この作品は、NIHの助成金P20のGM109098、NSFとWVU ADVANCEスポンサーシッププログラム（VG）、およびWVU部門スタートアップ資金によってサポートされていました。

実験に関わるすべての参加者は、ウェストバージニア大学施設内倫理委員会（IRB）により承認インフォームドコンセントの手続きを経ます。 1.システム全体の特性、設計、および一般的実験タスク注：完全なセットアップは、次の主要コンポーネントで構成されていますEMG機器や関連するデジタル集録（DAQ）機器;モーションキャプチャシステム（このプロトコルは、アクティブLEDシステムを組み込みました）。 8の字コイルと定位ローカライズ機器とのTMS部と、 VRヘッドセットと関連するコンピュータとソフトウェア;カスタム同期回路。 図1は、プロトコルコンポーネント間の接続の概要を説明します。 <ol><li>システムコンポーネントの接続<ol><li>メインアンプにEMGプリアンプを接続します。 </li><li> DAQ記録装置入力BNCを使用してブロックまたは類似の接続にEMGアンプの出力を接続しますション。 </li><li>データ収集スクリプト（補足ファイル）を実行します専用のコンピュータにDAQの録音機器を接続します。 </li><li> （詳細については、次のセクションを参照）、カスタム回路部にVR制御コンピュータのパラレル出力を接続します。 </li><li> EMG信号の接続と一緒にDAQの記録ブロックにカスタム回路からの出力をトリガ同期とモーションキャプチャを接続します。 </li><li>スプリットモーションキャプチャ・トリガとEMG DAQ機器の「アナログ入力スタート」ポートだけでなく、モーションキャプチャ装置を制御するコンピュータ上のトリガ接続に接続します。 注：記載された装置（モーションキャプチャとEMG）に対するそれぞれのデータ収集の流れの始まりの間の時間差は160〜190ミリ秒の範囲であることができます。この時間差は、このプロトコルに記載された同期回路の設計を動機付け、おそらくこれらの2つのシステム間でソフトウェアとハ​​ードウェアの違いによって引き起こされます。 </li> &lt;TMSコントロールユニットのBNC入力トリガにLI&gt;カスタム回路部に接続TMSトリガーポート。 </li><li>ベンダー提供のソフトウェアおよび物理的なネットワーク接続を使用してVRとモーションキャプチャコンピュータ間のネットワーク接続を確立します。 </li><li> VRコンピュータにVRヘッドセットを接続し、参加者に仮想環境を表示するスクリプト/プログラムと操作性を確保します。 </li></ol></li></ol><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig1.jpg" /> 図1：全体のセットアップの接続このレイアウトは、我々のシステムの構成要素間の一般的な接続を示しています。同期回路は、より詳細には、テキストの他の箇所に記載されています。青色のトレースは、モーションキャプチャおよびEMGデータストリームの両方を起動信号に対応します。このイベントは、このプロトコルで説明した装置を使用して、最大190ミリ秒の時間遅延の原因です。赤のトレースは、VR-開始synchronizatに対応同時にモーションキャプチャとEMGシステムによって記録され、その後、各データストリームの時間的な位置合わせに使用されるイオンイベント。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52906/52906fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 2.システム統合と同期の一般的な詳細注意：このプロトコルにおける別個のデータ収集システム（モーションキャプチャ及びEMG）の同期は、全ての記録ストリームに共通のイベント信号を使用することにより達成されます。一般的なイベントを使用して、すべての信号は、時間的に（上向きにこのプロトコルで装置を使用して190ミリ秒の）実時間記録の不一致を最小限にするために、データ収集後に再調整することができます。このプロトコルでは、一般的な信号は、パラレルポート信号としてVRシステムに由来します。コモン信号は、別のデータの同期を可能とする回路にルーティングされますEMG信号を、同時にLEDモーションキャプチャをオフにすることで、直接記録を介してストリーミングします。回路は、他の場所9記載の回路と同様の電子部品を構築するための基本的なツールや技術を用いて構築されます。 <ol><li>デザイン、レイアウト、および同期回路の構成<ol><li>機器制御ユニットの任意のアナログのTTLベースのトリガーメカニズム（例えば、TMS、モーションキャプチャ）を特定し、そのようなTTLパルス方向（正/負）と振幅などの要件をトリガーに精通。アナログトリガメカニズムは、多くの場合、接続コンポーネントを簡単に共通の「BNC」の同軸コネクタを有します。 </li><li>信号同期のために使用するモーションキャプチャシステムに追加のLEDを追加します。ルート同期回路を介してLEDのワイヤ（ 図3）。 </li><li> （ すなわち 、抵抗、静電容量）TURするために必要な電気部品のパラメータを決定しますnは特定の時間のLED同期をオフにします。 T = 1.1 * R1 * C1：回路の同期LEDは、式ではオフになっていた時間の量を表示して下さい。この時間は、実験的な運動の平均持続時間未満であることが示唆されます。例えば、現在の実験は、それぞれ、約1メガオーム一マイクロファラッド定格抵抗とコンデンサを必要としました。 </li><li> 図3に示した概略以下の印刷」protoyping」または「プロジェクト」回路基板に電気部品を接着するために、はんだごてを使用して、一般に入手可能なプラスチック製の「プロジェクト」ボックスに、この回路を囲みます。それはおそらく、BNCコネクタは、このボックスに穴を掘削する必要があります。回路は容易にデスクトップコンピュータから5VのUSB電源で駆動することができます。それは、電源線および接地線を分離するためにUSBケーブルを分解する必要があります。バイパスコンデンサは、また、555への電力を調節するために必要とされるかもしれませんチップ（図3には示されていません）。 </li><li>電気部品間の意図しない半田ブリッジ用の回路基板を検査します。見つかった場合、吸着ツー​​ルではんだを削除するか、はんだを加熱し、機械的にブリッジ接続を削除します。 </li></ol></li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig2.jpg" /> 図2：試用フローチャートこのフローチャートは、TMS刺激を含む典型的な実験の試行中に発生した刺激と信号イベントの概要を説明します。