経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ
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
人間の動きの神経筋制御の研究では、多数の技術を用いて達成されます。神経筋機能を研究するための非侵襲的な方法は、経頭蓋磁気刺激、筋電図、3次元モーションキャプチャが含まれています。容易に入手可能であり、費用対効果の高いバーチャルリアリティ・ソリューションの登場は、実験室の設定で「現実世界」の環境や動きを再現するには、研究者の能力を拡大してきました。自然主義運動解析は、健康な個体におけるモータ制御のより深い理解を集めるだけでなく、実験や特定の運動障害（例えば脳卒中）を標的リハビリテーション戦略の設計が可能になるだけではなく。これらのツールを組み合わせて使用するには、モータ制御の神経機構のますますより深い理解につながります。これらのデータ収集システムを組み合わせた重要な要件は、様々なデータストリームとの間の微細な時間的な対応です。 T彼のプロトコルは、多機能なシステムの全体的な接続性、システム間のシグナリング、および記録されたデータの時間同期を説明しています。コンポーネントシステムの同期化は、主として容易に棚コンポーネントと最小限の電子アセンブリのスキルをオフにして作られた、カスタマイズ可能な回路を使用することにより達成されます。
Introduction
バーチャルリアリティ（VR）は、急速に人間の動きの研究を含め、多数のフィールドで使用するためのアクセス可能な研究ツールになってきています。上肢運動の研究では、特にVRを組み込むことによって恩恵を受けています。バーチャルリアリティは、腕の動きの制御の具体的な運動学的特徴と動的特徴を調査するために設計された実験パラメータの迅速なカスタマイズが可能になります。これらのパラメータは、個々に各被験者のために調整することができます。例えば、仮想ターゲットの位置が被写体で同じ初期アーム姿勢を確実にするためにスケーリングすることができます。 5 -仮想現実はまた、視覚運動研究1で非常に貴重なツールである、実験中の視覚的なフィードバックの操作を可能にします。
他の生体力学的ツールと現実的なVR環境の使用はまた、動きのパターンをテストするには自然な動きのシナリオを可能にします。この配置はますます貴重になってきています病気やけが6,7後のリハビリの研究と実践。臨床の場で自然な動きや環境（ 例えば仮想キッチンでの動きを実行する）を模倣することは、より正確には、実世界のコンテキストで個々の障害を記述するためにリハビリの専門家を有効にします。高度に個別減損の説明は、潜在的に有効性を増加し、リハビリの期間を減少させる、より集中治療戦略が可能になります。
そのような経頭蓋磁気刺激（TMS）、表面筋電図（EMG）、および全身モーションキャプチャなどの他のツールとのVRを組み合わせることで、人間の動きの神経筋制御を研究するための非常に強力で柔軟なプラットフォームを作成します。経頭蓋磁気刺激は、筋電図RESPONSを通じて（例えば皮質脊髄路）のモータ経路を降順の興奮性と機能的完全性を測定する強力な非侵襲的方法であり、モータなどのESは、電位（MEPを）8を誘発しました。現代の3次元モーションキャプチャシステムは、得られる運動運動学とダイナミクスと一緒に神経筋活動を研究する研究者を可能にします。これは、筋骨格系の非常に詳細なモデルを作成するだけでなく、神経のコントローラの構造と機能に関する仮説をテストすることを可能にします。これらの研究は、人間の感覚システムの私達の科学的知識を拡大し、筋骨格系および神経学的障害の治療の改善につながります。
しかしながら、多機能システムに一つの大きな問題は、別々に記録されたデータストリーム（例えば、モーションキャプチャ、EMG など ）の同期です。このプロトコルの目的は、同時に移動中に生体力学的および生理学的測定を記録するために一般的な商業的に利用可能なシステムの一般化配置を記述することです。からの装置を使用して、他の研究者異なるメーカーは、彼らの特定のニーズに合うように、このプロトコルの要素を変更する必要があります。しかし、このプロトコルからの一般的な原則はまだ適用可能であるべきです。
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事の目的は、人間の動きの研究と様々なデータストリームを同期させる方法にVRを組み込むための方法を記述することです。バーチャルリアリティは、実験室の設定で、実世界の動きのシナリオを再作成しようとする研究者の能力を拡大していきます。他の神経筋記録と刺激の方法論でVRを組み合わせることにより、総合的に人間の運動制御メカニズムを研究するための強力なツールス…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、NIHの助成金P20のGM109098、NSFとWVU ADVANCEスポンサーシッププログラム（VG）、およびWVU部門スタートアップ資金によってサポートされていました。
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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