Kombinere flere datainnsamlingssystemer å studere corticospinal Output og Multi-segment Biomechanics
Summary
The use of transcranial magnetic stimulation (TMS) to study human motor control requires the integration of data acquisition systems to control TMS delivery and simultaneously record human behavior. The present manuscript provides a detailed methodology for integrating data acquisition systems for the purpose of investigating human movement via TMS.
Abstract
Transcranial magnetic stimulation techniques allow for an in-depth investigation into the neural mechanisms that underpin human behavior. To date, the use of TMS to study human movement, has been limited by the challenges related to precisely timing the delivery of TMS to features of the unfolding movement and, also, by accurately characterizing kinematics and kinetics. To overcome these technical challenges, TMS delivery and acquisition systems should be integrated with an online motion tracking system. The present manuscript details technical innovations that integrate multiple acquisition systems to facilitate and advance the use of TMS to study human movement. Using commercially available software and hardware systems, a step-by-step approach to both the hardware assembly and the software scripts necessary to perform TMS studies triggered by specific features of a movement is provided. The approach is focused on the study of upper limb, planar, multi-joint reaching movements. However, the same integrative system is amenable to a multitude of sophisticated studies of human motor control.
Introduction
Transkranial magnetisk stimulering (TMS) er en ikke-invasiv metode for å stimulere den menneskelige cortex. 3,5 Det er flere TMS protokoller som brukes til å forstå kortikal funksjon, for eksempel én og flere pulser, dual-site stimulering for å sondere funksjonell tilkobling, og gjentatte pulser for å fremme nerve plastisitet. 4,6-8 TMS protokoller kan også kombineres for å fremme forståelsen av den foreliggende humane kortikale prosesser og lede nevrale rehabiliterings strategier. I tillegg til å stimulere cortex, TMS kan også brukes til å forstå sub-kortikal funksjon ved stimulering av corticospinal skrift eller lillehjernen.
En av de største tekniske utfordringer TMS forskning er evnen til å studere rollen til kortikale områder under målrettet frivillig bevegelse hos mennesker. Flere hensyn bidra til dette teknisk utfordring. Først bør TMS levering kombineres med real-time menneskelig bevegelse cApture. På denne måten kan TMS pulser leveres eller utløses ved trekk i en bevegelsessekvens tilveiebringe en tid-låst måte for å studere komplekse bevegelse. For det andre, å integrere TMS levering og motion capture tillater en detaljert karakterisering av komplekse bevegelser som den utfolder seg, som vil fremme forståelsen av hjerne-atferd sammenhenger som ligger til grunn for motorisk kontroll. I dag er det ingen kommersielt tilgjengelige systemer som inkluderende integrerer TMS og motion capture-metoder. For nevrologer innen motorisk kontroll, dette tomrommet oversettes vanligvis til tidkrevende, tekniske utfordringer for å integrere flere software og hardware datainnsamling og leveringssystemer. Denne tekniske begrensningen har også resultert i sparsom forskning dedikert til studiet av dynamiske multi-joint bevegelser som involverer øvre lem. For å fremme TMS innen human motorisk kontroll, er det viktig at kortikal funksjon bli analysert i løpet av komplekset menneskelig bevegelse.
<p class = "jove_content"> For å effektivt integrere TMS og motion capture-metoder, oppkjøpet systemet må tillate sanntid samtidig TMS og motion capture. For det andre, må systemet være egnet for å studere bevegelse kinematikk (f.eks., Beskrivelse av bevegelsen), bevegelse kinetikk (f.eks., Tvinger som forårsaker bevegelse), og muskelaktivitet. Tredje, må systemet være i stand til å synkronisere TMS pulser til disse bevegelsesfunksjoner, og utløses av kriterier basert på komplekse bevegelsesfunksjoner. Et slikt system vil gi en vesentlig binding mellom kortikal funksjon og kinematisk og kinetikken for bevegelse.Dette manuskriptet detaljer en unik tilnærming til å integrere metoder for TMS og motion capture. Denne tilnærmingen gjør detaljert analyse av mekanikerne av komplekse multi-joint bevegelser, og tillater automatisert styring av TMS pulser utløst av spesifikke funksjoner i bevegelse (dvs. kinematikk, kinetikk, eller muskelaktivitet). Videre disse dataene ACQuisition systemet tillater for TMS og motion capture for å bli integrert med eksperimentelle paradigmer som krever visuo-motoriske eller sensorimotor oppgaver. Dette manuskriptet detaljer en innovativ tilnærming for å integrere ofte brukt motion capture-maskinvare og programvare systemer for det formål å kombinere TMS og menneskelig bevegelse innsamling og analyse. Data er presentert ved hjelp av en prøve studie av menneskelig kortikal funksjon under planar multi-joint bevegelser. Programvaren skript som kreves for å utføre eksperimentet er tilgjengelig for nedlasting.
Protocol
Representative Results
Discussion
The present manuscript details an innovative method to integrate TMS and motion capture systems in the context of a visuo-motor task. To make rapid and meaningful advances in the study of human motor control, it is essential that methodologies allow for precise communication across multiple hardware and software systems. The paradigm presented could be used to study a variety of research interests including the cortical contribution to motor learning, the neurophysiology of motor control, and multi-joint movement contr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council to AJN.
Materials
| Polhemus FASTRAK | Polhemus Inc. | 6 degrees of freedom electromagnetic motion tracking device with 4 sensors | |
| Presentation | Neurobehavioural Systems Inc. | A fully programmable software for experiments involving data acquisition and stimulus delivery | |
| Cutom built Exoskeleton | 80/20 Inc. – The industrial erector set | Varies | Various parts used to build the exoskeleton |
| Brainsight | Rogue Research Inc. | Neuronavigation software to track coil position throughout the experiment |
References
- Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex. J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).
- Criswell, E. . Cram’s Introduction to Surface Electromyorgaphy. , (2011).
- Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Clin. Neurophysiol. 115 (2), 255-266 (2004).
- Ferbert, A., et al. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. J Physiol. 453, 525-546 (1992).
- Hallett, M. Transcranial magnetic stimulation: a primer. Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).
- Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. Theta burst stimulation of the human motor cortex. Neuron. 45 (2), 201-206 (2005).
- Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function. Neural Plast. , 350574 (2012).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. 471, 501-519 (1993).
- Miller, D., Nelson, R. . Biomechanics of Sport: A Research Approach. , (1973).
- Nussbaum, M. A., Zhang, X. Heuristics for locating upper extremity joint centres from a reduced set of surface markers. Human Movement Sciences. 19, 797-816 (2000).
- Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 91 (2), 79-92 (1994).
- Winter, D. A. . Biomechanics and Motor Control of Human Movement. , (2009).
- Zatsiorsky, V. . Kinetics of Human Motion. , (2002).
