Combinazione di più sistemi di acquisizione dati per studiare uscita corticospinale e Multi-segmento Biomeccanica

Riepilogo

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.

Introduzione

Transcranial stimolazione magnetica (TMS) è un metodo non invasivo per stimolare la corteccia umana. ^3,5 Esistono diversi protocolli TMS che vengono utilizzati per capire funzione corticale come impulsi singoli e multipli, stimolazione dual-site per sondare connettività funzionale, e impulsi ripetitivi per promuovere la plasticità neurale. ^4,6-8 protocolli TMS possono anche essere combinati per far avanzare l'attuale comprensione dei processi corticali umani e orientare le strategie di riabilitazione neurali. Oltre a stimolare la corteccia, TMS può essere utilizzato anche per comprendere la funzione sub-corticale dalla stimolazione del tratto corticospinale o del cervelletto.

Uno dei più grandi sfide tecniche che deve affrontare la ricerca TMS è la capacità di studiare il ruolo delle aree corticali durante goal-directed movimento volontario negli esseri umani. Alcune considerazioni contribuiscono a questa sfida tecnica. In primo luogo, la consegna TMS dovrebbe essere combinato con in tempo reale il movimento umano cApture. In questo modo, gli impulsi TMS possono essere forniti o innescati da caratteristiche all'interno di una sequenza di movimenti che fornisce un metodo tempo-locked per studiare il movimento complesso. In secondo luogo, l'integrazione di consegna TMS e motion capture permette una caratterizzazione dettagliata del movimento complesso come si svolge, che farà progredire la comprensione delle relazioni cervello-comportamento che sono alla base di controllo del motore. Allo stato attuale, non esistono sistemi disponibili in commercio che, globalmente integrano le metodologie TMS e motion capture. Per neuroscienziati nel campo del controllo motore, questo vuoto si traduce in genere in termini di tempo, le sfide tecniche per integrare più sistemi software e hardware di acquisizione dati e di consegna. Questa limitazione tecnica ha portato anche nella ricerca sparse dedicato allo studio della dinamica movimenti multi-congiunte tra il arto superiore. Per TMS per far avanzare il settore del controllo motorio umano, è imperativo che la funzione corticale da tastare durante complesso movimento umano.

Per integrare efficacemente le metodologie TMS e motion capture, il sistema di acquisizione deve consentire TMS simultaneo in tempo reale e motion capture. In secondo luogo, il sistema deve essere adatto per studiare cinematica di movimento (ie., Descrizione del movimento), la cinetica di movimento (ie., Forze che causa il movimento), e l'attività muscolare. In terzo luogo, il sistema deve essere in grado di sincronizzare impulsi TMS a queste caratteristiche di movimento, ed essere innescato da criteri basati sulle caratteristiche movimento complesso. Tale sistema fornirà un collegamento fondamentale tra la funzione corticale e cinematica e la cinetica di movimento.

Dettagli Questo manoscritto un approccio unico per integrare i metodi di TMS e motion capture. Questo approccio permette l'analisi dettagliata della meccanica di movimenti complessi multi-venture, e permette il controllo di impulsi TMS innescati da caratteristiche specifiche del movimento (cioè, cinematica, cinetica, o attività muscolare) automatizzato. Inoltre, questi dati acqSistema uisition permette di TMS e motion capture da integrare con paradigmi sperimentali che richiedono compiti visuo-motorie e senso-motorie. Dettagli Questo manoscritto un approccio innovativo per integrare i sistemi hardware e software di motion capture comunemente usati per lo scopo di coniugare TMS e acquisizione movimento umano e di analisi. I dati sono presentati con uno studio campione di funzionamento corticale umano durante planare movimento multi-articolare. Gli script software necessari per eseguire l'esperimento sono disponibili per il download.

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Protocollo

NOTA: Il seguente protocollo può essere applicata ad una varietà di esperimenti. Di seguito sono riportati i dettagli riguardanti un esperimento che coinvolge un braccio compito di raggiungere guidato visivamente ad uno dei sei obiettivi spaziali visualizzate sul monitor di un computer. TMS, per sondare eccitabilità corticospinale, viene attivato da entrambi i segnali analogici che emergono dal movimento (ad esempio, EMG o ingresso elettrogoniometro) segnali digitali generati dal software di acquisizione dati basato spazzata-o. Questo studio è stato approvato dal Comitato Etico McMaster di ricerca in accordo con la Dichiarazione di Helsinki. Viene fornito un set di dati campione.

