Electroencefalografía simultánea del cuero cabelludo (EEG), electromiografía (EMG) y de todo el cuerpo de grabación inercial segmentaria para Multi-modal Neural Decodificación

El objetivo general del siguiente experimento consiste en ampliar el concepto de un marco de imagen cerebral móvil para permitir el estudio de la dinámica cerebro-cuerpo humana en una amplia gama de tareas locomotoras. Esto se logra primero colocando sensores de E-E-G-E-M-G y de captura de movimiento sobre un sujeto humano como segundo paso. Los tres sistemas de recopilación de datos se sincronizan mediante un software personalizado y un dispositivo disparador de botón pulsador, que proporciona un conjunto de datos cronometrado de E-E-G-E-M-G y captura de movimiento.

A continuación, el sujeto realiza nueve tareas locomotoras específicas dentro de cuatro entornos diferentes. Con el fin de capturar la dinámica cerebro-corporal durante una variedad de movimientos, los resultados muestran la actividad cerebral medida mediante EEG durante las tareas locomotoras. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la neuroprótesis y las interfaces cerebro-máquina.

Por ejemplo, ¿es posible extraer información útil sobre la cinemática de la marcha o los patrones de EMG superficial a partir de un EEG de cuero cabelludo? La principal ventaja de esta técnica frente a los métodos existentes es que podemos recopilar de forma inalámbrica datos de EEG-EMG y de captura de movimiento mediante un montaje móvil, lo que nos permite explorar más tareas motoras y entornos en comparación con las técnicas tradicionales de recopilación de datos. Las implicaciones de estas técnicas también se extienden a los trastornos del movimiento y a la medicina de rehabilitación, ya que, básicamente, estos protocolos nos informan sobre los cambios en la actividad cerebral y la adaptación del cuerpo.

Mis estudiantes de posgrado demostrarán ahora la colocación de los sensores o JI osir mostrará cómo colocar los sensores de EMG en nuestro voluntario hoy. Kevin Nathan, con la ayuda de John, será quien coloque los sensores de EEG sobre su cuero cabelludo. Para comenzar este protocolo, primero registre la altura, el peso y la edad del sujeto.

Luego, ajuste la velocidad de la cinta rodante para que coincida con la velocidad de caminata preferida por el sujeto. A continuación, mida la distancia entre el nasión y el inión utilizando un rotulador de punta de fieltro. Marque el 10 % de la distancia como referencia para alinear la cofia y marque el punto medio de la distancia como el vértice de la cabeza.

Ahora coloque el casco de EEG en el sujeto y alínelo con los puntos de referencia. Alinee el punto medio entre los electrodos FP1 y FP2 con la marca del 10% de distancia y alinee el electrodo CZ con el vértice marcado. Sujete el casco colocando una correa debajo del mentón.

A continuación, comenzando con los electrodos de tierra y de referencia, utilice una jeringa pequeña para inyectar gel electrolítico en cada electrodo hasta que la impedancia de cada uno sea inferior a 25 kiloohmios, según lo indicado por el LED del electrodo al volverse verde. Por último, conecte los electrodos al transmisor inalámbrico del sistema de adquisición de datos. A continuación, prepárese para la electromiografía de superficie afeitando primero la piel y luego limpiándola con una toallita de alcohol isopropílico.

Luego coloque un electrodo en cada uno de los ocho sitios preparados por pierna para el tibial, el vasto anterior, el lateral, el bíceps, los femorales y el gastrocnemio. Finalmente, coloque los electrodos de tierra del EMG en la muñeca izquierda o derecha y conecte todos los electrodos del EMG a la unidad de registro de datos de EMG. Para configurar la captura de movimiento.

Primero coloque los sensores de marcación sobre el sujeto utilizando correas de velcro o cinta adhesiva de doble cara. Fije los sensores en las ubicaciones enumeradas aquí. Luego haga que el sujeto suba a la cinta caminadora y coloque un arnés de seguridad como se muestra aquí antes de la recopilación de datos.

Examine las señales de EEG y EMG para verificar la colocación correcta de los electrodos, la conexión de los electrodos y la transmisión de datos. Luego, inicie la recopilación de datos ejecutando la aplicación de consola en C++. Presione el botón pulsador de disparo manual para iniciar la grabación de EMG y proporcione una señal de audio: un pitido.

Para comenzar el experimento, indique al sujeto que permanezca en posición quieta durante 30 segundos. Luego, después de 30 segundos, presione el botón de activación para iniciar la marcha. La cinta rodante debe acelerar lentamente hasta la velocidad previamente seleccionada por el sujeto.

Haga que el sujeto camine durante cinco minutos. Después de cinco minutos, presione el botón de activación para iniciar la transición de caminar a estar de pie, deteniendo lentamente la cinta de correr. Después de detenerse por completo, el sujeto debe permanecer de pie durante 30 segundos.

Ahora, presione el botón de cola para detener el ensayo de recopilación de datos y guardar los datos. Repita este experimento con tres condiciones visuales, incluyendo un color negro, a una distancia frente al sujeto para enfocarse en la observación en tiempo real de las piernas en un monitor de video y la evitación de una línea diagonal en la cinta de correr.

A continuación, pase a la arena de caminata. La arena de caminata debe configurarse colocando cinco conjuntos de sensores de proximidad infrarrojos, conos y pantallas de televisión como se muestra. Aquí, coloque al sujeto al inicio del recorrido de la arena y comience la recopilación de datos como se describió anteriormente.

Ahora, presione el botón del disparador para iniciar el experimento de marcha. En el momento en que se activa el disparador, se muestra en la pantalla la primera flecha direccional opuesta al sujeto.

