Configuration multifonctions pour l'étude de contrôle du moteur humain utilisant la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, Motion Capture, et Réalité Virtuelle
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
L'étude de contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme est accompli avec de nombreuses technologies. Les méthodes non invasives pour enquêter sur la fonction neuromusculaire incluent la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, et la capture de mouvement en trois dimensions. L'avènement des solutions de réalité virtuelle facilement disponibles et rentables a élargi les capacités des chercheurs à recréer des environnements et des mouvements "monde réel" dans un environnement de laboratoire. Analyse du mouvement naturaliste ne sera pas seulement recueillir une plus grande compréhension du contrôle moteur chez les individus sains, mais aussi permettre la conception des expériences et des stratégies de réadaptation qui ciblent des déficiences motrices spécifiques (par exemple, accident vasculaire cérébral). L'utilisation combinée de ces outils va conduire à la compréhension plus profonde des mécanismes neuronaux de contrôle moteur. Une exigence clé lorsque l'on combine ces systèmes d'acquisition de données est la correspondance temporelle fine entre les différents flux de données. Tson protocole décrit globale connectivité d'un système multifonctionnel, signalisation inter-, et la synchronisation temporelle des données enregistrées. Synchronisation des systèmes de composants est principalement réalisé par l'utilisation d'un circuit personnalisable, facilement fait avec les composants hors du plateau et électronique minimale compétences d'assemblage.
Introduction
La réalité virtuelle (VR) est rapidement devenu un outil de recherche accessible pour une utilisation dans un certain nombre de domaines, y compris l'étude du mouvement humain. L'étude du mouvement du membre supérieur est particulièrement bénéficié en incorporant VR. La réalité virtuelle permet la personnalisation rapide des paramètres expérimentaux conçus pour étudier les caractéristiques spécifiques cinématiques et dynamiques de contrôle de mouvement du bras. Ces paramètres peuvent être ajustés individuellement pour chaque sujet. Par exemple, les emplacements des cibles virtuelles peuvent être redimensionnées pour assurer identiques posture initial des bras dans toutes les disciplines. La réalité virtuelle permet également la manipulation de rétroaction visuelle au cours d'expériences, qui est un outil précieux dans la recherche visuomoteur 1-5.
L'utilisation des environnements réalistes VR avec d'autres outils biomécaniques permettra également scénarios de mouvement naturel dans lequel de tester les habitudes de déplacement. Cet arrangement est de plus en plus précieux pour leétude et la pratique de la réadaptation après maladies et des blessures 6,7. Mimant les mouvements et les environnements naturalistes (par exemple la réalisation des mouvements dans une cuisine virtuelle) dans un contexte clinique permettront spécialistes de la réadaptation pour décrire plus précisément les déficiences d'un individu dans un contexte réel. Descriptions de valeur fortement individualisée permettront de stratégies de traitement plus ciblés, augmentant potentiellement l'efficacité et en réduisant la durée de la réadaptation.
Combinant VR avec d'autres outils tels que la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), électromyographie de surface (EMG), et plein de capture de mouvement du corps, crée une plate-forme extrêmement puissante et flexible pour l'étude du contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme. La stimulation magnétique transcrânienne est une méthode non-invasive puissante de mesurer l'excitabilité et l'intégrité fonctionnelle des voies descendantes à moteur (par exemple faisceau cortico-spinal) à travers responsab EMGes tels que potentiels évoqués moteurs (MPE) 8. Systèmes de capture de mouvement moderne en trois dimensions permettent également aux chercheurs d'étudier l'activité neuromusculaire avec résultant cinématique du mouvement et de la dynamique. Cela permet la création de modèles extrêmement détaillés de l'appareil locomoteur ainsi que de tester des hypothèses concernant la structure et la fonction des contrôleurs neuronaux. Ces études permettront d'élargir notre connaissance scientifique du système sensori-moteur humain et conduire à des améliorations dans le traitement de l'appareil locomoteur et des troubles neurologiques.
Cependant, un problème majeur avec les systèmes multifonctionnels est la synchronisation des flux de données enregistrées séparément (par exemple de capture de mouvement, EMG, etc.). L'objectif de ce protocole est de décrire un arrangement généralisable des systèmes disponibles dans le commerce communes d'enregistrer simultanément des mesures biomécaniques et physiologiques pendant le mouvement. D'autres chercheurs utilisant des équipements dedifférents fabricants peuvent avoir à modifier des éléments de ce protocole pour répondre à leurs besoins spécifiques. Cependant, les principes généraux de ce protocole doivent encore être applicable.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'objectif de cet article est de décrire un procédé d'incorporation VR dans l'étude du mouvement humain et un procédé de synchronisation différents flux de données. Réalité virtuelle va étendre les capacités de chercheurs qui tentent de recréer des scénarios de mouvement du monde réel dans un environnement de laboratoire. Combinant VR avec d'autres méthodes d'enregistrement et de stimulation neuromusculaire forme une puissante suite d'outils pour étudier en détail les mécanisme…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le NIH subvention P20 GM109098, NSF et WVU Programme de commandites ADVANCE (VG), et les fonds de démarrage départementales WVU.
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
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