Kombinieren mehrerer Datenerfassungssysteme zu kortikospinalen Ausgang und Multi-segment Biomechanik Studieren
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
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.
<p class = "jove_content"> Um effektiv zu integrieren TMS und Motion-Capture-Methoden, das Erfassungssystem muss in Echtzeit simultan TMS und Motion-Capture ermöglichen. Zweitens muss das System geeignet, Bewegungskinematik studieren (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
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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