Combinando Múltiplos Sistemas de Aquisição de Dados para o Estudo de saída Corticospinal e Multi-segmento Biomecânica
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
A estimulação magnética transcraniana (TMS) é um método não invasivo para estimular o córtex humano. 3,5 Existem vários protocolos de TMS que são utilizados para compreender a função cortical, como pulsos simples e múltipla, a estimulação bi-sítio para sondar conectividade funcional, e impulsos repetidos para promover a plasticidade neural. 4,6-8 protocolos TMS também podem ser combinados para fazer avançar a compreensão atual de processos corticais humanos e orientar estratégias de reabilitação neurais. Para além de estimular o córtex, TMS também pode ser utilizada para compreender a função de sub-cortical através da estimulação do trato corticoespinhal ou cerebelo.
Um dos maiores desafios técnicos que enfrentam atualmente pesquisa TMS é a capacidade de estudar o papel das áreas corticais durante meta-dirigida movimento voluntário em humanos. Várias considerações contribuir para este desafio técnico. Em primeiro lugar, a entrega TMS deve ser combinado com o movimento em tempo real humano capture. Deste modo, impulsos de TMS pode ser entregue ou desencadeada por recursos dentro de uma sequência de movimentos de uma abordagem de bloqueio de tempo para estudar o movimento complexo. Em segundo lugar, integrando a prestação de TMS e captura de movimento permite uma caracterização detalhada de complexo movimento que se desenrola, o que irá fazer avançar a compreensão das relações cérebro-comportamento que sustentam o controle motor. Actualmente, não existem sistemas disponíveis no mercado que integram inclusive metodologias TMS e de captura de movimento. Para os neurocientistas no domínio do controlo do motor, esse vazio normalmente se traduz em demorado, desafios técnicos para integrar múltiplos sistemas de software e hardware de aquisição de dados e de entrega. Esta limitação técnica também resultou em investigação esparso dedicada ao estudo de movimentos articulares dinâmicas envolvendo o membro superior. Para TMS para avançar no campo do controle motor humano, é imperativo que a função cortical ser sondado durante o movimento humano complexo.
<p class = "jove_content"> Para integrar efetivamente metodologias TMS e de captura de movimento, o sistema de aquisição deve permitir TMS simultânea em tempo real e captura de movimento. Em segundo lugar, o sistema deve ser apropriado para estudar a cinemática do movimento (isto é., A descrição do movimento), a cinética de circulação (isto é., Força que causa o movimento), e a actividade muscular. Em terceiro lugar, o sistema deve ser capaz de sincronizar pulsos TMS destas características de movimento, e ser acionado por critérios com base em características de movimento complexo. Tal sistema irá fornecer uma ligação essencial entre a função cortical e cinemática e cinética do movimento.Este manuscrito detalha uma abordagem única para integrar métodos de TMS e captura de movimento. Esta abordagem permite a análise detalhada da mecânica dos movimentos multi-articulares complexas, e permite o controle de pulsos TMS desencadeadas por características específicas do movimento (ie, cinemática, cinética, ou a atividade muscular) automatizado. Além disso, esta acq dadosuisition sistema permite a TMS e captura de movimentos para ser integrado com paradigmas experimentais que requerem viso-motoras ou sensório-motoras tarefas. Este manuscrito detalha uma abordagem inovadora para integrar sistemas de hardware e software de captura de movimento comumente usados para o propósito de combinar TMS e aquisição de movimento humano e análise. Os dados são apresentados usando um estudo de amostra de funcionamento cortical humano durante o movimento multi-joint planar. Os scripts de software necessários para realizar o experimento estão disponíveis para 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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