer-Datei zu verstehen, wieum diesen Vorgang abzuschließen.
      12. Set-up das Skript in der Sweep-basierte Datenerfassungs-Software zu haben, die A / D-Box überwacht die Zykluszeit und die ankommenden Signale und erzeugen eine TMS-Trigger auf der Grundlage der entsprechenden Kriterien. Erstellen Codezeilen, so dass eine digitale "Code 3" Datenpunkt markiert den Zeitpunkt des TMS-Trigger (wenn sie auftritt). Siehe Leitungen 77 bis 116 der Sequenzer-Datei zu verstehen, wie um diesen Vorgang abzuschließen.
      13. Haben Sie die Wartezeit, nach geeigneten Trigger-Bedingungen, fortgesetzt werden, bis eine bestimmte Zeit vor dem Ende des Sweep.
          HINWEIS: Dies verhindert, dass die Testversion von unendlich, wenn ein Kriterium nicht erfüllt wird auftreten. Siehe Zeilen 65 bis 76 und 118 bis 138 in der Sequenzer-Datei zu verstehen, wie um diesen Vorgang abzuschließen.
      14. Set-up die Sweep-basierte Datenerfassungs-Software, um die Fertigstellung der A / D-Box Datenerfassung erfassen und teilen der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, die die Testphase beendet ist. Siehe Linien 180 bis 303 der Skript-Datei zu verstehen,wie man diesen Schritt abzuschließen.
      15. Wenn der visuelle Reiz-Lieferungssoftware benachrichtigt, dass der Prozess vorbei ist, haben der visuelle Reiz-Lieferungssoftware zurück das Ziel in die Ausgangsposition und senden Informationen an die Sweep-basierte Datenerfassungssoftware in Bezug auf, ob der Teilnehmer "Treffer" vorbei. Haben Sie den Sweep-basierte Datenerfassungs-Software "Tag" die neu abgetasteten Datenrahmen, wenn der Teilnehmer nicht "Treffer" die Ziel ,. Siehe Linien 89-221 der Szenario-Datei, wie um diesen Vorgang abzuschließen.
      16. Set-up das Skript in der Sweep-basierte Datenerfassungssoftware für eine post-Studie Verzögerung und am Ende dieser Verzögerung warten, haben den Prozess Zurückkehren nach Schritt 1 und entsorgen Sie die abgetasteten Daten und Wiederholen der letzten Studie, wenn die Kehrfahrzeuge basierte Datenerfassungs-Software nicht auslösen TMS, oder gehen Sie zum nächsten Versuch, wenn alles war 'OK'. Siehe Linien 180 bis 303 und die entsprechenden Schlaufen in der Skriptdatei für das Verständnis, wie dies zu vervollständigenBetrieb.
          HINWEIS: Der Sweep-basierte Software zur Datenerfassung und die visuellen Stimulus Lieferungssoftware verwendet Zustandsmaschinen, um die erforderliche Folge von Operationen zu steuern, weil es erlaubt eine einfache Anpassung der experimentellen Verhalten nach Bedarf.
