Combinazione di più sistemi di acquisizione dati per studiare uscita corticospinale e Multi-segmento Biomeccanica
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
Transcranial stimolazione magnetica (TMS) è un metodo non invasivo per stimolare la corteccia umana. 3,5 Esistono diversi protocolli TMS che vengono utilizzati per capire funzione corticale come impulsi singoli e multipli, stimolazione dual-site per sondare connettività funzionale, e impulsi ripetitivi per promuovere la plasticità neurale. 4,6-8 protocolli TMS possono anche essere combinati per far avanzare l'attuale comprensione dei processi corticali umani e orientare le strategie di riabilitazione neurali. Oltre a stimolare la corteccia, TMS può essere utilizzato anche per comprendere la funzione sub-corticale dalla stimolazione del tratto corticospinale o del cervelletto.
Uno dei più grandi sfide tecniche che deve affrontare la ricerca TMS è la capacità di studiare il ruolo delle aree corticali durante goal-directed movimento volontario negli esseri umani. Alcune considerazioni contribuiscono a questa sfida tecnica. In primo luogo, la consegna TMS dovrebbe essere combinato con in tempo reale il movimento umano cApture. In questo modo, gli impulsi TMS possono essere forniti o innescati da caratteristiche all'interno di una sequenza di movimenti che fornisce un metodo tempo-locked per studiare il movimento complesso. In secondo luogo, l'integrazione di consegna TMS e motion capture permette una caratterizzazione dettagliata del movimento complesso come si svolge, che farà progredire la comprensione delle relazioni cervello-comportamento che sono alla base di controllo del motore. Allo stato attuale, non esistono sistemi disponibili in commercio che, globalmente integrano le metodologie TMS e motion capture. Per neuroscienziati nel campo del controllo motore, questo vuoto si traduce in genere in termini di tempo, le sfide tecniche per integrare più sistemi software e hardware di acquisizione dati e di consegna. Questa limitazione tecnica ha portato anche nella ricerca sparse dedicato allo studio della dinamica movimenti multi-congiunte tra il arto superiore. Per TMS per far avanzare il settore del controllo motorio umano, è imperativo che la funzione corticale da tastare durante complesso movimento umano.
<p class = "jove_content"> Per integrare efficacemente le metodologie TMS e motion capture, il sistema di acquisizione deve consentire TMS simultaneo in tempo reale e motion capture. In secondo luogo, il sistema deve essere adatto per studiare cinematica di movimento (ie., Descrizione del movimento), la cinetica di movimento (ie., Forze che causa il movimento), e l'attività muscolare. In terzo luogo, il sistema deve essere in grado di sincronizzare impulsi TMS a queste caratteristiche di movimento, ed essere innescato da criteri basati sulle caratteristiche movimento complesso. Tale sistema fornirà un collegamento fondamentale tra la funzione corticale e cinematica e la cinetica di movimento.Dettagli Questo manoscritto un approccio unico per integrare i metodi di TMS e motion capture. Questo approccio permette l'analisi dettagliata della meccanica di movimenti complessi multi-venture, e permette il controllo di impulsi TMS innescati da caratteristiche specifiche del movimento (cioè, cinematica, cinetica, o attività muscolare) automatizzato. Inoltre, questi dati acqSistema uisition permette di TMS e motion capture da integrare con paradigmi sperimentali che richiedono compiti visuo-motorie e senso-motorie. Dettagli Questo manoscritto un approccio innovativo per integrare i sistemi hardware e software di motion capture comunemente usati per lo scopo di coniugare TMS e acquisizione movimento umano e di analisi. I dati sono presentati con uno studio campione di funzionamento corticale umano durante planare movimento multi-articolare. Gli script software necessari per eseguire l'esperimento sono disponibili per il 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 |
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