Requisiti 1. hardware / software

NOTA: Figura 1 mostra uno schema del requisiti hardware per integrare sistemi TMS e motion capture nel contesto di un esperimento visuo-motore controllato da computer.

1. Equipaggiare due computer desktop con porte seriali e parallele (se non già disponibile). Equipaggiare PC 1 (Figura 1) con software di acquisizione dati basato spazzata-e PC 2 con un programma visivo software di consegna stimolo.
2. L'operatività del software
   1. Analog interno / Digital Box (una scatola / D) Operazioni
      NOTA: Le seguenti operazioni forniscono informazioni ai lettori se vogliono creare un programma simile se stessi. Questi passi non sono essenziali per eseguire l'esperimento, come l'esperimento può semplicemente utilizzare il software fornito dagli autori, ma le linee guida vengono forniti per consentire agli utenti di creare il proprio software.
      1. Creare un file sequenziatore all'interno del software di acquisizione dati basato spazzata-(vedere 'file sequenziatore' esempio (in Informazioni supplementari 2) da eseguire su PC 1.
         NOTA: Un esempio di operazioni per creare un file sequenziatore utilizzando il software di acquisizione dati basato spazzare in questo esperimento sono disponibili all'indirizzo http://ced.co.uk/products/signal#script.
         NOTE: Questo file agisce per fornire tutte le sincronizzazione precisa richiesto come la sequenza esegue in parallelo con l'acquisizione dati effettivi e consente flessibilità con tempi sincrona di trigger esterni. Le variazioni di criteri di attivazione esterni possono essere eseguite nella finestra di dialogo di configurazione che è cresciuto durante l'esecuzione dello script (vedere la sezione "Prove sperimentali" per maggiori dettagli e "Sequencer file" schermata).
      2. Creare subroutine separato all'interno del file sequencer per controllare la generazione spunto uditivo e il criterio di attivazione TMS. Hanno il controllo una subroutine lo spunto uditiva in base agli ingressi del software di visualizzazione stimolo visivo. Inoltre, avere un controllo subroutine TMS trigger basa su input provenienti da un ingresso analogico al box A / D.
         NOTA: Un esempio di come le subroutine separata sono contenuti all'interno di un file sequenziatore viene fornito nei prospetti supplementari (file di script e sequencer). Fare riferimento a 1.2.1.1 per un ulteriore supporto sito webspecifici del sistema software utilizzato in questa dimostrazione. Questo set-up permette la generazione spunto uditiva a verificarsi in parallelo con i test per i criteri di attivazione TMS.
      3. Creare linee di codice nel file sequenziatore che chiama le subroutine (descritti in 1.2.1.2). Avere ogni funzione subroutine tale che attendere l'arrivo di ingressi dalle loro fonti (cioè, il software di visualizzazione visiva stimolo cue uditivo e ingresso analogico per grilletto TMS).
   2. Collegamento e comunicazione tra il sistema di motion capture elettromagnetico a spazzare basati su software di acquisizione dati
      1. Per ottenere il sistema di motion capture elettromagnetica per generare continuamente i dati, generare linee di codice nel file di script del software di acquisizione dati basato spazzata a uscita una serie di comandi per la motion capture elettromagnetica tramite la connessione seriale (questi comandi devono essere trovati in manuale elettromagnetica del sistema di motion capture).Questi comandi si trovano nel file di script scaricabile (script_file.sgs, vedere le linee 88-114 e 635-650).
      2. Creare linee di codice per avere il file di script aggiungere i dati di motion capture per ogni scansione di prova. Successivamente, ha lo script passare i dati di motion capture tramite una connessione seriale dal PC 1 al software di consegna stimolo visivo (PC 2) per controllare la posizione del cursore a croce sul monitor del PC 2.
         NOTA: Questa sequenza di eventi permette la cattura del movimento elettromagnetico per generare dati ASCII continuo, ed i dati vengono letti dalla linea seriale.
      3. Al termine di un esperimento, creare linee di codice per avere comandi file script send per spegnere il motion capture uscita dati sistema elettromagnetico. Per farlo, hanno il software di acquisizione dati basato spazzata-inviare righe di testo in possesso di un numero di sensore seguito da sei valori di coordinate (vedi script_file.sgs per i codici di comando utilizzati per questa dimostrazione, in particolare le linee 88 a 114 e 653 al 658).