Si se observa una flecha hacia la derecha o una flecha hacia la izquierda, el sujeto debe salir del conjunto de conos por la entrada, girar 90 grados en esa dirección, completar el recorrido y regresar a los conos de entrada. Si se observa una flecha hacia arriba, el sujeto debe continuar en línea recta fuera de los conos de entrada. Luego, cuando el sujeto alcance aproximadamente dos metros de los sensores de infrarrojos, se debe dar un disparo manual y una flecha de dirección.

A continuación, el sujeto debe atravesar el primer conjunto de sensores de infrarrojos y luego realizar el giro correspondiente de 90 grados para completar el recorrido. Al regresar hacia los conos de entrada durante la caminata, el experimentador debe seguir al sujeto a una distancia aproximada de tres a cinco metros, con la PC anfitriona sobre un carro con ruedas. Para asegurar la calidad de la señal inalámbrica, el sujeto debe continuar caminando cuando llegue a los conos de entrada. Después de completar un recorrido completo, se debe repetir la secuencia con un orden aleatorio de flechas hasta que se hayan completado tres recorridos para cada flecha inicial.

Después de completar el número requerido de vueltas, presione el botón de activación manual para indicar la transición a la posición de pie. El sujeto debe permanecer de pie en silencio durante 30 segundos. Luego, finalice la recopilación de datos presionando el botón de indicación en la PC anfitriona.

Coloque una silla detrás del sujeto y comience la recopilación de datos. El sujeto debe permanecer de pie en silencio durante 15 segundos al inicio de la recopilación de datos. Después de 15 segundos, presione el botón de disparo manual.

Después de escuchar la señal, el sujeto debe pasar de la posición de pie a la posición sentada, postura, sosteniendo, posición sentada hasta la siguiente indicación de audio. Espere un intervalo aleatorio de cinco a 15 segundos. Luego, presione el disparador manual para dar una señal para la transición de sentado a de pie.

Haga que el sujeto mantenga la postura de pie hasta la siguiente indicación de audio. Repita este procedimiento hasta completar 10. Realice completos pasos de ponerse de pie a sentarse y de sentarse a ponerse de pie.

Las maniobras han finalizado, tras lo cual el sujeto debe permanecer de pie tranquilamente durante 15 segundos. A continuación, finalice la recopilación de datos pulsando el botón de indicación. Después, repita el protocolo de pie a sentado para transiciones de pie a sentado y de sentado a pie iniciadas por el propio sujeto.

En esta ocasión, en lugar de proporcionar al sujeto un estímulo para la transición, permita que el sujeto inicie la transferencia por iniciativa propia hasta completar 10 repeticiones de cada maniobra. Para la caminata en el pasillo, coloque al sujeto y el carro de recolección de datos en el centro de un pasillo recto de un octavo de milla de longitud. Comience la recolección de datos como en los experimentos de caminata en cinta rodante.

Después del período de reposo inicial número 32, dé una señal manual o un pitido al sujeto para iniciar la marcha. Haga que el sujeto camine continuamente durante cinco minutos. Cuando el sujeto llegue a menos de 10 metros del extremo del pasillo, debe realizar espontáneamente un giro en U y continuar caminando en la dirección opuesta.

Después de cinco minutos, presione el botón de activación manual para dejar de caminar. El sujeto debe permanecer quieto durante 30 segundos mirando directamente hacia adelante. Luego, finalice la selección de recolección de datos.

A continuación, inicie un segundo experimento en el pasillo. Después de un intervalo de tiempo aleatorio caminando entre 20 y 40 segundos, dé una señal manual y una indicación de audio para que el sujeto deje de caminar. Luego, el sujeto debe permanecer de pie durante un breve período aleatorio de cinco a 15 segundos.

Luego, presione el botón de activación manual para que el sujeto reanude la marcha. Repita estos pasos hasta completar 10 ciclos de parada y arranque, y luego finalice. Aquí se muestran resultados representativos de la recopilación de datos obtenidos durante 10 segundos de caminata en cinta rodante.

El panel superior muestra datos EEG brutos de 64 canales con el nombre del canal según la Convención Internacional 10-20, el panel central muestra la aceleración en la dirección vertical proveniente de 11 sensores marcadores. El panel inferior muestra EMG bruto de ocho canales. Esta figura muestra datos representativos de un ciclo de caminata durante la prueba en la arena.

En un protocolo, las barras negras verticales indican los disparadores. El primer disparador proviene del botón de pulsación que presenta la flecha derecha. Los últimos cuatro provienen de sensores de infrarrojos, IR uno hasta IR cuatro, a medida que el sujeto recorre el circuito, y aquí observamos datos de ejemplo del paso de pie a sentado y de sentado a pie.

Los datos de aceleración del EEG y del EMG se presentan como en la primera figura. Las barras verticales indican los disparadores manuales para iniciar de pie y sentarse, respectivamente. Finalmente, esta figura muestra datos de ejemplo del tránsito de estar de pie a caminar y de caminar a estar de pie durante el recorrido por el pasillo.

Tarea de caminar. Las barras verticales indican los disparadores manuales y las señales auditivas para comenzar y detener la marcha, respectivamente. Es importante recordar que los sensores EEG y los sensores EMG son sensibles a los artefactos de movimiento, por lo que debemos asegurarnos de que los sensores estén firmes y correctamente sujetos al sujeto.

Tras seguir este procedimiento, puede aplicar otras técnicas como el análisis de componentes independientes o la regresión lineal para aislar las señales electrocorticales de los artefactos, lo que le permitirá extraer cinemática de las extremidades o perfiles de EMG a partir de los datos de EEG. Esta técnica permitirá a la comunidad de interfaces neuronales responder preguntas sobre cómo el cerebro se relaciona con el movimiento y la intención de movimiento, y proporcionará un medio para extraer información sobre la marcha a partir de un EEG del cuero cabelludo.