3. Legen Sie die Sensoren am knöchernen Landmarken, um Motion-Capture-Daten zu erfassen. Um Daten in Bezug auf Haltung Arm, statt Sensoren am Rumpf (Jugulum) Schulter (Schulterdach), Ellenbogen (8 mm über dem Epicondylus lateralis), und Handgelenk (zwischen den Mondbein und capitate Knochen auf dem Handrücken zu sammeln und im Einklang mit ^der 3. Stelle), gemäß den Empfehlungen zu gemeinsamen Drehzentren mit minimalem Sensoren zu verfolgen. ¹⁰

Abbildung 1. Hardware Set-up. Um für die elektromagnetischen Motion-Capture-Daten zu ermöglichen, um die Sweep gesendet werdenbasierten Datenerfassungssoftware und der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, die ersten 4 elektromagnetischen Sensoren mit Konsole des Systems zu montieren. Schließen Sie die Konsole des Systems an den PC 1 mit einem 9-poligen seriellen Kabel. Verbinden Sie den PC 1 an den PC 2 mit einem 9-poligen seriellen Kabel. Um TMS Lieferung zu ermöglichen, schließen Sie den PC 1 mit dem A / D-Box mit einem USB-Kabel und schließen Sie einen BNC-Kabel zwischen der A / D-Box und die TMS-Einheit. Um EMG-Aufzeichnung zu ermöglichen, schließen Sie die EMG führt zur EMG-Verstärker und schließen Sie das EMG-Verstärker A / D-Box über BNC-Kabel. Schließen Sie das Elektrogoniometer (Elgon) an den A / D-Box über ein BNC-Kabel, um Gelenkwinkel Änderungen online aufzeichnen. Damit der visuellen Reiz-Lieferungssoftware, um die Teststart über einen LPT-Anschluss BNC-Kabel auslösen, schließen Sie den PC 2 an den A / D-Box-Triggereingang. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

4. Hardware-Konnektivitätwährend des Experiments (1)
   1. Schließen Sie die elektromagnetische Motion-Capture-System, um den PC mit dem Sweep-basierte Datenerfassungssoftware mit einem 9-poligen seriellen Kabel.
   2. Haben der Erwerb Feld Daten koordinieren die TMS Lieferung und Erfassung von Motion-Capture-Daten etc. Dies wird von allen der oben genannten Vorgang im Skript und Sequenzer-Dateien enthalten getan. Verbinden Sie A / D-Box mit einem USB-Kabel an den PC 1 und einem BNC-Kabel, um von der A / D-Box-Trigger-Eingang auf PC 2 parallel.
   3. Stecken Sie die EMG führt in an den EMG-Filter und Verstärker (Gain x 1000) (Bandpass 20 und 2500 Hz eingestellt) zur Sammlung von EMG-Aktivität und Pyramidenausgang gemessen als motorisch evozierte Potentiale (MEPs).
   4. Schließen Sie das Monophasische Transkranielle Magnet Stimulator auf die entsprechenden Datenerfassungsfeld digitale Ausgänge (Digital-Ausgang "0" in diesem Experiment), um die Sweep-basierte Datenerfassungssoftware auf PC1 zu ermöglichen, um die TMS-Impulse während des Experiments auslösen. li>
   5. Schließen Sie ein Elektrogoniometer zum Datenerfassungsfeld am analogen Kanal 2. Diese Verbindung ermöglicht für den Sweep-basierte Datenerfassungssoftware TMS auslösen basierend auf Schulterwinkel unter Verwendung der von den Autoren zur Verfügung gestellte Software.
   6. Bau oder Kauf einen Arm Spanneinrichtung, die den Arm gegen die Schwerkraft unterstützt. Diese Vorrichtung ermöglicht eine planare Bewegungen in der horizontalen Ebene (siehe Abbildung 2). Wenn den Aufbau der Einrichtung, ist ein Beispiel Zeichnung auf Anfrage vom entsprechenden Autor. Abbildung 2 zeigt ein Foto des an der Demonstration verwendete Gerät.

Abbildung 2. Arm Spanneinrichtung. Dargestellt ist ein Teilnehmer in den Arm Spanneinrichtung platziert, während ein TMS Spule auf der Teilnehmer der Kopfhaut platziert.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Versuchsaufbau

1. Anthropometrischen Maße
   1. Notieren Sie die Gesamtkörpermasse des Teilnehmers mit einer Skala.
   2. Messen die Länge aller Segmente des kinematischen und kinetischen Analyse. Zum Beispiel wird in dieser Anmeldung mit dem Arm, messen die Länge der Hand, dem Unterarm und Oberarm mit einem Maßband.
   3. Berechnen anthropometrischen Maßnahmen wie Segment Massenmittelpunkt, Segment Massenmittel Lage und Drehradius unter Verwendung der Gleichungen von Forschungsliteratur. ^9,12,13 (siehe Ergänzende Angaben 1).