裁判を通じて発生するパラレル・ポート・コードは、DB25回路図シンボル（水色）に示されています。 <ol start="2"><li>同期の詳細<ol><li>同様のフローチャートを使用して、 図2の装置の個々の部分は、実験の移動の過程でトリガされるべきときを決定します。他の人が同時にトリガすることができるが、例えば、いくつかの機器は、個別に、トリガすることができます。 </lI&gt; <li>トリガーまたは（ 図2に例えば青色のパラレルポートシンボルを）シグナリングを必要とする時点で、パラレルポートを使用し、VRシステムに組み込むための信号ラインを決定します。これは、運動中に指定された時間に、パラレルポート、二進数字を表す各ラインに数値を送信することによって達成されます。パラレルポートベースのシグナリングの詳細については、議論を参照してください。 </li></ol></li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52906/52906fig3.jpg" /> 図3：同期回路この回路図は、当社の独自の同期回路のレイアウトが表示されます。 NANDゲートのデフォルト出力は、高電圧状態です。この電圧出力は、同期LEDの回路は、ルーティングされるトランジスタのゲートに送られます。このデフォルトの状態が点灯状態でLEDを維持する、回路が閉じてレンダリングします。同期triggeを受信しますRパラレルポート信号（挿入図中赤線）、555デバイスの内部状態は、LED（青色のトレース）を遮断、ハイ状態に出力をレンダリング反転さ。これが発生すると、C1（緑のトレース）の電圧は、LEDを再活性化、555の内部状態をリセット電圧まで構築します。パラレルポート同期トリガ信号を直接TMS入力トリガポートに接続されたBNCコネクタにルーティングされます。注：このトリガ信号の方向は、研究者の特定の機器の要件に応じて（ポジから行く陰性またはその逆に）反転しなければならないことがあります。このトリガ出力の「インバータ」チップの追加が簡単にこのタスクを実行することになる。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52906/52906fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 3.実験方法<ol><li>安全手順とインフォームドコンセント<ol><li> Ensuそのすべての実験手順再治験審査委員会（IRB）によって承認されています。 IRBは、ドキュメントを承認して、すべての手順は、参加者に説明し、インフォームドコンセントを取得。 </li><li>インフォームドコンセントを取得した後、彼らは耳鳴り、てんかんや発作、または発作の上昇リスクに他の条件の家族歴を持っていないように参加者との基本的なTMSの安全審査を実施しています。 </li><li> TMS刺激時には、厳密に聴覚障害を防ぐために保護耳栓を使用する必要があります。 </li></ol></li><li>電コレクション<ol><li>読者の研究の科学的目標に応じて、腕の筋肉は筋電信号を記録する、そこから決定します。調査したこのプロトコルに記載の研究のために、トルクが移動中に、肩と肘で発生します。このように、記録されたEMG信号は、三角筋、胸筋、上腕二頭筋、三頭筋、およびbrachioradとして、これらの2つの関節に作用する主要な表面的な筋肉、からのものでしたialis。 </li><li>一致するコネクタを接続することにより、製造業者の仕様書に従ってアンプ、プリアンプ、センサー線、およびセンサパッドなど、さまざまなEMG機器との間のすべての必要な電気的接続を行ってください。 </li><li>カミソリであり、軽度の研磨剤ゲルを適用することにより、過剰な毛を取り除く、軽くアルコール綿棒でそれを洗浄することにより、各電極部位を準備します。適切な部位の準備には、一貫性の低い電極 - 皮膚インピーダンス値（&lt;10キロオーム）と記録されたEMG信号の高信号対雑音比を確保します。 </li><li>被験者は一般に認められた解剖学的および生体力学的記述10に基づいて、関心の個々の筋肉を分離するために設計されたアイソメトリック収縮を行うことがあります。たとえば、上腕二頭筋を分離するために、肘の課さ拡張に抵抗するために、参加者に依頼してください。 </li><li>被験者は筋肉隔離収縮を行うた後、最も厚い、中央porti以上の差動バイポーラEMG電極を貼ります上、または受け入れられた場所11での各筋の「腹」、。これは、筋線維の最大数のカバレッジを確保し、隣接筋肉間の「クロストーク」を最小限に抑えることができます。 、筋肉に沿って双極電極「最長軸を揃える繊維に平行するようにしてください。 </li><li> （例えばC7の椎骨上の皮膚）機器の仕様に応じてEMGの接地電極を貼付します。 </li><li>録音は、カスタムコンピュータスクリプトによって制御されるDAQ機器を介してEMG信号を増幅しました。現在のプロトコルで使用されるスクリプトは、補助的なファイルとして添付されます。 </li><li> EMGプリアンプにダイヤルを移動することにより、所望のレベルに記録された信号に適用されるゲインを調整します。記録装置（通常は5V）の入力範囲を超えて信号を記録した原因となるゲイン値を避けてください。共通EMG利得値は1,000〜4,000の間です。 </li><li>ステップ3.2.4で行われたものと同様の等尺性収縮を行い、視覚的にEMGのSignaを検査LSは、それらが高品質（ すなわち、高い信号対雑音比）であることを保証します。電極を再配置し、必要に応じて信号利得を変更します。 </li></ol></li><li>モーションキャプチャシステムの準備<ol><li>製造元の指示に従って、ベンダーが提供する命令および装置を使用して、モーショントラッキングカメラのキャリブレーションを行います。 </li><li>テープやその他の包装材を使用して、腕と生体力学モデルの構築に用いられる関心のある他の解剖学的点の関節近くの骨のランドマークにアクティブLEDセンサーを取り付ける：人差し指の末節骨を、半径方向および尺骨茎状突起プロセスが手首で肘、烏口肩峰と肩、胸鎖ノッチ、剣状突起のプロセス、およびC7の棘突起で、肘頭プロセス。仮想環境内のビューポイントを設定したVRヘッドセットに別のLEDを取り付けます。 </li><li>無線ドライバユニットに装着され、ワイヤハーネスに各LEDを接続します。ドライバアンをオンにしますそれと全てのLEDの適切な照明を確保します。 </li><li>離れた被写体から便利な場所にLEDの同期を置きますが、カメラのクリアな視界内。 </li></ol></li><li>経頭蓋磁気刺激定位ローカライゼーション<ol><li>正確なコイルの配置を可能にするために、TMS登録12用に設計されたハードウェアとソフトウェアを調整します。