Multifunksjonell Setup for å studere menneskelig Motor kontrollen Bruke Transkraniell magnetisk stimulering, Elektromyografi, Motion Capture, og 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
Studiet av nevromuskulær kontroll av bevegelse hos mennesker oppnås med en rekke teknologier. Ikke-invasive metoder for å undersøke nevromuskulær funksjon inkluderer transcranial magnetisk stimulering, elektromyografi, og tredimensjonale motion capture. Ankomsten av lett tilgjengelige og kostnadseffektive virtual reality løsninger har utvidet mulighetene for forskere i å gjenskape "virkelige verden" miljøer og bevegelser i et laboratorium setting. Naturalisbevegelsesanalyse vil ikke bare samle en større forståelse av motorisk kontroll hos friske individer, men også tillate design av eksperimenter og rehabiliteringsstrategier som er rettet mot spesifikke motoriske vansker (for eksempel slag). Kombinert bruk av disse verktøyene vil føre til stadig dypere forståelse av nevrale mekanismer for motorstyring. Et sentralt krav ved kombinasjon av disse datainnsamlingssystemer er greit tidsmessig sammenheng mellom de ulike datastrømmer. Thans protokollen beskriver et multifunksjonelt system samlede tilkobling, intersystem signalering, og det timelige synkronisering av data. Synkronisering av komponent systemer er først og fremst oppnås gjennom bruk av en passelig krets, lett fremstilles med hyllevare komponenter og minimale elektronikkmontasjen ferdigheter.
Introduction
Virtuell virkelighet (VR) er raskt blitt en tilgjengelig forskningsverktøy for bruk i en rekke felter, inkludert studiet av menneskelig bevegelse. Studiet av øvre lem bevegelse er spesielt godt av å innlemme VR. Virtuell virkelighet tillater rask tilpasning av eksperimentelle parametre som skal undersøke spesifikke kinematiske og dynamiske egenskaper av armbevegelse kontroll. Disse parametrene kan justeres individuelt for hvert fag. For eksempel kan plasseringen av virtuelle mål skaleres for å sikre lik innledende arm holdning på tvers av fag. Virtuell virkelighet gjør det også manipulering av visuell tilbakemelding i løpet av eksperimenter, som er et uvurderlig verktøy i visuomotor forskning 1-5.
Bruken av realistiske VR miljøer med andre biomekaniske verktøy vil også tillate naturalistiske bevegelse scenarier som å teste bevegelsesmønstre. Denne ordningen blir stadig mer verdifull forstudiet og praktisering av rehabilitering etter sykdom og skade 6,7. Mimicking naturalistiske bevegelser og miljøer (f.eks utfører bevegelsene i et virtuelt kjøkken) i en klinisk setting vil gjøre det mulig rehabiliterings spesialister til mer presist å beskrive en persons svekkelser i en reell sammenheng. Svært individualisert nedskrivninger beskrivelser vil gi rom for mer fokuserte behandlingsstrategier, og potensielt øke effektiviteten og redusere varigheten av rehabilitering.
Kombinere VR med andre verktøy som transcranial magnetisk stimulering (TMS), overflate elektromyografi (EMG), og full body motion capture, skaper en ekstremt kraftig og fleksibel plattform for å studere nevromuskulær kontroll av bevegelse hos mennesker. Transkraniell magnetisk stimulering er en kraftig non-invasiv metode for måling av oppstemthet og funksjonell integritet synkende motorveier (f.eks corticospinal kanalen) gjennom EMG responses som motor fremkalt respons (MEPS) 8. Moderne tredimensjonale motion capture-systemer også aktivere forskere å studere nevromuskulær aktivitet sammen med resulterende bevegelse kinematikk og dynamikk. Dette tillater dannelsen av meget detaljerte modeller i muskel-skjelettsystemet, i tillegg til testing av hypoteser når det gjelder struktur og funksjon av nerve kontrollere. Disse studiene vil utvide vår vitenskapelige kunnskap om menneskets sensorimotoriske veiene og føre til forbedringer i behandling av muskel- og skjelett og nevrologiske lidelser.
Det er imidlertid ett stort problem med multifunksjonelle systemer synkronisering av innspilte separat datastrømmer (f.eks motion capture, EMG, etc.). Målet med denne protokollen er å beskrive en generell nytte arrangement av felles kommersielt tilgjengelige systemer å samtidig spille inn biomekaniske og fysiologiske målinger under bevegelse. Andre forskere som bruker utstyr fraforskjellige produsenter kan ha til å endre elementer av denne protokollen for å passe deres spesifikke behov. Imidlertid bør generelle prinsipper fra denne protokollen fortsatt være aktuelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne artikkelen er å beskrive en fremgangsmåte for å innlemme VR i studiet av menneskelig bevegelse, og en fremgangsmåte for synkronisering av forskjellige datastrømmer. Virtual Reality vil utvide mulighetene til forskere som forsøker å gjenskape reelle bevegelse scenarier i et laboratorium setting. Kombinere VR med andre nevromuskulære opptak og stimulanse metoder danner en kraftig pakke med verktøy for omfattende å studere menneskelige motor kontrollmekanismer. De resulterende flerdimensjonale…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av NIH bevilgning P20 GM109098, NSF og wvu ADVANCE Sponsor Program (VG), og WVU avdelingsoppstartsfond.
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 |
Riferimenti
- 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).
