Объединение нескольких систем сбора данных для изучения кортикоспинальных выход и Multi-сегмента биомеханику
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
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) является неинвазивным методом, чтобы стимулировать коры головного мозга человека. 3,5 Есть несколько протоколов TMS, которые используются, чтобы понять корковой функции, такие как однократных и многократных импульсов, стимулирование двойного сайта, чтобы исследовать функциональные связи, и повторяющиеся импульсы способствуют нейронной пластичности. 4,6-8 TMS протоколы также могут быть объединены, чтобы продвинуть понимание настоящего корковых процессов человека и направлять нейронных стратегии реабилитации. В дополнение к стимулированию мозга, ТМС также может быть использован, чтобы понять подкорковых функцию стимуляцией корково-кишечного тракта или мозжечка.
Один из крупнейших технических проблем, стоящих сегодня перед TMS исследования является возможность для изучения роли корковых областях во время целенаправленной добровольного движения в организме человека. Несколько соображений способствовать этой технической проблемы. Во-первых, ТМС поставка должна быть в сочетании с в режиме реального времени движения человека СApture. Таким образом, импульсы TMS могут быть доставлены или вызваны особенностями в последовательности, обеспечивающей движение времени автоподстройки подход к изучению сложное движение. Во-вторых, интегрируя TMS и захват движения позволяет подробную характеристику сложного движения, как она разворачивается, которая будет продвигать понимание мозга поведения отношений, лежащих в основе управления двигателем. В настоящее время, нет коммерчески доступных систем, которые объединяют включительно TMS и захвата движения методологии. Для неврологов в области контроля двигателя, эта пустота, как правило, приводит к времени, технические проблемы интеграции нескольких систем программного и аппаратного обеспечения сбора данных и доставки. Это техническое ограничение привело также в разреженном исследования, посвященного изучению динамических нескольких совместных движений, связанных с верхней конечности. Для ТМС для продвижения поле контроля человека двигателя, это необходимо, чтобы функция коры головного мозга прощупываться во время сложной человеческой движения.
<p class = "jove_content"> Чтобы эффективно интегрировать TMS и захвата движения методологии, система сбора должны позволить в режиме реального времени одновременно TMS и захват движения. Во-вторых, система должна быть пригодна для изучения кинематики движения (т.е.., Описание движения), кинетика движения (т.е.., Сил, причин движения), и мышечная активность. В-третьих, система должна быть в состоянии, чтобы синхронизировать импульсы TMS этих особенностей движения, и быть вызваны критериев на основе сложных функций движения. Такая система будет обеспечивать существенную связь между корковой функции и кинематических и кинетики движения.Эта рукопись подробно уникальный подход к интеграции методов TMS и захвата движения. Такой подход позволяет подробный анализ механики сложных многокомпонентных совместных движений и позволяет автоматизированного управления TMS импульсов, вызванных особенностями движения (т.е., кинематики, кинетика, или мышечной активности). Кроме того, этот ACQ данныеСистема uisition позволяет ТМС и захвата движения должны быть интегрированы с экспериментальными парадигмами, которые требуют зрительно-моторных или сенсорно задач. Эта рукопись подробно инновационный подход к интеграции обычно используемые аппаратные и программные системы захвата движения с целью объединения TMS и приобретение движения человека и анализа. Данные представлены с использованием образца изучение корковой функционирования человека при плоской мульти-совместное движение. Программное обеспечение скрипты, необходимые для проведения эксперимента доступны для скачивания.
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).