2. EMG Set-up
   1. Bereiten Sie die Haut über dem Muskel (n) von Interesse mit einem leichten Schleif Gel und wischen Sie mit Alkohol. Überprüfen Sie die Impedanz mit einer Impedanz Meter. Stellen Sie sicher, dass die Haut-Elektrodenimpedanz unter 10 kOhm zur EMG-Signal acqui verbessernsition.
   2. Stellen zwei Elektroden über den Muskelbauch der Muskulatur von Interesse in einer bipolaren Montage. Die Autoren leiten den Leser auf Ressourcen, um mit EMG Platzierung zu unterstützen. ² Für dieses Experiment Ort Elektroden über dem Bizeps, Trizeps, pectoralis major, hinteren Deltamuskel und brachioradialis.
   3. BNC-Kabel, die Ausgänge von dem EMG-Verstärker zu den analogen Kanälen 0, 1, 3, 4, und 5 (für dieses spezielle Experiment diejenigen Kanäle, die denen in den herunterladbaren Skripten bezogen) an der A / D-Box.
3. TMS
   1. Kalibrieren Sie das TMS Spule an den Teilnehmer mit einem Neuro-Navigation-Software-Programm, wie in der Softwareanleitung beschriebene.
      HINWEIS: Es können andere Verfahren verwendet werden, um Spulenposition auf die Kopfhaut der Person zu kalibrieren, aber es wird empfohlen, eine neuro-Navigations-Software-Programm.
   2. Suchen Sie Motor Hotspot. Als Startort, legen Sie die Spule auf der Gegen erMiSPHERE der Arm / Hand untersucht und 5 cm lateral der Scheitelpunkt, um eine ungefähre Position des Hand / Arm-Bereich des primären motorischen Kortex zu geben. Suchen Sie den Scheitelpunkt mit dem Internationalen 10-20 Elektroenzephalographie Elektrodenplatzierung System.
   3. Legen Sie die TMS-Spule flach auf den Kopf des Teilnehmers und richten Sie die Spule, so dass es 45 ° im Verhältnis zu der Sagittalebene. Diese Positionierung wird eine latero-dorsal medio-anterioren einphasigen Strom in der Hirnrinde zu induzieren.
   4. Beginnend bei ~ 30% der maximalen Stimulationsausgang (MSO) liefern TMS Impulse mit einem Inter-Stimulus-Intervall von 6 s oder mehr, wie in der Sweep-basierten Datenerfassungssoftware beschrieben.
   5. Bewegen Sie die TMS-Spule leicht unterschiedlichen Orten mit kleinen Änderungen in der Ausrichtung, bis ein MEP wird in den Muskel von Interesse beobachtet.
   6. Bestimmen Sie die MSO, die Mitglieder des Europäischen Parlaments von ~ 1 mV ergibt in der Zielmuskel. Verwenden Sie die Neuronavigation Software digital registrieren diesen Ort. Wiederholendiese Prozedur für jeden Muskel für die eine Motor Hotspot für das Experiment erforderlich ist.
   7. Bestimmen Sie die ruhenden Kraftschwelle (RMT), indem ausgehend von der Intensität, die die zuverlässigste ~ 1 mV MEP in den Muskel von Interesse produziert und liefert Einzel TMS Impulse und Aufzeichnen der MEP Amplitude Spitze zu Online-Peak.
   8. Bestimmen Sie die MSO wobei die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des MEP ist ≥ 50 & mgr; V in 5 10 aufeinanderfolgenden Versuchen. ^3,11
      HINWEIS: im Einklang mit früheren Literatur zu sein, ^1,3 sicherzustellen, dass die Europaabgeordneten von einer monopolaren EMG montage aufgezeichnet.
4. Experimentelle Studien
   1. Starten Sie das Experiment, indem Sie den visuellen Reiz Lieferung Software-Programm zunächst (dh., Szenario-Datei). Starten des visuellen Reizes Lieferung Software-Programm zunächst ermöglicht die Software das Lesen in den elektromagnetischen Motion-Capture-Daten zu starten und ermöglichen eine Motion-Capture-Sensor zu einem SteuerCursor auf dem Bildschirm.
