Multifunktionell Setup för att studera Human motordrifter Använda transkraniell magnetisk stimulering, elektromyografi, Motion Capture och 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
Studien av neuromuskulära kontrollen av rörelse hos människa åstadkommes med många tekniker. Icke-invasiva metoder för att undersöka neuromuskulär funktion inkluderar transkraniell magnetisk stimulering, elektromyografi, och tredimensionella motion capture. Tillkomsten av lättillgängliga och kostnadseffektiva virtual reality lösningar har utökat kapaciteten hos forskare att återskapa "verkliga" miljöer och rörelser i laboratoriemiljö. Naturalisrörelseanalys kommer inte bara att samla en större förståelse för motorstyrning hos friska individer, men också göra det möjligt att försöksplanering och rehabiliteringsstrategier som är riktade till särskilda motoriska funktionsnedsättningar (t.ex. stroke). Den kombinerade användningen av dessa verktyg kommer att leda till allt djupare förståelse av neurala mekanismer för motorstyrning. Ett viktigt krav när man kombinerar dessa datainsamlingssystem är bra tids korrespondens mellan de olika dataströmmar. Thans protokoll beskriver ett multifunktionellt system övergripande anslutning, inter signalering och tidssynkronisering av inspelade data. Synkronisering av delsystem främst åstadkoms genom användning av en anpassningskrets, lätt göras med off hyllan komponenter och minimala elektronik monterings färdigheter.
Introduction
Virtuell verklighet (VR) har snabbt blivit en lättillgänglig forskningsverktyg för användning inom en rad områden, bland annat studier av mänsklig rörelse. Studiet av övre extremiteterna rörelse särskilt gynnats genom att införliva VR. Virtual reality tillåter snabb anpassning av experimentella parametrar som syftar till att undersöka specifika kinematiska och dynamiska egenskaper hos armrörelse kontroll. Dessa parametrar kan justeras individuellt för varje patient. Till exempel, kan placeringen av virtuella mål skalas för att säkerställa identiska första arm hållning över ämnen. Virtual reality tillåter också manipulering av visuell feedback under experiment, som är ett ovärderligt redskap i visuomotor forskning 1 – fem.
Användningen av realistiska VR miljöer med andra biomekaniska verktyg kommer också att tillåta naturalistiska rörelse scenarier för att testa rörelsemönster. Detta arrangemang blir alltmer värdefull förstudier och praktik av rehabilitering efter sjukdom och skada 6,7. Härma naturalistiska rörelser och miljöer (t.ex. utför rörelser i en virtuell kök) i en klinisk miljö gör det möjligt för rehabiliterings specialister för att mer exakt beskriva en individs nedskrivningar i en verklighetstrogen sammanhang. Mycket individualiserade nedskrivningar beskrivningar kommer att möjliggöra mer fokuserade behandlingsstrategier och därigenom öka effektiviteten och minska varaktigheten av rehabilitering.
Kombinera VR med andra verktyg som transkraniell magnetisk stimulering (TMS), yta elektromyografi (EMG), och hela kroppen motion capture, skapar en extremt kraftfull och flexibel plattform för att studera den neuromuskulära kontrollen av rörelser hos människor. Transkraniell magnetisk stimulering är ett kraftfullt icke-invasiv metod för att mäta retbarhet och funktionella integriteten hos fallande motorvägar (t.ex. kortikospinala kanalen) genom EMG responses såsom motor framkallade potentialer (parlamentsledamöter) 8. Moderna tredimensionella motion capture-system gör det också möjligt för forskare att studera neuromuskulär aktivitet tillsammans med resulterande rörelsen kinematik och dynamik. Detta tillåter skapandet av extremt detaljerade modeller i rörelseapparaten samt prövning av hypoteser angående strukturen och funktionen hos neurala styrenheter. Dessa studier kommer att expandera vår vetenskapliga kunskap om den mänskliga sensomotoriken och leda till förbättringar i behandling av muskuloskeletala och neurologiska sjukdomar.
Men det är ett stort problem med multifunktionella system synkronisering av separat inspelade dataströmmar (t.ex. motion capture, EMG, etc.). Målet med detta protokoll är att beskriva en generaliserbar arrangemang av vanliga kommersiellt tillgängliga system för att samtidigt spela in biomekaniska och fysiologiska mätningar under förflyttning. Andra forskare som använder utrustning frånolika tillverkare kan behöva ändra delar av detta protokoll för att passa deras specifika behov. Dock bör de allmänna principerna från detta protokoll fortfarande gälla.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med denna artikel är att beskriva en metod för att införliva VR i studiet av mänsklig rörelse och en metod för synkronisering av olika dataströmmar. Virtual Reality kommer att utöka kapaciteten hos forskare som försöker återskapa verkliga rörelse scenarier i laboratoriemiljö. Kombinera VR med andra neuromuskulära inspelning och stimulansmetoder bildar en kraftfull uppsättning verktyg för omfattande studera mänskliga motorkontrollmekanismerna. De resulterande flerdimensionella datamängder som erh…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NIH bidrag P20 GM109098, NSF och WVU ADVANCE Fadderverksamhet Program (VG), och WVU avdelningsnystartade fonder.
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).
