Het combineren van meerdere Data Acquisition Systems corticospinale Output en Multi-segment biomechanica Studie
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
Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) is een niet-invasieve methode voor het menselijke cortex stimuleren. 3,5 Er zijn verschillende TMS protocollen die worden gebruikt voor corticale functies begrijpen zoals enkelvoudige en meervoudige pulsen, dual-ter stimulatie functionele connectiviteit sonde en herhalende pulsen om neurale plasticiteit te promoten. 4,6-8 TMS protocollen kunnen ook worden gecombineerd om de huidige begrip van de menselijke corticale processen te bevorderen en te begeleiden neurale revalidatie strategieën. Naast het stimuleren van de cortex, TMS kan ook worden gebruikt om sub-corticale functie begrijpen door stimulatie van de corticospinale tractus en cerebellum.
Eén van de grootste technische uitdagingen moment geconfronteerd TMS onderzoek is de mogelijkheid om de rol van corticale gebieden te bestuderen gedurende doelgerichte willekeurige beweging bij de mens. Verschillende overwegingen bijdragen aan deze technische uitdaging. Ten eerste moet TMS levering combinatie met real-time menselijke beweging cApture. Zo kan TMS pulsen worden afgegeven of geactiveerd op criteria binnen een bewegingsverloop verschaffen van een tijd vergrendeld aanpak van complexe bewegingen te bestuderen. Ten tweede, de integratie van TMS levering en motion capture maakt een gedetailleerde karakterisering van complexe bewegingen zoals het zich ontvouwt, waarin het begrip van de hersenen-gedrag relaties die motor control onderbouwen zal vooraf. Op dit moment zijn er geen commercieel beschikbare systemen die inclusief de integratie van TMS en motion capture methodologieën. Voor neuroscientists op het gebied van motorbesturing, deze leegte vertaalt zich gewoonlijk in tijdrovend, technische uitdagingen meerdere software en hardware data acquisitie en systemen integreren. Deze technische beperking heeft ook geleid tot schaars onderzoek gewijd aan het onderzoek van dynamische multi-joint bewegingen van de bovenste ledematen. Voor TMS op het gebied van de menselijke motorische controle te bevorderen, is het noodzakelijk dat corticale functie in complexe menselijke beweging worden gesondeerd.
<p class = "jove_content"> Om effectief te integreren TMS en motion capture methodologieën, de acquisitie systeem moet real-time simultane TMS en motion capture mogelijk te maken. Ten tweede moet het systeem geschikt om beweging kinematica bestuderen (bijv., Beschrijving van de beweging), beweging kinetiek (bijv., Krachten die aanleiding beweging) en spieractiviteit. Ten derde moet het systeem kunnen TMS pulsen synchroniseren deze beweging functies en worden geactiveerd door criteria op basis van complexe beweging features. Een dergelijk systeem zal een essentiële koppeling tussen corticale functie en kinematische en de kinetiek van de beweging te bieden.Dit manuscript Gegevens een unieke benadering van methoden van TMS en motion capture integreren. Deze aanpak maakt het mogelijk gedetailleerde analyse van de mechanica van complexe multi-joint bewegingen en vergunningen geautomatiseerde controle van TMS pulsen veroorzaakt door specifieke kenmerken van de beweging (dwz, kinematica, kinetiek, of spieractiviteit). Verder zijn deze gegevens acquisition systeem maakt TMS en motion capture worden geïntegreerd met experimentele paradigma's die visueel-motor of sensorimotorische taken vereisen. Dit manuscript Gegevens een innovatieve aanpak tot veelgebruikte motion capture hardware en software te integreren met het oog op het combineren van TMS en de menselijke beweging acquisitie en analyse. De gegevens worden gepresenteerd met behulp van een steekproef studie van de menselijke corticale functioneren tijdens vlakke multi-gezamenlijke beweging. De software scripts die nodig is om het experiment uit te voeren zijn beschikbaar voor download.
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).