         NOTA: Per ulteriori informazioni su questi comandi sono anche disponibili sul sito sistema di motion capture elettromagnetica (punto 1.2.1.1).
         NOTA: Prima di estrarre i valori numerici, hanno la stringa "puro" perché se la coordinata è negativo, potrebbe non essere separato dal numero precedente per gli eventuali spazi.
   3. Software di acquisizione dati basato Sweep a stimoli visivi comunicazione software di consegna
      1. Set-up tre canali separati di comunicazione tra il software di acquisizione dati basato spazzata e il software di consegna stimolo visivo.
      2. Set-up di due linee seriali utilizzate per trasportare i dati di testo in entrambe le direzioni tra PC 1 e PC 2. A tal fine, collegare un cavo seriale tra PC 1 e PC 2 (ogni linea seriale essere unidirezionale tra ogni PC, Figura 1).
      3. Collegare PC 2 alla casella A / D. Per fare questo, creare, o di acquisto, un cavo che ha un porta LPT su un end ed un connettore BNC maschio sull'altra estremità. Collegare la porta LPT a PC 2 e collegare la connessione BNC per l'ingresso trigger sulla scatola A / D.
         NOTA: Questo collegamento permette la linea di trasporto di un impulso generato dalla porta LPT1 del sistema software di consegna stimolo visivo all'ingresso scatola grilletto A / D (cioè PC 2, figura 1.).
         NOTA: Il segnale TTL assicura tempi precisi di inizio dello sweep acquisizione dati in sincronia con le operazioni software visivi consegna stimolo, mentre le linee seriali trasferiti per tutte le altre informazioni.
         NOTA: Assicurarsi di utilizzare effettivamente le schede PCI-Express LPT e COM porta installati sul PC con il software di consegna stimolo visivo. Questo set-up permette al software di lavorare con successo e che è fortemente raccomandato. Le comunicazioni visive software di consegna di stimolo, in corso ad un livello basso per evitare eventuali ritardi, in genere non funzionano in modo affidabile il simulata LPT e hardware porta COM providcato dal dongle USB.
      4. Impostare i valori di durata di prova a 20 ms nel file software visivo consegna stimolo, come valori molto più breve o più lungo di 20 ms causa problemi. Risorse su come completare questo processo si possono trovare al seguente sito: https://www.neurobs.com/menu_support/menu_help_resources/overview. Vedi linee 39-46 nel file scenario previsto nei documenti complementari (file di scenario di presentazione).
         NOTA: Dal momento che le operazioni software visivi consegna stimolo sono strettamente legati alla generazione dell'immagine, e nella nostra esperienza le comunicazioni seriali non si sono comportati come previsto, a meno che la durata di prova impostato nella funzione di prova era adatto (ad esempio, di 20 ms.).
      5. Creare protocolli di comunicazione per scambiare informazioni tra il software di acquisizione dati basati spazzata e il software di consegna stimolo visivo.
         NOTA: Le sezioni 1.2.3.7 a 1.2.3.11 descrivono come questo è completato. Vedere le risorse previste al punto 1.2.1.1e 1.2.3.5 per un ulteriore supporto per il software di acquisizione dati basato spazzata e il software di consegna stimolo visivo, rispettivamente.
      6. Per il software di acquisizione dati basato spazzata-alla consegna stimoli direzione di software visivi, creare linee di codice nel software di acquisizione dati basato spazzata a inviare due forme di informazione; numeri di prova per avviare e interrompere un processo, e le posizioni mirino del cursore. Avere il software di acquisizione dati basato spazzata-inviare tutte le informazioni come righe di testo terminate da un avanzamento riga. Vedi linee 700-708 nel file di script segnale di come questo è stato completato.
      7. Per il software di consegna stimolo visivo per distinguere due tipi di informazioni, impostare il carattere iniziale per essere uno 0 o un 1 seguito da uno o due numeri a seconda del tipo di informazioni, con tutti i valori separati da spazi. Il software di consegna stimolo visivo non avrà difficoltà nel trattare con queste informazioni. Vedi linee 89-153 del file scenario per vedere how questa operazione è stata completata entro il software di consegna stimolo visivo.
      8. Nel software di consegna stimolo visivo per spazzare basata direzione software di acquisizione dati, creare linee di codice dal software di consegna stimolo visivo che emette valori interi singoli, da 0 a 9, da inviare al software di acquisizione dati basati spolvero come singolo ASCII caratteri '0' a '9' seguito da un avanzamento riga. Vedi linee 82 e 87 del file scenario per determinare come questa operazione viene completata.
