Setup Multifuncional de Estudos de Controle Motor Humano Utilizando Estimulação Magnética Transcraniana, Eletromiografia, Captura de Movimento, e Realidade Virtual
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
O estudo do controlo de movimento neuromuscular em seres humanos é conseguida com diversas tecnologias. Os métodos não-invasivos para investigação da função neuromuscular incluem a estimulação magnética transcraniana, eletromiografia, e captura de movimento tridimensional. O advento de soluções de realidade virtual prontamente disponíveis e de baixo custo tem se expandido as capacidades de pesquisadores em recriar ambientes e movimentos "mundo real" em um ambiente de laboratório. Análise do movimento naturalista não só irá reunir um maior entendimento do controle motor em indivíduos saudáveis, mas também permitir a concepção de experiências e estratégias de reabilitação que visam deficiências motoras específicas (por exemplo, acidente vascular cerebral). O uso combinado dessas ferramentas levará a compreensão cada vez mais profunda dos mecanismos neurais de controle do motor. Um requisito fundamental quando se combinam estes sistemas de aquisição de dados é a correspondência temporal, bem entre os vários fluxos de dados. TProtocolo descreve a sua conectividade de um sistema multifuncional geral, a sinalização intersistemas, e a sincronização temporal dos dados gravados. Sincronização dos sistemas de componentes é realizado principalmente através do uso de um circuito customizável, facilmente feito com componentes da prateleira e eletrônicos mínimas habilidades de montagem.
Introduction
A realidade virtual (VR) está rapidamente se tornando uma ferramenta de pesquisa acessível para utilização em diversas áreas, incluindo o estudo do movimento humano. O estudo do movimento do membro superior é especialmente beneficiado pela incorporação de VR. A realidade virtual permite a rápida personalização de parâmetros experimentais desenhados para investigar características cinemática e dinâmica específicas de controle de movimento do braço. Estes parâmetros podem ser ajustados individualmente para cada assunto. Por exemplo, a localização de alvos virtuais podem ser escalados para garantir idêntica postura braço inicial entre os indivíduos. A realidade virtual também permite a manipulação de feedback visual durante as experiências, que é uma ferramenta valiosa na investigação visuomotor 1-5.
O uso de ambientes de realidade virtual realistas com outras ferramentas biomecânicas também vai permitir cenários de movimento naturalista em que para testar padrões de movimento. Este arranjo está se tornando cada vez mais valioso para oestudo e prática da reabilitação após a doença e lesão 6,7. Que imitam movimentos e ambientes naturalistas (por exemplo, realizando movimentos em uma cozinha virtual) em uma clínica permitirá especialistas em reabilitação para descrever mais precisamente deficiências de um indivíduo em um contexto de mundo real. Descrições de imparidade altamente individualizados permitirá estratégias de tratamento mais focados, aumentando potencialmente a eficácia e reduzindo a duração da reabilitação.
Combinando VR com outras ferramentas, tais como a estimulação magnética transcraniana (TMS), eletromiografia de superfície (EMG), e cheio de captura de movimento do corpo, cria uma plataforma extremamente poderosa e flexível para o estudo do controle neuromuscular do movimento em seres humanos. A estimulação magnética transcraniana é um poderoso método não invasivo de medição da excitabilidade e integridade funcional das vias descendentes do motor (por exemplo, trato corticoespinhal) através respons EMGes, como potenciais evocados motores (MPE) 8. Sistemas de captura de movimento tridimensional modernos também permitir aos investigadores estudar a atividade neuromuscular, juntamente com resultantes cinemática e dinâmica do movimento. Isto permite a criação de modelos extremamente detalhados do sistema músculo-esquelético, bem como a testes de hipóteses sobre a estrutura e função dos controladores neurais. Estes estudos irão expandir nosso conhecimento científico do sistema sensório humano e levar a melhorias no tratamento do músculo-esquelético e doenças neurológicas.
No entanto, um grande problema com os sistemas multifuncionais é a sincronização de fluxos de dados gravados separadamente (por exemplo, captura de movimento, EMG, etc.). O objetivo deste protocolo é para descrever um arranjo generalizável de sistemas comuns disponíveis no mercado para gravar simultaneamente medições biomecânicos e fisiológicos durante o movimento. Outros pesquisadores que utilizam equipamentos dediferentes fabricantes podem ter de alterar elementos deste protocolo para atender suas necessidades específicas. No entanto, os princípios gerais deste protocolo ainda deve ser aplicável.
Protocol
Representative Results
Discussion
O objectivo deste artigo é descrever um método para a incorporação de VR para o estudo do movimento humano e um método para a sincronização de vários fluxos de dados. Realidade Virtual irá expandir as capacidades dos pesquisadores que tentam recriar cenários de movimento do mundo real em um ambiente de laboratório. Combinando VR com outras metodologias de gravação e de estímulo neuromuscular constitui um poderoso conjunto de ferramentas para estudar exaustivamente mecanismos de controle motor humanos. Os c…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pelo NIH concessão GM109098 P20, NSF e WVU Programa de Patrocínio ADVANCE (VG), e WVU fundos start-up departamentais.
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).
