여러 데이터 수집 시스템을 결합하면 피질 출력 및 멀티 세그먼트 역학을 연구하는
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
경 두개 자기 자극 (TMS)의 기능적 연결성을 프로빙 그러한 단일 및 다중 펄스, 이중 사이트 자극으로 피질 기능을 이해하기 위해 사용되는 여러 TMS 프로토콜이있다. 3,5- 인간 피질 자극하는 비 침습적 방법이며 반복 펄스는 신경 가소성을 촉진. 4,6-8 TMS 프로토콜은 신경 재활 전략을 인간의 대뇌 피질 프로세스의 현재 이해를 발전 안내하기 위해 결합 될 수있다. 피질 자극 이외에, TMS는 피질 또는 소뇌 요로 자극에 의해 서브 피질 기능을 이해하기 위해 사용될 수있다.
현재 TMS 연구가 직면하고있는 가장 큰 기술적 과제 중 하나는 인간의 목표 지향적 자율 이동하는 동안 대뇌 피질 영역의 역할을 연구 할 수있는 능력이다. 몇 가지 고려 사항이 기술적 인 도전에 기여하고 있습니다. 우선, TMS 전달 실시간 인간 움직임 C와 결합되어야apture. 이러한 방식으로, TMS 펄스는 복잡한 움직임을 연구 시각 동기 방법을 제공하는 움직임 시퀀스 내의 기능으로 전달하거나 트리거 될 수있다. 이 모터 제어를 뒷받침 뇌 동작 관계의 이해를 향상 할 펼쳐져 둘째, TMS 전달 및 모션 캡쳐를 통합하면 복합 운동의 상세한 특성을 허용한다. 현재, 포괄적으로 TMS와 모션 캡쳐 방법을 통합 상업적으로 사용 가능한 시스템이 없습니다. 모터 제어 분야에서 신경 과학자,이 보이드는 통상적으로 다수의 소프트웨어 및 하드웨어의 데이터 수집 및 전송 시스템을 통합하는 기술적 문제를 소비 시간으로 변환한다. 이 기술 제한은 상지를 포함하는 동적 다 관절 운동의 연구에 전념 스파 스의 연구 결과이다. TMS 인간 모터 제어의 미리 필드 들어, 피질 기능 복잡한 인간 이동중 프로브 할 것이 필수적이다.
<p class = "jove_content는"> 효과적으로 수집 시스템은 실시간으로 동시에 TMS 및 모션 캡쳐를 허용해야, TMS 및 모션 캡쳐를 통합하는 방법. 둘째로, 시스템이 움직임 운동학을 연구하기에 적합해야 (예., 움직임의 설명), 운동 역학 (예., 그 원인을 강제 이동)과 근육 활동. 셋째로, 이러한 시스템은 이동 기능을 TMS 펄스를 동기화하고, 복잡한 운동 기능에 기초한 기준에 의해 트리거 될 수 있어야한다. 이러한 시스템은 대뇌 피질의 기능과 운동과 운동의 역학 사이의 필수적인 연결을 제공 할 것입니다.이 원고는 TMS와 모션 캡쳐의 방법을 통합하는 독특한 접근 방식을 자세히 설명합니다. 이 방법은 복잡한 다중 관절 운동 역학의 상세한 분석이 가능하고, 이동 (즉, 운동학, 동력학, 또는 근육 활동)의 특정 기능을 트리거 TMS 펄스 제어를 자동화 허용한다. 또한,이 데이터 ACQuisition 시스템은 TMS와 모션 캡쳐가 visuo 모터 또는 감각 작업을 필요로 실험 패러다임과 통합 할 수 있습니다. 이 원고는 TMS 인간 이동 수집 및 분석을 결합 할 목적으로 일반적으로 사용되는 모션 캡쳐 하드웨어 및 소프트웨어 시스템을 통합하는 혁신적인 방법을 자세히. 데이터는 평면 다 관절 운동시 인간의 대뇌 피질 기능의 샘플 연구를 사용되게됩니다. 실험을 수행하는 데 필요한 소프트웨어 스크립트를 다운로드 할 수 있습니다.
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).