      9. Creare linee di codice all'interno del software di consegna stimolo visivo per l'invio di valori di 0 e 1 per restituire informazioni al sistema di acquisizione dati basato spazzata-per quanto riguarda se il partecipante aveva colpito la posizione di destinazione. Vedi linee 72 a 80 e da 154 a 220 nel file scenario per determinare come questa operazione viene completata.
      10. Creare linee di codice del software di consegna stimolo visivo per inviare informazioni riguardanti il messaggio di fine prova (ie ., se l'obiettivo è stato "colpito" o no) per la base spazzata acquisizione dati software.See le stesse linee di codice nel file di scenario fornite nel passaggio 1.2.3.10.
   4. Sequenza di operazioni all'interno di un processo
      1. Set-up la sequenza di una prova così che l'esecuzione di un processo viene condiviso tra il software di acquisizione dati basati spazzata e il software di consegna stimolo visivo, con il software di acquisizione dati basati spazzata-essere 'responsabile' della sequenza complessiva.
      2. Mettere il software di acquisizione dati basato spazzata-in controllo di esperimento sequenziamento perché il software di acquisizione dati basato spazzata-genera il file di dati reali che devono essere annotati con dettagli di prova e, quindi, è necessaria meno comunicazione.
      3. Set-up lo script in modo che la sequenza delle operazioni inizia con il software di acquisizione dati basato spazzata-selezionando l'impostazione prova successiva (posizione di destinazione e tipo di trigger TMS). Vedi linee 335-345, e loop corrispondenti descritte all'interno di queste linee, nel file di script per capire come completare queste operazioni.
         NOTA: Le anse sono contenute anche all'interno del file di script.
      4. Successivamente, hanno i parametri impostati software di acquisizione dati basato spazzata-nella scatola A / D che controlla il tipo di trigger TMS e altri aspetti del processo. Per fare ciò, hanno il software di acquisizione dati basato spazzata-iniziare la raccolta dei dati in modo che la casella A / D è in attesa di un trigger spazzata dal software di consegna stimolo visivo, e notifica il software di consegna stimolo visivo oltre la linea seriale del numero di destinazione (1 a 7) utilizzato, che provoca il software di consegna stimolo visivo per avviare un processo (es., tramite impulsi TTL). Vedi linee 180-303 dello script segnale per capire come completare questa operazione.
      5. Dopo aver completato la fase di cui sopra, hanno il software di acquisizione dati basato attesa spolvero per il completamento della raccolta di un sweep dei dati da parte della scatola di A / D, e aggiungere eventuali dati di posizione che riceve dal sistema di motion capture elettromagnetica per i dati campionati. Vedi linee 117-178 e 661-697 del file di script per informazioni su come completare questa operazione.
      6. Set-up il software di consegna stimolo visivo per monitorare la posizione del cursore a croce soggetto controllato. Set-up il software di consegna stimolo visivo per spostare il bersaglio alla posizione specificata e generare un impulso TTL sulla porta LPT1 dopo il cursore si trova all'interno della posizione iniziale per un determinato periodo di tempo (definito nel software visivo consegna stimolo). Vedi linee 89-232 nel file scenario di come completare questo passaggio.
      7. Creare linee di codice che rende il software visivo consegna stimolo invia un impulso TTL per attivare l'A / D scatola acquisizione dati e, quindi, avviare il processo di temporizzazione all'interno della scatola A / D. Vedi linee 222-232 del file scenario su come completare questo passaggio.
      8. Allo stesso tempo, hanno la visualestimolo file scenario software di consegna iniziare un ritardo dopo il quale si muoverà il bersaglio alla posizione specificata e iniziare il monitoraggio il mirino guardare per esso 'colpire' il bersaglio (es., rimanendo sul bersaglio per un determinato periodo). Set-up del software visivo consegna stimolo quale che continua questo monitoraggio della posizione del cursore a croce fino a quando il software di acquisizione dati basato spazzata-informa il software di consegna stimolo visivo di completamento dello studio.
