Многофункциональный установки для изучения управления двигателем человеческого Использование транскраниальной магнитной стимуляции, электромиографии, Motion Capture, и виртуальной реальности
Summary
Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.
Abstract
Исследование нервно-мышечной контроля движения у человека осуществляется с многочисленными технологий. Неинвазивные методы исследования нервно-мышечной функции включают транскраниальная магнитная стимуляция, электромиографии и трехмерную захват движения. Появление доступных и экономичных решений виртуальной реальности расширил возможности исследователей в воссоздании "реального мира" сред и движений в лабораторных условиях. Натуралистическая анализ движения не только собрать большее понимание управления двигателем у здоровых людей, но также позволяют дизайн экспериментов и реабилитационных стратегий, которые нацелены на конкретные нарушения двигательных (например, инсульт). Комбинированное использование этих инструментов приведет к более глубокому пониманию нейронных механизмов управления двигателем. Ключевым требованием при объединении этих систем сбора данных в порядке временной переписка между различными потоками данных. Тего протокол описывает общую связь многофункциональный системы, межсистемной передачи сигналов, и временную синхронизацию зарегистрированных данных. Синхронизация составных систем, в первую очередь осуществляется за счет использования настраиваемой цепи, легко сделал с от компонентов полки и минимальных навыков электроники сборки.
Introduction
Виртуальная реальность (ВР) быстро становится доступным инструментом исследования для использования в ряде областей, в том числе исследования движения человека. Изучение верхней конечности движения особенно выгоду от включения VR. Виртуальная реальность позволяет быструю настройку параметров экспериментальных предназначенных для расследования конкретных кинематических и динамических особенностей управления движением руки. Эти параметры могут индивидуально регулировать для каждого субъекта. Например, расположение виртуальных целей можно масштабировать, чтобы обеспечить одинаковых начальных рычага положение по субъектам. Виртуальная реальность позволяет манипуляцию визуальной обратной связи во время экспериментов, который является бесценным инструментом в visuomotor исследования 1 – 5.
Использование реалистичных условиях VR с другими биомеханических инструментов также позволит натуралистические сценарии движения, в котором, чтобы проверить образцы движения. Этот механизм становится все более ценным дляизучение и практика реабилитации после болезней и травм 6,7. Подражая натуралистические движения и окружающей среды (например, выполняя движения в виртуальной кухне) в клинических условиях позволит специалистам по реабилитации более точно описать нарушения индивидуума в контексте реального мира. Высоко индивидуализированные описания обесценения позволит более целенаправленных стратегий лечения, потенциально увеличивая эффективность и сократить продолжительность реабилитации.
Объединение VR с другими инструментами, например транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), поверхности электромиографии (ЭМГ) и полного захвата движения тела, создает чрезвычайно мощный и гибкую платформу для изучения нервно-мышечной контроль движения в организме человека. Транскраниальная магнитная стимуляция является мощным неинвазивный метод измерения возбудимость и функциональную целостность убыванию моторные пути (например, Кортикоспинальных тракт) через ЭМГ RESPONSES, такие как двигатель вызванных потенциалов (MEPS) 8. Современные системы трехмерного захвата движения также позволить исследователям изучить нервно-мышечной активности вместе с результатом кинематики движения и динамики. Это позволяет создавать очень подробных моделей опорно-двигательного аппарата, а также тестирование гипотез о структуре и функции нейронных контроллеров. Эти исследования будут расширять наше научное знание системы сенсомоторной человека и привести к улучшениям в лечении опорно-двигательного аппарата и неврологических расстройств.
Тем не менее, одним из основных проблем с многофункциональными системами синхронизации отдельно записанных потоков данных (например, захвата движения, ЭМГ и т.д.). Цель этого протокола заключается в описании обобщению расположение общих коммерчески доступных систем одновременно записывать биомеханические и физиологические измерения во время движения. Другие исследователи, использующие оборудование отразные производители, возможно, придется изменить элементы данного протокола, чтобы соответствовать их потребностям. Тем не менее, общие принципы этого протокола по-прежнему должны быть применимы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Целью данной статьи является описывают способ включения VR в изучение движений человека и способу для синхронизации различных потоков данных. Виртуальная реальность позволит расширить возможности исследователей, которые пытаются воссоздать сценарии движения реальных в лабораторны?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NIH грант P20 GM109098, NSF и WVU ADVANCE спонсорства программы (VG), и WVU ведомственных запуска средства.
