Çoklu Veri Toplama Sistemleri Birleştirilmesi kortikospinal Çıkışı ve Multi-segment Biyomekanik Eğitim için
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
Transkranial manyetik stimülasyon (TMS) fonksiyonel bağlantı prob gibi tekli ve çoklu bakliyat, çift-site uyarılması olarak kortikal fonksiyon anlamak için kullanılan çeşitli TMS protokolleri vardır. 3,5 insan korteksi uyarmak için invaziv olmayan bir yöntemdir ve tekrarlayan darbeler sinir plastisitesini teşvik etmek. 4,6-8 TMS protokolleri de nöral rehabilitasyon stratejilerini insan kortikal süreçlerin mevcut anlayışı ilerletmek ve kılavuz kombine edilebilir. Korteks stimüle etmeye ek olarak, TMS kortikospinal sistemi veya beyincik uyarılması ile alt kortikal işlevi anlamak için kullanılabilir.
Şu anda TMS araştırma karşılaştığı en büyük teknik zorluklardan biri insanlarda hedefe yönelik istemli hareketi sırasında kortikal alanların rolünü incelemek için yeteneğidir. Birkaç düşünceler bu teknik meydan katkıda bulunur. İlk olarak, TMS teslim gerçek zamanlı insan hareket c ile kombine edilmelidirApture. Bu şekilde, TMS darbeler karmaşık bir hareket incelemek için bir zaman kilitli bir yaklaşım temin eden bir hareket serisi içinde özellikleri ile teslim veya tetiklenebilir. Motor kontrolünü desteklemek beyin-davranış ilişkileri anlayışı ilerletmek, hangi ilerledikçe İkincisi, TMS teslimat ve hareket yakalama entegre kompleks hareketinin ayrıntılı karakterizasyonu izin verir. Şu anda, kapsamlı olarak TMS ve hareket yakalama yöntemleri entegre geçen herhangi bir ticari alanda kullanılan sistemler mevcut bulunmaktadır. Motor kontrolü alanında nörologlar, bu boşluk genellikle birden fazla yazılım ve donanım, veri toplama ve dağıtım sistemleri entegre etmek, teknik zorlukları zaman alıcı çevirir. Bu teknik sınırlama da üst ekstremite içeren dinamik çoklu eklem hareketlerinin araştırmaya adanmış seyrek araştırma sonuçlandı. TMS, insan motor kontrol alanını ilerletmek için, bu kortikal fonksiyon karmaşık insan hareketi sırasında tanınacak şarttır.
<p class = "jove_content"> etkin bir toplama sistemi, gerçek zamanlı eşzamanlı TMS ve hareket yakalama izin vermeli, TMS ve hareket yakalama yöntemlerini entegre etmek. İkincisi, sistem hareketi kinematik incelemek için uygun olmalıdır (yani., Hareketin tanımı), hareket kinetik (yani., O neden hareket zorlar) ve kas aktivitesi. Üçüncü olarak, sistem bu hareket özellikleri TMS darbeleri senkronize etmek ve karmaşık hareket özelliklerine göre ölçütlere tarafından tetiklenebilir gerekir. Böyle bir sistem kortikal fonksiyon ve kinematik ve hareket kinetik arasında önemli bir bağlantı sağlayacaktır.Bu yazıda TMS ve hareket yakalama yöntemlerini entegre benzersiz bir yaklaşım ayrıntıları. Bu yaklaşım, karmaşık çok eklem hareketlerinin mekaniği detaylı analiz sağlar, ve hareketin (yani, kinematik, kinetik, veya kas aktivitesi) belirli özellikleri tarafından tetiklenen TMS bakliyat otomatik kontrol izin verir. Bundan başka, bu veriler, AKAuisition sistemi TMS ve hareket yakalama görsel-motor ya da sensorimotor görevleri gerektiren deneysel paradigmalar ile entegre edilmesi için izin verir. Bu yazıda TMS ve insan hareketi toplama ve analiz birleştirerek amacıyla sık kullanılan hareket yakalama donanım ve yazılım sistemleri entegre etmek yenilikçi bir yaklaşım ayrıntıları. Veriler düzlemsel çok ortak hareketi sırasında insan kortikal işleyişi örnek bir çalışma olarak sunulmuştur. Deney gerçekleştirmek için gerekli yazılım scriptler yüklenebilir.
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).