         NOTA: Queste operazioni sono sulla stessa riga di codice nel file di scenario fornite in passi 1.2.4.6 e 1.2.4.7.
      9. All'interno della scatola di A / D, creare un ritardo di tempo. Per un periodo determinato, in esecuzione fino alla fine del ritardo, hanno i software del monitor due segnali EMG (NOTA: potrebbe essere qualsiasi segnale analogico) per verificare che siano di bassa ampiezza (questo valore di ampiezza è definito dall'utente). Gli autori raccomandano ampiezza EMG di +/- 100 mV o ~ 1% della massima attivazione volontaria a partecipanti. Vedi linee 45-75 nel file sequenziatore per completare questa operazione.
      10. Creare linee di codice che rende l'inizio di questo tranquillo periodo di monitoraggio EMG segnato da una scatola-generated A / D marcatore digitale con codice 1. Inoltre, se viene rilevato un segnale 'non tranquillo' EMG, non consentono ulteriori A / uscite casella D (ad es., segnale acustico o TMS trigger) essere generati durante il processo. Impostare un comando nel software tale che se è presente un segnale 'non-quiet' EMG, il processo si ripete. Vedi le linee di cui al punto 1.2.4.9, più linee da 118 a 124 del file sequenziatore e linee 347-420 del file di script per queste operazioni.
      11. Al termine del ritardo, e dopo la registrazione di segnali EMG silenziose, hanno la casella A / D generare un impulso di uscita DAC 0 (in questo set-up, l'uscita del DAC provoca un 'beep' udibile). Avere una scatola di A / D generate da punto di dati digitali segnare l'ora di inizio del 'bip' con 'codice 2' Vedi linee 126-138 del file sequenziatore per capire comeper completare l'operazione.
      12. Set-up lo script nel software di acquisizione dati basato spazzata da avere la scatola A / D monitorare il tempo di scansione e segnali in entrata, e generare un trigger TMS in base ai criteri appropriati. Creare linee di codice in modo che un 'codice 3' punto dati digitali scandisce il tempo di questo trigger TMS (se si verifica). Vedi linee 77-116 del file sequenziatore di capire come completare questa operazione.
      13. Avere il periodo di attesa, per le condizioni di trigger adeguate, continuerà fino a quando un determinato periodo prima della fine dello sweep.
          NOTA: Questo impedisce il processo si verifichi infinitamente se un criterio non sia soddisfatto. Vedere le linee 65-76 e 118-138 nel file sequenziatore di capire come completare questa operazione.
      14. Set-up il software di acquisizione dati basati spazzata da rilevare il completamento del / D raccolta dati casella A e comunicano lo stimolo visivo software consegna che il processo è finito. Vedi linee 180-303 del file di script per capirecome completare questo passaggio.
      15. Quando il software di consegna stimolo visivo viene notificato che il processo è finito, che il software visivo consegna stimolo tornare l'obiettivo alla posizione iniziale e inviare le informazioni al software di acquisizione dati basato spazzata-per quanto riguarda se il partecipante 'colpito' il bersaglio. Avere il software di acquisizione dati basato spazzata-"tag" la cornice neo-campione di dati se il partecipante non ha 'colpito' il bersaglio ,. Vedi linee 89-221 del file scenario di come completare questa operazione.
      16. Set-up script nel software di acquisizione dati basati spazzata-attendere un ritardo post-processo e alla fine di questo ritardo, avere il ritorno processo al passo 1 e scartare i dati campionati e ripetendo l'ultima prova se la sweep- basato su software di acquisizione dei dati non ha innescato TMS, o spostare sulla prova successiva se era tutto 'OK'. Vedi linee 180-303 e corrispondente loop nel file di script per capire come completare questofunzionamento.
          NOTA: Il software di acquisizione dati basati spazzare e il software utilizzato macchine a stati di consegna stimolo visivo per controllare la sequenza di operazioni necessarie perché ha permesso per una facile regolazione del comportamento sperimentale, a seconda delle necessità.
3. Posizionare i sensori su punti di riferimento ossei per acquisire i dati di motion capture. Per raccogliere i dati relativi ad armare la postura, sensori posto sul tronco (soprasternale), spalla (acromion), gomito (8 mm superiori alla epicondilo laterale), e del polso (tra le ossa semilunare e capitate sul dorso della mano e in linea con la cifra ³ °), come da raccomandazioni per monitorare centri congiunti di rotazione con sensori minime. ¹⁰