これは、一般に、ナジオン、耳介前点、鼻の先端のような解剖学的ランドマークとの共同登録TMSコイルを必要とします。参加者と刺激コイル間の定位登録は一貫した刺激ローカリゼーションに不可欠です。 </li></ol></li><li> MEPホットスポット局在とMEPのしきい値たプロシージャ<ol><li>刺激8,13,14時の最低閾値と最大振幅のMEPを生成皮質のTMSに敏感な領域を見つけるために、いわゆる「ホットスポット」の技法を実行します。一般的に運動系を研究するための経頭蓋磁気刺激特定の身体の部分（ 例えば、腕 、手）15の移動を制御する皮質領域を刺激することを含みます。 </li><li>較正された定位登録機器および関連ソフトウェアを持つ参加者の頭皮上の理想的な刺激部位の位置を記録します。各場所はソフトウェアで記録された後、同様のMEP応答を探して、スポットを再配置して、再刺激することによって、その正確さを保証します。 </li></ol></li><li>バーチャルリアリティにおける行動タスク<ol><li>実験に使用される行動タスク（例えば到達運動）のパラメータを設計します。現在の研究では、タスクは異なる空間場所に順次配置された仮想ターゲットに到達することです。ターゲットの大きさは、参加者が移動する精度を定義します。参加者は目標のために達するように変化する方向と関節トルクの大きさが誘発されるような動きを設計します。 </li><li>セットアップガイドVR環境製造業者のプロトコルに従って、ヘッドセットとモーショントラッキングシステムと互換性がある商用VRソフトウェアを使用して、行動のタスクを介して被験者。ソフトウェアパッケージの必要な計算リソースおよびプログラミング言語要件に精通。一般的なVRソフトウェアパッケージは、Python、C ++、C＃、およびその他を含む言語でプログラムすることができる能力を持っています。さらに、プログラムのアナログ同期のパラレルポートを介して出力し、興味のある特定のイベントのマーキング（ 図2）。現在の実験では、VRソフトウェアは、タスクの各繰り返しの開始時に、目的のTMS刺激の時間にイベントを出力します。 </li><li>同期回路（ 図3）および/ ​​または一致するコネクタ付きのケーブルを使用して同期する他の機器へのVR出力を接続します。 </li><li> VR行動タスクを実行するために被験者に指示します。現在の研究では、VR環境がありました参加者は、球状のターゲットの配列を見ているヘッドマウントディスプレイを使用して提示。ターゲット（色、 位置など）の外観を変更することによって、VRソフトウェア、プログラムの特定の運動シーケンスを使用し、これらのアクションを持つ参加者を習熟。さらに、他の所望の移動制約の参加者に通知します。例えば、現在の研究の参加者はターゲットに手を伸ばしながら、動きの垂直面内のすべてのアームセグメントを維持するように求めていました。 </li><li>参加者は、実験的な動き、レコードEMGとモーションキャプチャデータ、およびカスタムスクリプトやベンダー提供のソフトウェアパッケージを使用して信号を同期させることに慣れたら。所望の値に、各データ収集システムのサンプリングレートを調整します。さらにに慣れると、このようなモーショントラッキングなどの任意のメーカー固有のパラメータを調整する輝度のLED。 </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preferred+directions+of+arm+movements+are+independent+of+visual+perception+of+spatial+directions.">Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions.</a> Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).</li><li>McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+automatic+is+the+hand&#8217;s+automatic+pilot?+Evidence+from+dual-task+studies.">How automatic is the hand&#8217;s automatic pilot? Evidence from dual-task studies.</a> Exp brain Res. 206 (3), 257-269 (2010).</li><li>Shabbott, B. A., Sainburg, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Learning+a+visuomotor+rotation:+simultaneous+visual+and+proprioceptive+information+is+crucial+for+visuomotor+remapping.">Learning a visuomotor rotation: simultaneous visual and proprioceptive information is crucial for visuomotor remapping.</a> Exp. Brain Res. 203 (1), 75-87 (2010).</li><li>Sarlegna, F. R., Sainburg, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+roles+of+vision+and+proprioception+in+the+planning+of+reaching+movements.">The roles of vision and proprioception in the planning of reaching movements.</a> Adv. Exp. Med. Biol. 629, 317-335 (2009).</li><li>Lillicrap, T. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adapting+to+inversion+of+the+visual+field:+a+new+twist+on+an+old+problem.">Adapting to inversion of the visual field: a new twist on an old problem.</a> Exp. brain Res. 228 (3), 327-339 (2013).