Multifunktionel Opsætning til forskning i menneskers Motor Control Brug Transcranial Magnetisk Stimulation, 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
Undersøgelsen af den neuromuskulære kontrol af bevægelser hos mennesker opnås med mange teknologier. Ikke-invasive metoder til at undersøge neuromuskulære funktion omfatter transkraniel magnetisk stimulation, elektromyografi, og tre-dimensionelle motion capture. Fremkomsten af let tilgængelige og omkostningseffektive virtual reality-løsninger har udvidet mulighederne i forskere genskabe "den virkelige verden" miljøer og bevægelser i et laboratorium indstilling. Naturalistiske bevægelse analyse vil ikke kun samle en større forståelse af motorisk kontrol hos raske individer, men også tillader design af eksperimenter og rehabilitering strategier, der er målrettet specifikke motoriske handicap (f.eks slagtilfælde). Kombineret anvendelse af disse værktøjer vil føre til stigende dybere forståelse af neurale mekanismer for motorisk kontrol. Et centralt krav, når kombinere disse dataopsamlingssystemer er fint tidsmæssig overensstemmelse mellem de forskellige datastrømme. Thans protokol beskriver et multifunktionelt system, samlede tilslutningsmuligheder, intersystem signalering, og den tidsmæssige synkronisering af registrerede data. Synkronisering af de indgående systemer opnås først og fremmest ved anvendelse af en tilpasselig kredsløb, let foretages med off the shelf komponenter og minimal elektronik montage færdigheder.
Introduction
Virtual reality (VR) er hurtigt ved at blive et tilgængeligt forskning værktøj til brug i en række områder, herunder studiet af menneskets bevægelse. Studiet af overekstremiteterne bevægelse især nydt godt ved at indarbejde VR. Virtual reality muliggør hurtig tilpasning af eksperimentelle parametre, der skal undersøge specifikke kinematiske og dynamiske funktioner i arm bevægelse kontrol. Disse parametre kan indstilles individuelt for hvert emne. For eksempel kan placeringen af virtuelle mål skaleres for at sikre ens indledende arm kropsholdning på tværs af fag. Virtual reality tillader også manipulation af visuel feedback ved forsøg, som er et uvurderligt værktøj i visuomotorisk forskning 1 – 5.
Brugen af realistiske VR miljøer med andre biomekaniske værktøjer vil også tillade naturalistiske bevægelse scenarier, hvor at teste bevægelsesmønstre. Dette arrangement er mere og mere værdifulde forundersøgelse og praksis af genoptræning efter sygdom og skade 6,7. Efterligning naturalistiske bevægelser og miljøer (f.eks udfører bevægelser i en virtuel køkken) i en klinisk indstilling vil gøre det muligt for rehabilitering specialister til mere præcist at beskrive en persons nedskrivninger i den virkelige verden kontekst. Meget individualiserede nedskrivninger beskrivelser vil give mulighed for mere fokuserede behandlingsstrategier, potentielt øge effektiviteten og reducere varigheden af rehabilitering.
Ved at kombinere VR med andre værktøjer såsom transkraniel magnetisk stimulation (TMS), overflade elektromyografi (EMG), og hele kroppen motion capture, skaber en ekstremt kraftfuld og fleksibel platform til at studere den neuromuskulære kontrol med bevægelse i mennesker. Transkraniel magnetisk stimulation er en kraftfuld ikke-invasiv metode til måling af ophidselse og funktionelle integritet faldende motordrevne veje (f.eks corticospinal tarmkanalen) gennem EMG responses såsom motor evoked potentialer (MEP) 8. Moderne tre-dimensionelle motion capture-systemer også give forskerne mulighed for at studere neuromuskulær aktivitet sammen med resulterende bevægelse kinematik og dynamik. Dette muliggør skabelsen af yderst detaljerede modeller i bevægeapparatet samt afprøvning af hypoteser vedrørende strukturen og funktionen af neurale controllere. Disse undersøgelser vil udvide vores videnskabelige viden om den menneskelige sensomotoriske systemet og føre til forbedringer i behandlingen af muskuloskeletale og neurologiske sygdomme.
Men et stort problem med multifunktionelle systemer er synkronisering af separat indspillede datastrømme (f.eks motion capture, EMG, etc.). Målet med denne protokol er at beskrive en generaliseres arrangement af fælles kommercielt tilgængelige systemer til samtidigt at registrere biomekaniske og fysiologiske målinger under bevægelse. Andre forskere ved hjælp af udstyr fraforskellige producenter kan have til at ændre bestemmelser i denne protokol til at passe deres specifikke behov. Dog bør generelle principper fra denne protokol, stadig være gældende.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formålet med denne artikel er at beskrive en metode til at inkorporere VR i studiet af menneskets bevægelse og en metode til synkronisering af forskellige datastrømme. Virtual Reality vil udvide mulighederne i forskernes, der forsøger at genskabe den virkelige verden bevægelse scenarier i et laboratorium indstilling. Ved at kombinere VR med andre neuromuskulære optagelse og stimulerende metoder danner en kraftfuld suite af værktøjer til omfattende studere menneskelige motor kontrolmekanismer. De resulterende mul…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af NIH tilskud P20 GM109098, NSF og WVU ADVANCE Sponsorering Program (VG), og WVU afdelingerne nystartede fonde.
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).