Figura 1. Hardware Set-up. Per consentire per i dati di motion capture elettromagnetici da inviare alla spazzatabasata su software di acquisizione dati e il software di consegna stimolo visivo, prima assemblare i 4 sensori elettromagnetici con console del sistema. Collegare console del sistema al PC 1 con un cavo seriale a 9 pin. Collegare il PC al PC 1 2 con un cavo seriale a 9 pin. Per consentire la consegna TMS, collegare il PC con la casella 1 / D con un cavo USB e collegare un cavo BNC tra la scatola A / D e l'unità TMS. Per consentire per la registrazione EMG, collegare il EMG conduce al finale EMG e collegare l'amplificatore EMG a scatola A / D tramite cavi BNC. Collegare il elettrogoniometro (Elgon) alla scatola di A / D tramite un cavo BNC per registrare variazioni dell'angolo congiunti in linea. Per consentire il software di consegna stimolo visivo per innescare l'inizio processo, collegare il PC 2 all'ingresso scatola grilletto A / D tramite una porta LPT a cavo BNC. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

4. Hardware per la connettivitàdurante l'esperimento (Figura 1)
   1. Collegare il sistema di motion capture elettromagnetico per il PC che esegue il software di acquisizione dati basato spazzata-con cavi seriali 9 pin.
   2. Hanno coordinare la scatola acquisizione dati consegna TMS e registrazione dei dati motion capture ecc Questo avviene tutte le operazione suddetta contenute nei file script e sequencer. Collegare scatola A / D tramite un cavo USB al PC 1 e un BNC parallelo cavo dalla scatola di ingresso di trigger A / D per PC 2.
   3. Collegare il EMG conduce in filtro EMG (passa-banda impostata su 20 e 2.500 Hz) e amplificatore (guadagno x1,000) per la raccolta di attività EMG e uscita corticospinale misurata come potenziali evocati motori (MEP).
   4. Collegare il Monofasica Transcranica Magnetica stimolatore alle uscite digitali appropriato contenitore di acquisizione dati (Uscita digitale '0' in questo esperimento) per consentire al software di acquisizione dati basato su spazzata-PC1 per attivare gli impulsi TMS durante l'esperimento. li>
   5. Collegare un elettrogoniometro alla casella di acquisizione dei dati sul canale analogico 2. Questo collegamento permette di software di acquisizione dati basato spazzata-per attivare TMS basato su angolo della spalla utilizzando il software fornito dagli autori.
   6. Costruire o acquistare un dispositivo braccio rinforzo che sostiene il braccio contro la gravità. Questo dispositivo consente movimenti planari sul piano orizzontale (vedere Figura 2). Se la costruzione del dispositivo, ad esempio il disegno è disponibile su richiesta presso l'autore corrispondente. La Figura 2 mostra una foto del dispositivo utilizzato nella dimostrazione.