</li><li>Saposnik, G., Levin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+reality+in+stroke+rehabilitation:+a+meta-analysis+and+implications+for+clinicians.">Virtual reality in stroke rehabilitation: a meta-analysis and implications for clinicians.</a> Stroke. 42 (5), 1380-1386 (2011).</li><li>Robles-Garc&#237;a, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motor+facilitation+during+real-time+movement+imitation+in+Parkinson&#8217;s+disease:+a+virtual+reality+study.">Motor facilitation during real-time movement imitation in Parkinson&#8217;s disease: a virtual reality study.</a> Parkinsonism Relat. Disord. 19 (12), 1123-1129 (2013).</li><li>Gritsenko, V., Kalaska, J. F., Cisek, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Descending+corticospinal+control+of+intersegmental+dynamics.">Descending corticospinal control of intersegmental dynamics.</a> J. Neurosci. 31 (33), 11968-11979 (2011).</li><li>Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+construction+of+a+cost+effective+headstage+for+simultaneous+neural+stimulation+and+recording+in+the+water+maze.">Design and construction of a cost effective headstage for simultaneous neural stimulation and recording in the water maze.</a> J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).</li><li>Kendall, F. P., McCreary, E. K., Provance, P. G., Rodgers, M., Romani, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Muscles: Testing and Function With Posture and Pain. , (2005).</li><li>Barbero, M., Merletti, R., Rainoldi, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atlas+of+Muscle+Innervation+Zones:+Understanding+Surface+Electromyography+and+Its+Applications.">Atlas of Muscle Innervation Zones: Understanding Surface Electromyography and Its Applications.</a> Springer-Verlag Mailand. , (2012).</li><li>Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transcranial+magnetic+stimulation+for+investigating+causal+brain-behavioral+relationships+and+their+time+course.">Transcranial magnetic stimulation for investigating causal brain-behavioral relationships and their time course.</a> J. Vis. Exp. (89), (2014).</li><li>Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Utilizing+transcranial+magnetic+stimulation+to+study+the+human+neuromuscular+system.">Utilizing transcranial magnetic stimulation to study the human neuromuscular system.</a> J. Vis. Exp. (59), e3387 (2012).</li><li>Rogers, J., Watkins, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulating+the+lip+motor+cortex+with+transcranial+magnetic+stimulation.">Stimulating the lip motor cortex with transcranial magnetic stimulation.</a> J. Vis. Exp. (88), e51665 (2014).</li><li>Ellaway, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Variability+in+the+amplitude+of+skeletal+muscle+responses+to+magnetic+stimulation+of+the+motor+cortex+in+man.">Variability in the amplitude of skeletal muscle responses to magnetic stimulation of the motor cortex in man.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. Mot. Control. 109 (2), 104-113 (1998).</li></ol>

