Multifunktions-Setup für das Studium der menschlichen Motor Control Mit Transkranielle Magnetstimulation, Elektromyographie, Motion Capture und 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
Die Untersuchung der neuromuskulären Kontrolle von Bewegungen beim Menschen ist mit zahlreichen Technologien erreicht. Nicht-invasive Methoden zur Untersuchung neuromuskuläre Funktion schließen transkranielle Magnetstimulation, Elektromyographie und dreidimensionale Bewegungserfassung. Das Aufkommen von leicht verfügbaren und kostengünstigen virtuellen Realität Lösungen hat die Fähigkeiten von Forschern bei der Wiederherstellung der "realen Welt" Umgebungen und Bewegungen in einer Laborumgebung erweitert. Naturalistische Bewegungsanalyse werden nicht nur Garner ein besseres Verständnis der Motorsteuerung bei gesunden Menschen, aber die Versuchsplanung und Rehabilitationsstrategien, die spezifischen motorischen Beeinträchtigungen (zB Schlaganfall) Ziel erlauben auch. Der kombinierte Einsatz dieser Werkzeuge wird immer tieferes Verständnis der neuronalen Mechanismen der Motorsteuerung führen. Eine wesentliche Voraussetzung, wenn die Kombination dieser Datenerfassungssysteme ist in Ordnung zeitliche Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Datenströmen. Tseinem Protokoll beschreibt allgemeine Konnektivität ein multifunktionales System, Intersystem-Signalisierung und die zeitliche Synchronisation der aufgezeichneten Daten. Die Synchronisation der Teilsysteme wird in erster Linie durch den Einsatz einer kundengerechten Schaltung, leicht mit Komponenten aus dem Regal und minimaler Elektronik-Montage Fähigkeiten gemacht erreicht.
Introduction
Virtuelle Realität (VR) wird immer mehr eine zugängliche Forschungswerkzeug für die Verwendung in einer Reihe von Bereichen, einschließlich der Erforschung der menschlichen Bewegung. Die Studie der oberen Extremität Bewegung wird vor allem durch die Einbeziehung VR profitiert. Virtual Reality ermöglicht die schnelle Anpassung von experimentellen Parametern entwickelt, um spezifische kinematische und dynamische Eigenschaften Armbewegung Steuerung zu untersuchen. Diese Parameter lassen sich individuell für jeden Patienten angepasst werden. Beispielsweise können die Positionen der virtuellen Ziel skaliert werden, um gleiche Ausgangs Armhaltung über Themen zu gewährleisten. Virtual Reality ermöglicht auch die Manipulation der visuelle Rückmeldung während der Experimente, die ein unschätzbares Werkzeug in visuomotorischen Forschung 1 – 5.
Die Verwendung von realistischen VR-Umgebungen mit anderen biomechanischen Tools ermöglichen auch naturalistischen Bewegung Szenarien, in denen um Bewegungsmuster zu testen. Diese Anordnung wird immer wertvoller für dieStudium und Praxis der Rehabilitation nach Krankheiten und Verletzungen 6,7. Imitieren von naturalistischen Bewegungen und Umgebungen (zB Durchführung von Bewegungen in einer virtuellen Küche) in einem klinischen Umfeld ermöglicht Reha-Spezialisten, um eine individuelle Beeinträchtigungen genauer zu beschreiben in einem realen Kontext. Hoch individualisierten Impairment Beschreibungen werden für einen gezielteren Behandlungsstrategien erlauben, potentiell erhöht die Effizienz und reduziert die Dauer der Rehabilitation.
Die Kombination von VR mit anderen Tools wie transkranielle Magnetstimulation (TMS), Oberflächen-Elektromyographie (EMG), und Ganzkörper-Motion-Capture, schafft eine extrem leistungsfähige und flexible Plattform für die Untersuchung der neuromuskulären Bewegungskontrolle beim Menschen. Transkranielle Magnetstimulation ist ein leistungsfähiges nicht-invasive Methode zur Messung der Erregbarkeit und funktionelle Integrität des absteigenden motorischen Bahnen (zB Pyramidenbahn) durch EMG responses wie motorisch evozierte Potentiale (MEPs) 8. Moderne dreidimensionale Motion-Capture-Systeme ermöglichen auch Forschern, neuromuskuläre Aktivität zusammen mit resultierende Bewegung Kinematik und Dynamik zu studieren. Dies ermöglicht die Erstellung von sehr detaillierte Modelle des Bewegungsapparates sowie die Prüfung von Hypothesen in Bezug auf die Struktur und Funktion der neuronalen Controller. Diese Studien werden unsere wissenschaftlichen Kenntnisse des menschlichen sensomotorische System zu erweitern und führen zu Verbesserungen in der Behandlung von Muskel-Skelett-und neurologischen Störungen.
, Ein großes Problem mit Multifunktionssystemen ist jedoch die Synchronisation der Datenströme getrennt erfasst (zB Motion-Capture, EMG, etc.). Das Ziel des Protokolls ist es, eine Anordnung von gemeinsamen generalizable kommerziell erhältlichen Systemen beschreiben gleichzeitig aufgenommen biomechanischen und physiologischen Messungen während der Bewegung. Andere Forscher mit Hilfe von Geräten ausverschiedener Hersteller müssen möglicherweise Elemente dieses Protokoll zu ändern, um ihre spezifischen Bedürfnisse anzupassen. Allerdings sollten die allgemeinen Grundsätze von diesem Protokoll immer noch anwendbar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Ziel dieses Artikels ist es, ein Verfahren zur Einarbeitung VR in die Untersuchung der menschlichen Bewegung und ein Verfahren zum Synchronisieren von verschiedenen Datenströmen beschreiben. Virtual Reality wird die Fähigkeiten von Forschern, die auf realen Bewegungsszenarien im Labor neu zu versuchen, zu erweitern. Die Kombination mit anderen neuromuskulären VR Aufzeichnung und Konjunktur Methoden bildet eine leistungsstarke Suite von Tools zur umfassenden Studium der menschlichen Motorsteuerungsmechanismen. Die…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom NIH P20 GM109098, NSF und WVU ADVANCE Patenschaftsprogramm (VG) und WVU Abteilungs Start-up-Fonds unterstützt.
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).