Figura 2. Braccio dispositivo di rinforzo. Rappresentato partecipa posto nel braccio dispositivo rinforzo, mentre una bobina TMS è posto sul cuoio capelluto del partecipante.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Esperimento Set-up

1. Misure antropometriche
   1. Registrare la massa corporea totale del partecipante utilizzando una scala.
   2. Misurare la lunghezza di tutti i segmenti per l'analisi cinematica e cinetica. Ad esempio, in questa applicazione con il braccio, misurare la lunghezza della mano, avambraccio e braccio con un nastro di misurazione.
   3. Calcola misure antropometriche, come ad esempio il centro segmento di massa, il centro del segmento di posizione di massa, e il raggio di rotazione utilizzando le equazioni di letteratura di ricerca. ^9,12,13 (Vedi Informazioni supplementari 1).
2. EMG set-up
   1. Preparare la pelle sopra il muscolo (s) di interesse con un gel abrasivo leggero e pulire con alcol. Controllare l'impedenza con un misuratore di impedenza. Verificare che l'impedenza pelle-elettrodo è inferiore a 10 k per migliorare il segnale EMG acquisizione.
   2. Inserire due elettrodi sul ventre muscolare dei muscoli di interesse in un montaggio bipolare. Gli autori dirigono il lettore di risorse per aiutare con il posizionamento EMG. ² Per questo esperimento, posto gli elettrodi sul bicipite brachiale, tricipite brachiale, pettorale, deltoide posteriore, e brachioradiale.
   3. Utilizzando cavi BNC, collegare le uscite dall'amplificatore EMG ai canali analogici 0, 1, 3, 4, e 5 (per questo esperimento specifico, quei canali relativi a quelli utilizzati negli script scaricabili) sulla scatola A / D.
3. TMS
   1. Calibrare la bobina TMS al partecipante utilizzando un programma software di neuro-navigazione, come descritto nel manuale del software.
      NOTA: Altri metodi possono essere utilizzati per calibrare posizione bobina cuoio della persona, ma si raccomanda di utilizzare un programma software di neuro-navigazione.
   2. Individuare hotspot motore. Come un punto di partenza, posizionare la bobina sulla controlaterale luimisphere del braccio / mano in fase di studio e 5 cm lateralmente al vertice di dare una posizione approssimativa di mano la zona / braccio della corteccia motoria primaria. Individuare il vertice con il sistema di posizionamento degli elettrodi 10-20 elettroencefalografia internazionale.
   3. Posizionare la bobina TMS piatta sulla testa del partecipante e orientare la bobina tale che è di 45 ° rispetto al piano sagittale. Questo posizionamento indurrà un latero-posteriore di corrente monofase medio-anteriore nella corteccia.
   4. Iniziando ~ 30% della potenza massima stimolatore (MSO) inviare impulsi TMS con un intervallo inter-stimolo 6 sec o superiore, come descritto nel software di acquisizione dati basati spazzata-.
   5. Spostare la bobina TMS leggermente diverse posizioni con piccoli cambiamenti nell'orientamento fino a quando un deputato europeo si osserva nel muscolo di interesse.
   6. Determinare la MSO che produce deputati del ~ 1 mV nel muscolo bersaglio. Utilizzare il software neuronavigazione per registrare digitalmente questa posizione. Ripeterequesta procedura per ciascun muscolo per i quali è richiesto un hotspot motore per l'esperimento.
   7. Determinare la soglia motoria riposo (RMT) partendo con l'intensità che produce il più affidabile ~ 1 mV MEP nel muscolo di interesse, fornendo impulsi singoli TMS e registrando il picco a picco di ampiezza MEP linea.
   8. Determinare la MSO per cui l'ampiezza picco-picco del MEP è ≥ 50 mV a 5 su 10 prove consecutive. ^3,11
      NOTA: Per essere coerente con la letteratura precedente, ^1,3 verificare che l'eurodeputato è registrata da un monopolare montaggio EMG.
4. Prove sperimentali
   1. Avviare l'esperimento eseguendo il programma visivo software di consegna stimolo prima (es., File di scenario). Avvio del programma visivo software di consegna stimolo prima permette al software di cominciare a leggere i dati di motion capture elettromagnetiche e lasciarlo sensore cattura un movimento per controllare uncursore sullo schermo.
   2. Eseguire il 'file di script' per le prove sperimentali nella software di acquisizione dati basato spazzata-. Questo file di script legge il 'file sequenziatore' che fornisce trigger esterne, basato sul tipo di processo.
   3. Ingresso desiderava informazioni nella finestra di dialogo di configurazione che si apre. Passi, 2.4.4 a 2.4.11 tutte riguardano la finestra di configurazione.
   4. Immettere il valore "1" nel "set di stimolo nel blocco randomizzazione" scatola. Questo valore controlla il numero di volte che un tipo di prova è eseguita in un blocco.
   5. Immettere il valore "20" in "blocchi di randomizzazione nell'esperimento" scatola. Questo valore controlla il numero di blocchi che verranno eseguite in un esperimento.