The authors have no conflicts of interest to declare.

この記事の目的は、人間の動きの研究と様々なデータストリームを同期させる方法にVRを組み込むための方法を記述することです。バーチャルリアリティは、実験室の設定で、実世界の動きのシナリオを再作成しようとする研究者の能力を拡大していきます。他の神経筋記録と刺激の方法論でVRを組み合わせることにより、総合的に人間の運動制御メカニズムを研究するための強力なツールス...

バーチャルリアリティ（VR）は、急速に人間の動きの研究を含め、多数のフィールドで使用するためのアクセス可能な研究ツールになってきています。上肢運動の研究では、特にVRを組み込むことによって恩恵を受けています。バーチャルリアリティは、腕の動きの制御の具体的な運動学的特徴と動的特徴を調査するために設計された実験パラメータの迅速なカスタマイズが可能になります。これらのパラメータは、個々に各被験者のために調整することができます。例えば、仮想ターゲットの位置が被写体で同じ初期アーム姿勢を確実にするためにスケーリングすることができます。 5 -仮想現実はまた、視覚運動研究1で非常に貴重なツールである、実験中の視覚的なフィードバックの操作を可能にします。 他の生体力学的ツールと現実的なVR環境の使用はまた、動きのパターンをテストするには自然な動きのシナリオを可能にします。この配置はますます貴重になってきています病気やけが6,7後のリハビリの研究と実践。臨床の場で自然な動きや環境（ 例えば仮想キッチンでの動きを実行する）を模倣することは、より正確には、実世界のコンテキストで個々の障害を記述するためにリハビリの専門家を有効にします。高度に個別減損の説明は、潜在的に有効性を増加し、リハビリの期間を減少させる、より集中治療戦略が可能になります。 そのような経頭蓋磁気刺激（TMS）、表面筋電図（EMG）、および全身モーションキャプチャなどの他のツールと​​のVRを組み合わせることで、人間の動きの神経筋制御を研究するための非常に強力で柔軟なプラットフォームを作成します。経頭蓋磁気刺激は、筋電図RESPONSを通じて（例えば皮質脊髄路）のモータ経路を降順の興奮性と機能的完全性を測定する強力な非侵襲的方法であり、モータなどのESは、電位（MEPを）8を誘発しました。現代の3次元モーションキャプチャシステムは、得られる運動運動学とダイナミクスと一緒に神経筋活動を研究する研究者を可能にします。これは、筋骨格系の非常に詳細なモデルを作成するだけでなく、神経のコントローラの構造と機能に関する仮説をテストすることを可能にします。これらの研究は、人間の感覚システムの私達の科学的知識を拡大し、筋骨格系および神経学的障害の治療の改善につながります。 しかしながら、多機能システムに一つの大きな問題は、別々に記録されたデータストリーム（例えば、モーションキャプチャ、EMG など ）の同期です。このプロトコルの目的は、同時に移動中に生体力学的および生理学的測定を記録するために一般的な商業的に利用可能なシステムの一般化配置を記述することです。からの装置を使用して、他の研究者異なるメーカーは、彼らの特定のニーズに合うように、このプロトコルの要素を変更する必要があります。しかし、このプロトコルからの一般的な原則はまだ適用可能であるべきです。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Transcranial magnetic stimulator</td>
			<td>Magstim</td>
			<td>N/A</td>
			<td>TMS stimulator and coils</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impulse X2</td>
			<td>PhaseSpace</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Motion capture system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MA300 Advanced Multi-Channel EMG System</td>
			<td>Motion Lab Systems</td>
			<td>MA300-28</td>
			<td>EMG pre-amplifier and amplifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Norotrode EMG electrodes</td>
			<td>Myotronics</td>
			<td>N/A</td>
			<td>EMG electrodes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>779347-01</td>
			<td>BNC Connector Block</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXI-1033 
			5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>779757-01</td>
			<td>DAQ chassis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXI-6254 
			16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>779118-01</td>
			<td>DAQ card</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SHC68-68-EPM Cable (2m)</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>192061-02</td>
			<td>Shielded cable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DK1 or DK2</td>
			<td>Oculus VR</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Ocuclus Rift headset</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vizard 5 Lite</td>
			<td>WorldViz</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Virtual reality software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C1 and C2 capacitors</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Adjust values to suit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R1 and R2 resistors</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Adjust values to suit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CD4011 NAND gate</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>NAND gate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2N2222 transistor</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Transistor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NE555 timer circuit</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Timer circuit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DB25 and USB connectors</td>
			<td>varied</td>
			<td>N/A</td>
			<td>parallel and USB connectors</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multifunctional setup for studying human motor control using transcranial magnetic stimulation, electromyography, motion capture, and virtual reality

