Association de plusieurs systèmes d'acquisition de données pour étudier sortie cortico et Multi-segment Biomécanique
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
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.
<p class = "jove_content"> pour intégrer efficacement les TMS et de capture de mouvement méthodologies, le système d'acquisition doit permettre en temps réel TMS simultanée et la capture de mouvement. Deuxièmement, le système doit être adapté à l'étude cinématique du mouvement (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.
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 |
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