   6. Immettere il valore "20" nella casella "beep durata dell'impulso". Questo valore controlla la lunghezza del tempo dell'uscita DAC e quindi, per quanto tempo l'impulso acustico è "a".
      NOTA: Modificare questo valore per aumentare la lunghezza deltono uditivo è presente.
   7. Immettere il valore "5" nella casella "ampiezza dell'impulso beep". Questo valore controlla l'ampiezza in Volt dell'uscita DAC e quindi, il "volume" dell'impulso beep.
   8. Immettere il valore "100" nella casella "Ritardo BIP innesco a tempo". Questo valore determina l'intervallo in ms tra uditivo spunto "go" e l'uscita digitale (es., TMS grilletto 1).
   9. Immettere il valore "0.1" nella casella "EMG livello di soglia di trigger". Questo valore determina l'ampiezza di EMG in volt necessari per attivare l'uscita digitale (es., TMS grilletto 2). Sono state adottate queste misure su segnali EMG non rettificati.
   10. Immettere il valore "0.242" nella casella "Angolo livello di soglia di trigger". Questo valore determina il valore di soglia in volt letti dal elettrogoniometro per attivare l'uscita digitale (es., TMS grilletto 3).
       NOTA: questo valore dipende dalla taratura delil elettrogoniometro. Qualora l'utente input valore di tensione corrispondente ad una soglia giunto angolare che suscitare un impulso TMS.
   11. Immettere valore "1" (cioè., 1 sec) nella casella "ritardo di post-processo". Questo valore determina l'intervallo di prova tra.
       NOTA: Ulteriori informazioni su ciascuna funzione si trovano nello script o su richiesta da parte degli autori.
   12. Avviare lo script una volta tutto è pronto per quanto riguarda il partecipante, TMS, e programma di visualizzazione stimolo visivo.
   13. Dopo questo passo, osservare il funzionamento del software da solo senza alcun / o con l'input minimo da parte dell'utente.
       NOTA: Uno studio esempio inizia con il partecipante posizionando il cursore sul target posizione iniziale. Viene visualizzata la nuova posizione target visivo e partecipante si muove a questo obiettivo, una volta uditiva 'go' cue avviene tramite un digitale ad analogico di uscita sul box di acquisizione dei dati.
   14. Dopo aver consegnato la stecca, chiedere ai partecipanti di spostare il cursore del tArget. Dopo aver raggiunto la posizione di destinazione utilizzando il cursore, osservare la posizione di casa e iniziare la prova successiva posizionando indietro il cursore nella posizione di partenza.
       NOTA: Ecco l'esempio di TMS essere innescata dallo script. Assicurarsi che l'individuo è nella loro posizione iniziale. Rispettare la posizione target visivo e istruire il partecipante per spostare il cursore su questa destinazione. Attivare la TMS per verificarsi a 100 ms dopo la uditiva 'go' stecca. L'individuo mantiene il cursore nella posizione di destinazione per 1 sec. L'individuo poi ritorna nella posizione di riposo in attesa della prova successiva.
   15. Assicurarsi che il cursore si trova nella posizione di riposo. Rispettare la posizione target visivo e istruire il partecipante per spostare il cursore nella posizione di destinazione. Attivare la TMS per verificarsi a 100 ms dopo la uditiva 'go' stecca. Istruire l'individuo a mantenere il cursore nella posizione di destinazione per 1 sec. Chiedi l'individuo a riportare il cursore alla posizione di partenza in attesa della prova successiva.
       NOTA: In questo esempio, il segnale analogico innesca la TMS. In particolare, in questo esempio, l'EMG innesca l'impulso TMS. L'esperimento ha 21 condizioni: 7 Condizioni target x 3 diversi momenti in cui un impulso TMS viene attivato (ad esempio, trigger 1, 2, Trigger di trigger 3.). In questo esempio, impulsi TMS sono attivati ​​in base ad eventi digitali o analogici di innesco eventi esterni quali EMG o ingresso elettrogoniometro. Questi eventi digitali o analogici possono essere modificati dall'utente cambiando le sequenze e file script. La durata totale approssimativa di esperimento di 3 a 4 ore.

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Risultati

La figura 3 mostra i risultati di un singolo trial. In questo studio, la figura 3A mostra la posizione iniziale del partecipante e, dopo un uditivo 'go' cue, il partecipante trasferisce più rapidamente e accuratamente possibile al bersaglio (cioè., La posizione finale). Il software di acquisizione dati basato spazzata-ha innescato un impulso TMS basato su EMG insorgenza nel muscolo bicipite brachiale. Ciò ha permesso la misura della p...

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Discussione

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...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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