   2. Führen Sie den "Skriptdatei" für die experimentellen Studien innerhalb des Sweep-basierte Datenerfassungssoftware. Diese Skriptdatei liest in der "Sequenzer-Datei", die externe Trigger auf der Grundlage der Testtyp liefert.
   3. Eingangs gewünschten Informationen in das Dialogfeld Konfiguration wird geöffnet. Schritte, 2.4.4 bis 2.4.11 alle beziehen sich auf den Konfigurationsdialog.
   4. Geben Sie den Wert "1" in den "Stimulus-Sets in Randomisierung Block" ein. Dieser Wert bestimmt die Anzahl der Male eine Testtyp wird in einem Block durchgeführt.
   5. Geben Sie Wert "20" in den "Randomisierung Blöcke im Experiment" ein. Dieser Wert bestimmt die Anzahl von Blöcken, die in einem Experiment, durchgeführt wird.
   6. Geben Sie Wert "20" in der "beep Pulsdauer" ein. Dieser Wert regelt die Länge der Zeit von dem DAC-Ausgang und daher, wie lange der Ton Impuls "an" ist.
      HINWEIS: Ändern Sie diesen Wert, um die Länge zu erhöhen dieauditiven Ton vor.
   7. Geben Sie "5" in der "beep Impulsamplitude" -Box. Dieser Wert steuert die Amplitude in Volt der DAC-Ausgang und damit die "Volumen" des Signaltons Puls.
   8. Geben Sie Wert "100" in der "zeitgesteuerte Trigger Beitrag Piepton Verzögerung" ein. Dieser Wert bestimmt das Zeitintervall in ms zwischen dem auditiven "go" Queue und den digitalen Ausgang (dh., TMS Auslöse 1).
   9. Geben Sie Wert "0,1" in der Box "EMG Triggerschwelle Ebene". Dieser Wert bestimmt die Amplitude der EMG in Volt erforderlich ist, um das digitale Ausgangssignal auslösen (dh., TMS Trigger 2). Diese Maßnahmen wurden auf nicht-gleichgerichtete EMG-Signale aufgenommen.
   10. Geben Sie Wert "0.242" im Feld "Winkel Triggerschwelle Ebene". Dieser Wert bestimmt den Schwellenwert in Volt aus der Elektrogoniometer zu lesen, um das digitale Ausgangssignal auslösen (dh., TMS-Trigger 3).
       Hinweis: Dieser Wert ist abhängig von der KalibrierungElektrogoniometers. Der Anwender sollte das Eingangsspannungswert, die zu einer gemeinsamen Winkelschwelle, die eine TMS Impuls hervorruft entspricht.
   11. Geben Sie den Wert "1" (dh., 1 sec) in der "post-trial Verzögerung" ein. Dieser Wert bestimmt die inter Testintervall.
       HINWEIS: Weitere Informationen zu den einzelnen Funktionen finden Sie im Skript oder auf Anfrage von den Autoren zu finden.
   12. Starten Sie das Skript einmal alles fertig ist im Hinblick auf die Teilnehmer, TMS und visuellen Reiz-Anzeigeprogramm.
   13. Nach diesem Schritt, beobachten die Software, die auf ihre eigenen ohne / oder mit minimalen Benutzereingaben.
       Hinweis: Ein Beispiel-Studie beginnt mit dem Teilnehmer indem Sie den Cursor in der Ausgangsposition Ziel. Die neue visuelle Zielposition erscheint, und Teilnehmer bewegt sich auf dieses Ziel, einmal einen Gehör 'go' Cue wird über einen digitalen Ausgang geliefert, um auf der Datenerfassungsfeld Analog.