人間の動きの神経筋制御の研究では、多数の技術を用いて達成されます。神経筋機能を研究するための非侵襲的な方法は、経頭蓋磁気刺激、筋電図、3次元モーションキャプチャが含まれています。容易に入手可能であり、費用対効果の高いバーチャルリアリティ・ソリューションの登場は、実験室の設定で「現実世界」の環境や動きを再現するには、研究者の能力を拡大してきました。自然主義運動解析は、健康な個体におけるモータ制御のより深い理解を集めるだけでなく、実験や特定の運動障害（例えば脳卒中）を標的リハビリテーション戦略の設計が可能になるだけではなく。これらのツールを組み合わせて使用​​するには、モータ制御の神経機構のますますより深い理解につながります。これらのデータ収集システムを組み合わせた重要な要件は、様々なデータストリームとの間の微細な時間的な対応です。 T彼のプロトコルは、多機能なシステムの全体的な接続性、システム間のシグナリング、および記録されたデータの時間同期を説明しています。コンポーネントシステムの同期化は、主として容易に棚コンポー​​ネントと最小限の電子アセンブリのスキルをオフにして作られた、カスタマイズ可能な回路を使用することにより達成されます。

このセットアップでは、多数のデータストリームの同期は1つが上肢の運動中に発生する運動、連続筋活動（EMG）、および瞬時神経筋活動（欧州議会議員）を記録することができます。指定された動きの繰り返し試験は全体の動きを介してのMEP応答プロファイルを再構築する必要があります。一人の被験者から収集した4データが表示されます図。 図4（a）は、?...

Watch this Scientific Journal Video about Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality at JoVE.

Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

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.

経頭蓋磁気刺激、電、モーションキャプチャ、およびバーチャルリアリティを用いたヒトモータ制御研究のための多機能のセットアップ

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular ...

multifunctional-setup-for-studying-human-motor-control-using

Research

JoVE Journal

Behavior

10.8K ビュー.  West Virginia University. 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.

ビデオ: Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

Stimulating the Lip Motor Cortex with Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. Researchers have used single-pulse and repetitive TMS to stimulate the lip representation in the motor cortex. The excitability of the lip motor representation can be investigated by applying single TMS pulses over this cortical area and recording TMS-induced motor evoked potentials (MEPs) via electrodes attached to the lip muscles (electromyography; EMG). Larger MEPs reflect increased cortical excitability. Studies have shown that excitability increases during listening to speech as well as during&#160;viewing speech-related movements. TMS can be used also to disrupt the lip motor representation. A 15-min train of low-frequency sub-threshold repetitive stimulation has been shown to suppress motor excitability for a further 15-20 min. This TMS-induced disruption of the motor lip representation impairs subsequent performance in demanding speech perception tasks and modulates auditory-cortex responses to speech sounds. These findings are consistent with the suggestion that the motor cortex contributes to speech perception. This article describes how to localize the lip representation in the motor cortex and how to define the appropriate stimulation intensity for carrying out both single-pulse and repetitive TMS experiments.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception.&#160; This article describes how to record motor evoked potentials (MEPs) from the lip muscles and how to disrupt the motor lip representation using repetitive TMS.

