הגדרה רב-תכליתית ללימוד אדם בקרת מנוע באמצעות גירוי מגנטי Transcranial, Electromyography, לכידת תנועה, ומציאות וירטואלית
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
המחקר של שליטה עצבית-שרירית של תנועה בבני האדם נעשה עם מספר רב של טכנולוגיות. שיטות לא פולשניות לחקירת תפקוד עצבית-שרירית כוללות גירוי מגנטי transcranial, electromyography, ולכידת תנועה תלת-ממדית. כניסתו של פתרונות מציאות וירטואלית זמינים וחסכוניים בקלות הרחיבה את היכולות של חוקרים ביצירה מחדש של סביבות ותנועות "בעולם האמיתי" בסביבת מעבדה. ניתוח תנועת נטורליסטי לא רק לגייס הבנה טובה יותר של שליטה מוטורית באנשים בריאים, אלא גם לאפשר העיצוב של ניסויים ואסטרטגיות שיקום כי יעד ליקויים ספציפיים מוטוריים (למשל שבץ). השימוש בשילוב של כלים אלה יוביל להבנה יותר ויותר עמוקה יותר של מנגנונים עצביים של שליטה מוטורית. דרישת מפתח כאשר משלבים מערכות רכישת נתונים אלה היא התכתבות זמנית עדינה בין זרמי נתונים השונים. Tהפרוטוקול שלו מתאר קישוריות של מערכת רב תכליתי הכוללת, איתות intersystem, וסנכרון הזמני של הנתונים שנרשמו. סנכרון של מערכות הרכיב מושגת בעיקר באמצעות השימוש במעגל להתאמה אישית, בקלות שנעשה עם את רכיבי המדף ומיומנויות הרכבה אלקטרוניקה מינימליות.
Introduction
מציאות וירטואלית (VR) הופכת במהירות כלי מחקר נגיש לשימוש במספר תחומים, כולל המחקר של תנועה אנושית. המחקר של תנועת גפיים העליונה נהנה במיוחד על ידי שילוב VR. מציאות וירטואלית מאפשרת ההתאמה האישית המהירה של פרמטרים ניסיוניים שנועדו לחקור תכונות kinematic ודינמיות מסוימות של שליטת תנועת זרוע. פרמטרים אלה יכולים להיות מותאמים באופן אינדיבידואלי לכל נושא. לדוגמא, את מיקומם של יעדים וירטואליים ניתן לשנותם על מנת להבטיח תנוחת זרוע ראשונית זהה על פני נושאים. מציאות וירטואלית מאפשרת גם המניפולציה של משוב חזותי במהלך ניסויים, שהוא כלי רב ערך במחקר visuomotor 1 – 5.
השימוש בסביבות VR מציאותיים עם כלים ביו-מכאניים אחרים גם יאפשר תרחישי תנועה הנטורליסטית שבלבחון דפוסי תנועה. הסדר זה הופך יותר ויותר חשוב ללימוד ותרגול של שיקום לאחר 6,7 מחלות ופציעות. תנועות חיקוי נטורליסטי וסביבות (למשל ביצוע תנועות במטבח וירטואלי) בסביבה קלינית יאפשרו מומחי שיקום לתאר באופן מדויק יותר ליקויים של פרט בהקשר של עולם אמיתי. תיאור ירידת ערך מאוד אישי יאפשר לאסטרטגיות טיפול ממוקדות יותר, ואפשרות להגדיל את היעילות ולהפחית את משך הזמן של שיקום.
שילוב VR עם כלים אחרים כגון גירוי מגנטי transcranial (TMS), electromyography משטח (EMG), ולכיד תנועת גוף מלאה, יוצר פלטפורמה חזקה מאוד וגמישה ללימוד השליטה העצבית-שרירית של תנועה בבני אדם. גירוי מגנטי Transcranial הוא שיטה לא פולשנית חזקה של מדידת הרגישות ושלמות פונקציונלית של מסלולים יורדים מנוע (למשל בדרכי corticospinal) דרך respons EMGes כגון מנוע פוטנציאלים מעורר (חברי הפרלמנט האירופי) 8. מערכות ללכוד תנועה תלת-ממדית מודרניות גם יאפשרו לחוקרים ללמוד פעילות עצבית-שרירית יחד עם קינמטיקה תנועה וכתוצאה מכך ודינמיקה. זה מאפשר יצירת מודלים מפורטים מאוד של מערכת השלד והשרירים, כמו גם הבדיקה של השערות לגבי המבנה והתפקוד של בקרים עצביים. מחקרים אלה ירחיבו במערכת הסנסורית האנושית הידע המדעי שלנו ולהוביל לשיפור בטיפול בשרירים ושלד והפרעות נוירולוגיות.
עם זאת, בעיה עיקרית עם מערכות רב תכליתיים הוא הסנכרון של זרמים נרשמו בנפרד נתונים (לכידת תנועה למשל, EMG, וכו '). המטרה של פרוטוקול זה היא לתאר הסדר להכללה של מערכות זמינות מסחרי נפוצות להקליט בו זמנית מדידות ביו-מכאניות ופיזיולוגיות בזמן התנועה. חוקרים אחרים תוך שימוש בציוד מיצרנים שונים עשויים להיות לשנות אלמנטים של פרוטוקול זה כדי להתאים לצרכימים הספציפיים שלהם. עם זאת, עקרונות כלליים מפרוטוקול זה עדיין צריכים להיות ישימים.
Protocol
Representative Results
Discussion
המטרה של מאמר זה היא מתאר שיטה לשילוב VR למחקר של תנועה אנושית ושיטה לסנכרון זרמי נתונים שונים. מציאות מדומה תרחיב את היכולות של חוקרים המנסים לשחזר תרחישי תנועה בעולם אמיתי בסביבת מעבדה. VR שילוב עם שיטות הקלטה וגירוי עצבית-שרירית אחרות יוצר חבילה חזקה של כלי ללימוד מ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי GM109098 מענק NIH P20, NSF ותכנית WVU ADVANCE חסות (VG), וקרנות סטארט-אפ המחלקתיים 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
- 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).
