Multifunctionele Setup voor het bestuderen van Human Motor Control Met behulp van Transcraniële Magnetische Stimulatie, Elektromyografie, Motion Capture en Virtual Reality
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
De studie van neuromusculaire controle van de beweging in de mens wordt bij talrijke technologieën. Niet-invasieve methoden voor het onderzoeken van neuromusculaire functie onder transcraniële magnetische stimulatie, elektromyografie, en drie-dimensionale motion capture. De komst van gemakkelijk beschikbare en kosteneffectieve virtual reality oplossingen is het vermogen van onderzoekers uitgebreid in herscheppen "real-world" omgevingen en bewegingen in een laboratoriumomgeving. Naturalistische beweging analyse zal niet alleen Garner een beter begrip van motorische controle bij gezonde personen, maar ook het ontwerp van experimenten en revalidatie strategieën die specifieke motorische stoornissen (bijvoorbeeld beroerte) richten toestaan. Het gecombineerde gebruik van deze instrumenten zal leiden tot steeds dieper inzicht in de neurale mechanismen van motorische controle. Een belangrijke eis bij het combineren van deze data-acquisitie systemen is prima tijdelijke overeenkomst tussen de verschillende datastromen. TZijn protocol beschrijft totale connectiviteit van een multifunctioneel systeem, intersystem signalering, en de tijdelijke synchronisatie van de geregistreerde gegevens. Synchronisatie van deelsystemen wordt voornamelijk bereikt door het gebruik van een op maat gemaakte schakeling gemakkelijk gemaakt met de plank componenten en minimal electronics assembly vaardigheden.
Introduction
Virtual reality (VR) is hard op weg een toegankelijke research tool voor gebruik in een aantal gebieden, met inbegrip van de studie van de menselijke beweging. De studie van de bovenste ledematen beweging is vooral gebaat bij de integratie van VR. Virtual reality maakt de snelle aanpassing van de experimentele parameters voor specifieke kinematische en dynamische eigenschappen van armbeweging controle te onderzoeken. Deze parameters kunnen individueel worden aangepast voor elke patiënt. Zo kan de locatie van virtuele doelen worden geschaald naar identieke eerste arm houding over onderwerpen waarborgen. Virtual reality maakt het ook mogelijk de manipulatie van visuele feedback tijdens experimenten, dat is een waardevol instrument in visuomotorische onderzoek 1-5.
Het gebruik van realistische VR omgevingen met andere biomechanische gereedschappen zal ook toelaten naturalistische beweging scenario's waarin om bewegingspatronen te testen. Deze opstelling wordt steeds waardevol voor destudie en de praktijk van de revalidatie na ziekte en verwondingen 6,7. Nabootsen naturalistische bewegingen en omgevingen (bijvoorbeeld het uitvoeren van bewegingen in een virtuele keuken) in een klinische setting zal revalidatie specialisten in staat stellen om de bijzondere waardeverminderingen van een individu meer precies te beschrijven in een echte wereld context. Sterk geïndividualiseerde waardevermindering omschrijvingen zal zorgen voor meer gerichte behandelingsstrategieën, een mogelijke verhoging van de effectiviteit en het verminderen van de duur van de revalidatie.
Het combineren van VR met andere instrumenten zoals transcraniële magnetische stimulatie (TMS), oppervlakte elektromyografie (EMG) en full body motion capture, creëert een zeer krachtig en flexibel platform voor het bestuderen van de neuromusculaire controle van de beweging bij de mens. Transcraniële magnetische stimulatie is een krachtige niet-invasieve methode voor het meten van de prikkelbaarheid en functionele integriteit van dalende motor trajecten (bijv corticospinal darmkanaal) door middel van EMG responses zoals motor evoked potentials (EP) 8. Moderne driedimensionale motion capture systemen onderzoekers in staat stellen ook neuromusculaire activiteit bestuderen samen met de daaruit voortvloeiende beweging kinematica en dynamica. Dit maakt de creatie van extreem gedetailleerde modellen van het bewegingsapparaat en het testen van hypothesen betreffende de structuur en functie van neurale controllers. Deze studies zullen onze wetenschappelijke kennis van het menselijk sensomotorische systeem uit te breiden en leiden tot verbeteringen in de behandeling van het bewegingsapparaat en neurologische aandoeningen.
Echter, een belangrijk probleem met multifunctionele systemen is de synchronisatie van afzonderlijk geregistreerd datastromen (bijv motion capture, EMG, etc.). Het doel van dit protocol is een generaliseerbaar opstelling van gemeenschappelijke commercieel beschikbare systemen te beschrijven om tegelijkertijd op te nemen biomechanische en fysiologische metingen tijdens beweging. Andere onderzoekers gebruik maken van apparatuur uitverschillende fabrikanten kunnen hebben om elementen van dit protocol te wijzigen op hun specifieke behoeften. Echter, moeten de algemene beginselen van dit protocol nog steeds van toepassing.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit artikel is een werkwijze beschreven voor het opnemen VR in de studie van menselijke beweging en een werkwijze voor het synchroniseren van de verschillende datastromen. Virtual Reality zal de mogelijkheden van de onderzoekers die proberen om real-world beweging scenario's opnieuw in een laboratorium omgeving uit te breiden. Het combineren van VR met andere neuromusculaire opname en methodologieën stimulans vormt een krachtige suite van tools voor het uitvoerig bestuderen van de menselijke motorische…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidie P20 GM109098, NSF en WVU ADVANCE Sponsorship Program (VG) en WVU departementale start-up fondsen.
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 |
References
- 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).
