שילוב מערכות נתונים רכישה מרובות לחקר פלט corticospinal ורב-קטע ביומכניקה
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
גירוי המגנטי Transcranial (TMS) הוא שיטה לא פולשנית כדי לעורר את אדם הקליפה. 3.5 יש כמה פרוטוקולי TMS המשמשים להבין תפקוד קליפת המוח כגון קטניות יחידים ומרובות, גירוי כפול אתר לחקור קישוריות פונקציונלית, ו פולסים חוזרים לקדם פלסטיות עצבית. 4,6-8 פרוטוקולי TMS גם עשויים להיות משולבים כדי לקדם את ההבנה הנוכחית של תהליכים בקליפת המוח אנושיים ולהדריך את אסטרטגיות שיקום עצביות. בנוסף לגירוי קליפת המוח, TMS יכול לשמש גם כדי להבין פונקציה תת-קליפת המוח על ידי גירוי של דרכי או המוח הקטן corticospinal.
אחד האתגרים הגדולים ביותר בפני הטכניים מחקר TMS כרגע הוא היכולת ללמוד את התפקיד של אזורים בקליפת המוח בזמן תנועה מרצון המכוון למטרה בבני אדם. כמה שיקולים לתרום לאתגר טכני זה. ראשית, משלוח TMS צריך להיות משולב בזמן אמת תנועה אנושית ג Apture. בדרך זו, קטניות TMS יכולות להיות מועברות או מופעלות על ידי תכונות בתוך רצף תנועה מספק גישה נעולה זמן ללמוד תנועה מורכבת. שנית, שילוב משלוח TMS ולכידת תנועה מאפשר אפיון מפורט של תנועה מורכבת בעת התרחשותה, שתקדם את ההבנה של יחסי המוח-התנהגות שעומדים בבסיס שליטה מוטורית. נכון לעכשיו, אין מערכות זמינות מסחרי שעד בכלל לשלב מתודולוגיות TMS ולכידת תנועה. למדעני מוח בתחום השליטה מוטורית, חלל זה בדרך כלל מתורגם לזמן רב, אתגרים טכניים לשלב מערכות תוכנה וחומרת רכישת נתונים ומשלוח מרובות. מגבלה טכנית זה גם הביאה במחקר דליל המוקדש ללימוד תנועות רב משותפות דינמיות מעורבות הגפיים העליונים. לTMS לקדם את התחום של שליטה מוטורית אדם, קיים הכרח כי תפקוד קליפת המוח להיות נחקר במהלך תנועה אנושית מורכבת.
<p class = "jove_content"> כדי לשלב ביעילות שיטות TMS ולכידת תנועה, המערכת חייבת לאפשר רכישת TMS בו זמנית בזמן אמת ולכידת תנועה. שנית, המערכת חייבת להיות מתאימה ללמוד קינמטיקה תנועה (כלומר., תיאור של התנועה), קינטיקה התנועה (כלומר., מאלצת כי תנועת הסיבה), ופעילות שרירים. שלישית, המערכת חייבת להיות מסוגלת לסנכרן פולסים TMS לתכונות תנועה אלה, ולהיות מופעלים על ידי קריטריונים הבוסס על תכונות תנועה מורכבות. מערכת כזו תספק הצמדה מהותית בין תפקוד קליפת המוח וkinematic וקינטיקה של תנועה.כתב יד זה מפרט גישה ייחודית לשלב שיטות של TMS ולכידת תנועה. גישה זו מאפשרת ניתוח מפורט של המכניקה של תנועות רבי משותפות מורכבות, ומתירה אוטומטית שליטה של פולסים TMS מופעלים על ידי תכונות ספציפיות של התנועה (כלומר, קינמטיקה, קינטיקה, או פעילות שרירים). יתר על כן, ACQ נתונים זהמערכת מאפשרת לuisition TMS ולכידת תנועה להיות משולבים עם פרדיגמות ניסוי שדורשות משימות visuo-מוטוריות או הסנסורית. כתב יד זה מפרט גישה חדשנית לשילוב מערכות חומרה ותוכנה ללכידת תנועה נפוצה בשימוש לצורך שילוב TMS ורכישת תנועה אנושית וניתוח. הנתונים מוצגים באמצעות מחקר מדגם של תפקוד קליפת המוח אנושי במהלך תנועה רב משותפת מישוריים. תסריטי התוכנה הנדרשים כדי לבצע את הניסוי זמינים להורדה.
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).