   14. Nach der Abgabe der Cue, bitten die Teilnehmer, um den Cursor an die t bewegenArget. Nach dem Erreichen der Zielposition mit dem Cursor, beobachten die Ausgangsposition und beginnen den nächsten Versuch, indem der Cursor wieder in die Ausgangsposition.
       HINWEIS: Hier ist das Beispiel des TMS von dem Skript ausgelöst. Stellen Sie sicher, die Person in ihrer Ausgangsposition. Beachten Sie die visuelle Zielposition und weisen Sie den Teilnehmer, um den Cursor zu diesem Ziel zu bewegen. Auslöser der TMS auf 100 ms nach der auditiven "Go" Cue auftreten. Das Individuum hält den Cursor an der Zielposition für 1 sec. Der einzelne kehrt dann zu der Ausgangsposition auf die nächste Prüfung.
   15. Sicherzustellen, dass der Cursor sich in der Ausgangsposition. Beachten Sie die visuelle Zielposition und weisen Sie den Teilnehmer, um den Cursor auf die Zielposition zu bewegen. Auslöser der TMS auf 100 ms nach der auditiven "Go" Cue auftreten. Weisen Sie den einzelnen, um den Cursor an der Zielposition für 1 Sekunde zu halten. Bitten Sie den einzelnen, um den Cursor in die Ausgangsposition auf die nächste Testversion zurückkehren.
       HINWEIS: In diesem Beispiel wird das Analogsignal löst den TMS. Insbesondere wird in diesem Beispiel das EMG löst die TMS Puls. Der Versuch hat 21 Bedingungen: 7 x 3 Zielbedingungen zu verschiedenen Zeitpunkten, an denen ein TMS Impuls ausgelöst (dh Abzug 1, Abzug 2, Auslöse. 3). In diesem Beispiel werden TMS Impulse auf der Grundlage digitaler Ereignisse oder externen Analogtriggerereignisse wie EMG oder Elektrogoniometer Eingang ausgelöst. Diese digitale oder analoge Ereignisse können durch den Benutzer durch Änderung der Sequenzen und Skriptdateien modifiziert werden. Die ungefähre Gesamtdauer des Experiments ist 3 bis 4 Stunden.

Representative Results

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse aus einer Studie. In diesem Versuch 3A zeigt die Ausgangsposition des Teilnehmers und, nach einem Gehör "go" Cue, schnell und genau bewegt der Teilnehmer wie möglich zum Ziel (dh., Die Endposition). Der Sweep-basierte Datenerfassungssoftware löste eine TMS Impuls basierend auf EMG Auftreten in der M. biceps brachii. Dies erlaubt die Messung der Pyramidenausgang Oberarmmuskulatur gerichtet, um zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Ausführung der Aufgabe zu bewerten. 3B zeigt die aus jedem Muskel aus dem einzigen TMS-Impuls während EMG Beginn dieser Studie erhaltenen MEP. Der Spitze-zu-Spitze-Amplitude des MEP von dem TMS-Impuls von jedem Muskel gemessen. Alternativ könnte die Fläche des MEP gemessen werden. Änderungen in der MEP Größe in verschiedenen Bewegungsphasen oder Bewegungsarten zeigen Veränderungen in corticospinal Erregbarkeit über verschiedene Aufgaben oder Zeitpunkte. Mit dem integrierten Ansatz der Motion-Capture-und TMS-Systeme, Forscher können neuronale Aktivität von motorischen Kortex Ursprung zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Verhaltens, wie während EMG Ausbruch in diesem Beispiel zu quantifizieren. Weiterhin kann es zu einer Verzögerung zwischen dem EMG Beginn und das Auslösen von TMS Liefer eingefügt werden (siehe den Sequenzer-Datei auf den Leitungen 88 bis 98 und 109 bis 117, um diese Verzögerung einfügen), um den Zeitverlauf der kortikospinalen Ausgabe, die in der gesamten variieren können untersuchen, Bewegung. Wichtig ist, können andere analoge Signale, wie beispielsweise Bewegungskinematik (Gelenkwinkel, Gelenkgeschwindigkeit, Gelenkbeschleunigung) und sensorische Signale (visuell, auditiv) auch zur TMS Liefer auszulösen.