Materials
| Transcranial magnetic stimulator | Magstim | N/A | TMS stimulator and coils |
| Impulse X2 | PhaseSpace | N/A | Motion capture system |
| MA300 Advanced Multi-Channel EMG System | Motion Lab Systems | MA300-28 | EMG pre-amplifier and amplifier |
| Norotrode EMG electrodes | Myotronics | N/A | EMG electrodes |
| BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block | National Instruments | 779347-01 | BNC Connector Block |
| NI PXI-1033 5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller |
National Instruments | 779757-01 | DAQ chassis |
| NI PXI-6254 16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs |
National Instruments | 779118-01 | DAQ card |
| SHC68-68-EPM Cable (2m) | National Instruments | 192061-02 | Shielded cable |
| DK1 or DK2 | Oculus VR | N/A | Ocuclus Rift headset |
| Vizard 5 Lite | WorldViz | N/A | Virtual reality software |
| C1 and C2 capacitors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| R1 and R2 resistors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| CD4011 NAND gate | varied | N/A | NAND gate |
| 2N2222 transistor | varied | N/A | Transistor |
| NE555 timer circuit | varied | N/A | Timer circuit |
| DB25 and USB connectors | varied | N/A | parallel and USB connectors |
Referenzen
- Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions. Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).
- McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R. How automatic is the hand’s automatic pilot? Evidence from dual-task studies. Exp brain Res. 206 (3), 257-269 (2010).
- Shabbott, B. A., Sainburg, R. L. Learning a visuomotor rotation: simultaneous visual and proprioceptive information is crucial for visuomotor remapping. Exp. Brain Res. 203 (1), 75-87 (2010).
- Sarlegna, F. R., Sainburg, R. L. The roles of vision and proprioception in the planning of reaching movements. Adv. Exp. Med. Biol. 629, 317-335 (2009).
- Lillicrap, T. P., et al. Adapting to inversion of the visual field: a new twist on an old problem. Exp. brain Res. 228 (3), 327-339 (2013).
- Saposnik, G., Levin, M. Virtual reality in stroke rehabilitation: a meta-analysis and implications for clinicians. Stroke. 42 (5), 1380-1386 (2011).
- Robles-García, V., et al. Motor facilitation during real-time movement imitation in Parkinson’s disease: a virtual reality study. Parkinsonism Relat. Disord. 19 (12), 1123-1129 (2013).
- Gritsenko, V., Kalaska, J. F., Cisek, P. Descending corticospinal control of intersegmental dynamics. J. Neurosci. 31 (33), 11968-11979 (2011).
- Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. Design and construction of a cost effective headstage for simultaneous neural stimulation and recording in the water maze. J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).
- Kendall, F. P., McCreary, E. K., Provance, P. G., Rodgers, M., Romani, W. . Muscles: Testing and Function With Posture and Pain. , (2005).
- Barbero, M., Merletti, R., Rainoldi, Atlas of Muscle Innervation Zones: Understanding Surface Electromyography and Its Applications. Springer-Verlag Mailand. , (2012).
- Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial magnetic stimulation for investigating causal brain-behavioral relationships and their time course. J. Vis. Exp. (89), (2014).
- Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing transcranial magnetic stimulation to study the human neuromuscular system. J. Vis. Exp. (59), e3387 (2012).
- Rogers, J., Watkins, K. E. Stimulating the lip motor cortex with transcranial magnetic stimulation. J. Vis. Exp. (88), e51665 (2014).
- Ellaway, P., et al. Variability in the amplitude of skeletal muscle responses to magnetic stimulation of the motor cortex in man. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. Mot. Control. 109 (2), 104-113 (1998).