経頭蓋磁気刺激とリップモーター皮質を刺激する

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. ...

行動学

Transcranial Direct Current Stimulation and Simultaneous  Functional Magnetic Resonance Imaging

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique that uses weak electrical currents administered to the scalp to manipulate cortical excitability and, consequently, behavior and brain function. In the last decade, numerous studies have addressed short-term and long-term effects of tDCS on different measures of behavioral performance during motor and cognitive tasks, both in healthy individuals and in a number of different patient populations. So far, however, little is known about the neural underpinnings of tDCS-action in humans with regard to large-scale brain networks. This issue can be addressed by combining tDCS with functional brain imaging techniques like functional magnetic resonance imaging (fMRI) or electroencephalography (EEG).
In particular, fMRI is the most widely used brain imaging technique to investigate the neural mechanisms underlying cognition and motor functions. Application of tDCS during fMRI allows analysis of the neural mechanisms underlying behavioral tDCS effects with high spatial resolution across the entire brain. Recent studies using this technique identified stimulation induced changes in task-related functional brain activity at the stimulation site&#160;and also in more distant brain regions, which were associated with behavioral improvement. In addition, tDCS administered during resting-state fMRI allowed identification of widespread changes in whole brain functional connectivity.
Future studies using this combined protocol should yield new insights into the mechanisms of tDCS action in health and disease and new options for more targeted application of tDCS in research and clinical settings. The present manuscript describes this novel technique in a step-by-step fashion, with a focus on technical aspects of tDCS administered during fMRI.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique. It has successfully been used in basic research and clinical settings to modulate brain function in humans. This article describes the implementation of tDCS and simultaneous functional magnetic resonance imaging (fMRI), to investigate the neural basis of tDCS effects.

経頭蓋直流電気刺激と同時機能的磁気共鳴画像

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a noninvasive brain stimulation technique that uses weak electrical currents administered to the scalp ...

Transcranial Magnetic Stimulation for Investigating Causal Brain-behavioral Relationships and their Time Course

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe, non-invasive brain stimulation technique that uses a strong electromagnet in order to temporarily disrupt information processing in a brain region, generating a short-lived &#8220;virtual lesion.&#8221; Stimulation that interferes with task performance indicates that the affected brain region is necessary to perform the task normally. In other words, unlike neuroimaging methods such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) that indicate correlations between brain and behavior, TMS can be used to demonstrate causal brain-behavior relations. Furthermore, by varying the duration and onset of the virtual lesion, TMS can also reveal the time course of normal processing. As a result, TMS has become an important tool in cognitive neuroscience. Advantages of the technique over lesion-deficit studies include better spatial-temporal precision of the disruption effect, the ability to use participants as their own control subjects, and the accessibility of participants. Limitations include concurrent auditory and somatosensory stimulation that may influence task performance, limited access to structures more than a few centimeters from the surface of the scalp, and the relatively large space of free parameters that need to be optimized in order for the experiment to work. Experimental designs that give careful consideration to appropriate control conditions help to address these concerns. This article illustrates these issues with TMS results that investigate the spatial and temporal contributions of the left supramarginal gyrus (SMG) to reading.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a technique for non-invasively disrupting neural information processing and measuring its effect on behavior. When TMS interferes with a task, it indicates that the stimulated brain region is necessary for normal task performance, allowing one to systematically relate brain regions to cognitive functions.

因果脳行動の関係とその経時変化を調査するための経頭蓋磁気刺激

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a safe, non-invasive brain stimulation technique that uses a strong electromagnet in order to temporarily ...

Neuronavigation-guided Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation for Aphasia

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is widely used for several neurological conditions, as it has gained acknowledgement for its potential therapeutic effects. Brain excitability is non-invasively modulated by rTMS, and rTMS to the language areas has proved its potential effects on treatment of aphasia. In our protocol, we aim to artificially induce virtual aphasia in healthy subjects by inhibiting Brodmann area 44 and 45 using neuronavigational TMS (nTMS), and F3 of the International 10-20 EEG system for conventional TMS (cTMS). To measure the degree of aphasia, changes in reaction time to a picture naming task pre- and post-stimulation are measured and compare the delay in reaction time between nTMS and cTMS. Accuracy of the two TMS stimulation methods is compared by averaging the Talairach coordinates of the target and the actual stimulation. Consistency of stimulation is demonstrated by the error range from the target. The purpose of this study is to demonstrate use of nTMS and to describe the benefits and limitations of the nTMS compared to those of cTMS.

