الجمع بين أنظمة الحصول على البيانات متعددة لدراسة الإخراج القشري ومتعدد القطاعات الميكانيكا الحيوية
Summary
The use of transcranial magnetic stimulation (TMS) to study human motor control requires the integration of data acquisition systems to control TMS delivery and simultaneously record human behavior. The present manuscript provides a detailed methodology for integrating data acquisition systems for the purpose of investigating human movement via TMS.
Abstract
Transcranial magnetic stimulation techniques allow for an in-depth investigation into the neural mechanisms that underpin human behavior. To date, the use of TMS to study human movement, has been limited by the challenges related to precisely timing the delivery of TMS to features of the unfolding movement and, also, by accurately characterizing kinematics and kinetics. To overcome these technical challenges, TMS delivery and acquisition systems should be integrated with an online motion tracking system. The present manuscript details technical innovations that integrate multiple acquisition systems to facilitate and advance the use of TMS to study human movement. Using commercially available software and hardware systems, a step-by-step approach to both the hardware assembly and the software scripts necessary to perform TMS studies triggered by specific features of a movement is provided. The approach is focused on the study of upper limb, planar, multi-joint reaching movements. However, the same integrative system is amenable to a multitude of sophisticated studies of human motor control.
Introduction
التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) هو أسلوب غير الغازية لتحفيز القشرة الإنسان. 3،5 هناك العديد من بروتوكولات TMS التي يتم استخدامها لفهم وظيفة القشرية مثل البقول واحدة ومتعددة، والتحفيز موقع المزدوجة للتحقيق الربط الوظيفي، و البقول المتكررة لتعزيز اللدونة العصبية. يمكن أيضا الجمع بين 4،6-8 بروتوكولات TMS للمضي قدما في الفهم الحالي للعمليات القشرية الإنسان وتوجيه استراتيجيات إعادة التأهيل العصبي. بالإضافة إلى تحفيز القشرة، TMS يمكن أن تستخدم أيضا لفهم وظيفة شبه القشرية عن طريق تحفيز الجهاز القشري أو المخيخ.
واحدة من أكبر التحديات التقنية التي تواجه حاليا البحث TMS هو القدرة على دراسة دور المناطق القشرية خلال الموجه هدف الحركة التطوعية في البشر. وتساهم عدة اعتبارات لهذا التحدي التقني. أولا، ينبغي أن يقترن تسليم TMS في الوقت الحقيقي مع حركة الإنسان ج apture. وبهذه الطريقة، والبقول TMS يمكن تسليمها أو أثار من المميزات ضمن تسلسل حركة توفير نهج غير الساحلية من الوقت لدراسة حركة معقدة. ثانيا، دمج تسليم TMS والتقاط الحركة تسمح لتوصيف مفصل للحركة معقدة فور وقوعها، والتي سوف تقدم في فهم العلاقات الدماغ السلوك التي تدعم التحكم في المحركات. في الوقت الحاضر، لا توجد النظم المتاحة تجاريا التي تدمج ضمنا منهجيات TMS والتقاط الحركة. لعلماء الأعصاب في مجال التحكم في المحركات، هذا الفراغ يترجم عادة إلى تستغرق وقتا طويلا، والتحديات التقنية لدمج أنظمة البرمجيات والأجهزة الحصول على البيانات والتوصيل المتعددة. وقد أدى هذا القيد التقنية أيضا في مجال البحوث متفرق مكرسة لدراسة حركات متعددة مشتركة الحيوية التي تنطوي على الطرف العلوي. لTMS للمضي قدما في مجال التحكم في المحركات الإنسان، لا بد من أن وظيفة القشرية أن تبحث خلال حركة الإنسان المعقدة.
<p clasالصورة = "jove_content"> على الاندماج بشكل فعال منهجيات TMS والتقاط الحركة، ونظام الاستحواذ يجب أن تسمح في الوقت الحقيقي TMS في وقت واحد والتقاط الحركة. ثانيا، يجب أن يكون نظام مناسب لدراسة الكينماتيكا الحركة (أي.، ووصف الحركة)، حركية الحركة (أي، القوى التي تسبب الحركة)، ونشاط العضلات. ثالثا، يجب أن يكون النظام قادرا على مزامنة البقول TMS إلى هذه الميزات الحركة، ويكون سببها معايير تستند إلى ملامح الحركة المعقدة. إن هذا النظام يوفر الربط الضروري بين وظيفة القشرية والحركية وحركية الحركة.تفاصيل هذه المخطوطة نهجا فريدا لدمج أساليب TMS والتقاط الحركة. هذا النهج يتيح تحليل مفصل للاليات حركات متعددة مشتركة معقدة، وتصاريح للتحكم الآلي من البقول TMS الناجمة عن ميزات معينة للحركة (أي علم الحركة، حركية، أو نشاط العضلات). وعلاوة على ذلك، وهذا ACQ البياناتيسمح نظام uisition لTMS والتقاط الحركة لتكون متكاملة مع النماذج التجريبية التي تتطلب visuo الحركية أو الحسية المهام. تفاصيل هذه المخطوطة نهجا مبتكرا لدمج الأجهزة والبرمجيات أنظمة التقاط الحركة المستخدمة عادة لغرض الجمع بين TMS واكتساب حركة الإنسان وتحليلها. وتعرض البيانات باستخدام عينة الدراسة من عمل القشرية البشري خلال مستو الحركة متعددة مشتركة. غير متوفرة للتنزيل البرامج النصية البرامج المطلوبة لأداء التجربة.
Protocol
Representative Results
Discussion
The present manuscript details an innovative method to integrate TMS and motion capture systems in the context of a visuo-motor task. To make rapid and meaningful advances in the study of human motor control, it is essential that methodologies allow for precise communication across multiple hardware and software systems. The paradigm presented could be used to study a variety of research interests including the cortical contribution to motor learning, the neurophysiology of motor control, and multi-joint movement contr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council to AJN.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Criswell, E. . Cram’s Introduction to Surface Electromyorgaphy. , (2011).
- 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).
- Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. J Physiol. 453, 525-546 (1992).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- 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).
- Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function. Neural Plast. , 350574 (2012).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. 471, 501-519 (1993).
- Miller, D., Nelson, R. . Biomechanics of Sport: A Research Approach. , (1973).
- 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).
- 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).
- Winter, D. A. . Biomechanics and Motor Control of Human Movement. , (2009).
- Zatsiorsky, V. . Kinetics of Human Motion. , (2002).