Figuren 3C und 3D-Anzeige der Winkelverschiebung des Schulter- und Ellenbogengelenk. 3E und 3F die eine Anzeigeeckige Geschwindigkeit an der Schulter und Ellenbogengelenk. Abbildung 3g und 3h zeigen die Kinetik an der Schulter und Ellenbogengelenke. Die blauen, grünen und roten Linien sind die Netto, Muskeln und Knochen auf Knochen Kontaktmoment auf. Die kortikospinalen Erregbarkeit, um jeden Muskel gerichtet ist, könnte dann zu den verschiedenen Bewegungszielparameter (dh., Bewegungskinematik und Kinetik) verglichen werden. Diese Maßnahmen werden auf der Grundlage der Motion-Capture-Daten und den anthropometrischen Daten berechnet. Zusätzlich ermöglicht dieser Aufbau für zeit verriegelt TMS Impulse an jedem Punkt vor oder während der Bewegung auf, und können Änderungen in corticospinal Erregbarkeit in Bezug auf bestimmte Merkmale der Bewegung zu bewerten.

Abbildung 4 zeigt beispielsweise die Abgeordneten aus dem Bizeps (A) und pectoralis major (C) aufgezeichnet, während Erreichen zu einem Ziel, das sowohl Bizeps und pectoralis major (E), aktiv zu sein erfordert. 4 zeigt auch Abgeordnete aus Trizeps (B) und hinteren Deltamuskel (D) aufgezeichnet, während Erreichen zu einem Ziel, das sowohl Trizeps und hinteren Deltamuskel (F) erfordert, aktiv zu sein.

Abbildung 3. Repräsentative Ergebnisse aus einer Studie. (A) der Schaltplan auf der linken Seite zeigt die Ausgangsposition bei der Verhandlung Anfang, während die schematische auf der rechten Seite zeigt die Endposition während des Prozesses. (B) die Spitze-Spitze-Amplitude des evozierten MEP in den Oberarmmuskulatur. BB = Bizeps, TB = Trizeps, PM = Großer Brustmuskel, PD = Hinterer Deltamuskel. (C & D) die Winkelverschiebung zeitlichen Verlauf der Schulter und Ellenbogengelenke in der gesamten Studie. Die Werte geben die Drehrichtung (im Bogenmaß) von einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf die r verschobenight horizontal. Eine zunehmende Winkel gibt Flexion, während ein abnehmWinkel gibt Erweiterung. (E & F) die Winkelgeschwindigkeit-Zeit-Profil der Schulter und Ellenbogengelenke in der gesamten Studie. (G & H) in dem Moment zeitlichen Verlauf der Schulter und Ellenbogengelenk in der gesamten Studie. Die blaue Linie zeigt die Nettomoment, zeigt die rote Linie der Knochen auf Knochen Kontakt Moment, und die grüne Linie zeigt die vorhergesagte Muscle Moment. Positive Werte zeigen, dass die derzeit in der Beugerichtung wirkt (dh., Drehung gegen den Uhrzeigersinn), während negative Werte zeigen, dass die derzeit in der Streckrichtung wirkt (dh., Drehung im Uhrzeigersinn). Siehe Zusatzinformationen 4 zur Berechnung von Muskeln, Knochen auf Knochen-Kontakt und Nettomoment. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. von Oberarmmuskulatur erfasst Vertreter Europaabgeordneten. MEP aufgezeichnet von Bizeps (A) und pectoralis major (C), beim Erreichen zu einem Ziel, die Aktivität von sowohl Bizeps und pectoralis major (E) erfordert. Europaabgeordneter aus Trizeps (B) und hinteren Deltamuskel (D) aufgezeichnet, während Erreichen zu einem Ziel, die Aktivität sowohl von Trizeps und hinteren Deltamuskel (F) benötigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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