La combinación de sistemas de adquisición de datos múltiples para el Estudio de salida corticoespinal y multi-segmento de Biomecánica
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
La estimulación magnética transcraneal (TMS) es un método no invasivo para estimular la corteza humana. 3,5 Hay varios protocolos de TMS que se utilizan para entender la función cortical, tales como pulsos individuales y múltiples, la estimulación de doble sitio para sondear la conectividad funcional, y pulsos repetitivos para promover la plasticidad neural. 4,6-8 protocolos TMS también se pueden combinar para avanzar en la comprensión actual de los procesos corticales humanos y guiar las estrategias de rehabilitación neuronales. Además de estimular la corteza, TMS también se puede utilizar para comprender la función sub-cortical por la estimulación del tracto corticoespinal o el cerebelo.
Uno de los mayores retos técnicos que actualmente se enfrenta la investigación TMS es la posibilidad de estudiar el papel de las áreas corticales durante dirigido a un objetivo movimiento voluntario en humanos. Varias consideraciones contribuyen a este desafío técnico. En primer lugar, la entrega de TMS se debe combinar con en tiempo real el movimiento humano cApture. De esta manera, los impulsos TMS pueden ser entregados o disparada por las características dentro de una secuencia de movimiento que proporciona un enfoque tiempo-bloqueado para estudiar el movimiento complejo. En segundo lugar, la integración de la entrega TMS y captura de movimiento permite una caracterización detallada de movimiento complejo que se desarrolla, que avanzar en la comprensión de las relaciones cerebro-conducta que apuntalan el control motor. En la actualidad, no existen sistemas disponibles en el mercado que inclusive integran metodologías TMS y de captura de movimiento. Para los neurocientíficos en el ámbito de control del motor, este vacío normalmente se traduce en mucho tiempo, los desafíos técnicos para integrar los sistemas de adquisición de datos software y hardware y entrega múltiples. Esta limitación técnica también ha dado lugar a la investigación escasa dedicada al estudio de los movimientos multi-articulares dinámicas que implican el miembro superior. Para TMS para avanzar en el campo del control motor humano, es imprescindible que la función cortical se sondeó durante complejo movimiento humano.
<p class = "jove_content"> Integrar efectivamente metodologías TMS y de captura de movimiento, el sistema de adquisición debe permitir en tiempo real TMS simultánea y de captura de movimiento. En segundo lugar, el sistema debe ser adecuado para estudiar la cinemática de movimiento (es decir., La descripción del movimiento), la cinética de movimiento (es decir., Fuerzas que causan el movimiento), y la actividad muscular. En tercer lugar, el sistema debe ser capaz de sincronizar pulsos de TMS a estas características de movimiento, y ser activado por criterios basados en las características de movimiento complejos. Tal sistema proporcionará un enlace esencial entre la función cortical y cinemática y la cinética de movimiento.Este manuscrito detalla un enfoque único para integrar métodos de TMS y de captura de movimiento. Este enfoque permite un análisis detallado de la mecánica de los movimientos multi-articulares complejas, y permite el control de impulsos TMS provocados por las características específicas del movimiento (es decir, la cinemática, cinética, o la actividad muscular) automatizado. Además, este acq datossistema uisition permite TMS y de captura de movimiento para integrarse con los paradigmas experimentales que requieren tareas viso-motoras o sensoriomotoras. Este manuscrito detalla un enfoque innovador para integrar los sistemas de hardware y software de captura de movimiento comúnmente usados con el propósito de combinar TMS y la adquisición movimiento humano y el análisis. Los datos se presentan mediante un estudio de muestreo de funcionamiento cortical humano durante el movimiento multi-articular plana. Las secuencias de comandos de software necesarios para llevar a cabo el experimento están disponibles para su descarga.
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).