This study is designed to test the hypothesis that neuronavigational system-guided transcranial magnetic stimulation has higher accuracy for targeting the intended target as demonstrated by eliciting a greater degree of virtual aphasia in healthy subjects, measured by delay in reaction time to picture naming.

失語症のためのニューロガイド下反復経頭蓋磁気刺激

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is widely used for several neurological conditions, as it has gained acknowledgement for its potential ...

Treating Clinical Depression with Repetitive Deep Transcranial Magnetic Stimulation Using the Brainsway H1-coil

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is an emerging non-pharmacological approach to treating many brain-based disorders. rTMS uses electromagnetic coils to stimulate areas of the brain non-invasively. Deep transcranial magnetic stimulation (dTMS) with the Brainsway H1-coil system specifically is a type of rTMS indicated for treating patients with major depressive disorder (MDD) who are resistant to medication. The unique H1-coil design of this device is able to stimulate neuronal pathways that lie deeper in the targeted brain areas than those reached by conventional rTMS coils. dTMS is considered to be low-risk and well tolerated, making it a viable treatment option for people who have not responded to medication or psychotherapy trials for their depression.
Randomized, sham-control studies have demonstrated that dTMS produces significantly greater improvement in depressive symptoms than sham dTMS treatment in patients with major depression that has not responded to antidepressant medication. In this paper, we will review the methodology for treating major depression with dTMS using an H1-coil.

Here we present a protocol outlining the methodology for treatment of Major Depressive Disorder using the deep Transcranial Magnetic Stimulation (dTMS) system.

Brainsway H1-コイルを使用した反復ディープ経頭蓋磁気刺激を用いた臨床うつ病の治療

Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is an emerging non-pharmacological approach to treating many brain-based disorders. rTMS uses ...

Substantiating Appropriate Motion Capture Techniques for the Assessment of Nordic Walking Gait and Posture in Older Adults

Nordic walking (NW) has become a safe and simple form of exercise in recent years, and in studying this gait pattern, various data collection techniques have been employed, each with positives and negatives. The aim was to determine the effect of NW on older adult gait and posture and to determine optimal use of different data collection systems in both short and long duration analysis. Gait and posture during NW and normal walking were assessed in 17 healthy older adults (age: 69 &#177; 7.3). Participants performed two trials of 6 Minute Walk Tests (6MWT) (1 with poles (WP) and 1 without poles (NP)) and 6 trials of a 5m walk (3 WP and 3 NP). Motion was recorded using two systems, a 6-sensor accelerometry system and an 8-camera 3-dimensional motion capture system, in order to quantify spatial-temporal, kinematic, and kinetic parameters.
With both systems, participants demonstrated increased stride length and double support and decreased gait speed and cadence WP compared to NP (p &#60;0.05). Also, with motion capture, larger single support time was found WP (p &#60;0.05). With 3-D capture, smaller hip power generation and moments of force were found at heel contact and pre-swing as well as smaller knee power absorption at heel contact, pre-swing, and terminal swing WP compared to NP, when assessed over one cycle (p &#60;0.05). Also, WP yielded smaller moments of force at heel contact and terminal swing along with larger moments at mid-stance of a gait cycle (p &#60;0.05). No changes were found for posture.
NW seems appropriate for promoting a normal gait pattern in older adults. Three-dimensional motion capture should primarily be used during short duration gait analysis (i.e. single gait cycle), while accelerometry systems should be primarily employed in instances requiring longer duration analysis such as during the 6MWT.

The aim was to substantiate optimal use of data collection techniques for Nordic walking gait and posture analysis. Three-dimensional motion capture should be used during short duration analysis (i.e. single gait cycle), while accelerometry should be employed for longer duration analysis (i.e. repeated cycles) like a 6 Minute Walk Test.

高齢者でノルディックウォーキング歩行や姿勢の評価のための適切なモーションキャプチャ技術を実証

Nordic walking (NW) has become a safe and simple form of exercise in recent years, and in studying this gait pattern, various data collection techniques ...

Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to the Unilateral Hemisphere of Rat Brain

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45&#176; to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.

We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45&#176;. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.

ラットの脳の片側半球に反復経頭蓋磁気刺激

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, ...

Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations. TACS employs frequency-specific stimulation of the human brain through current applied to the scalp with surface electrodes. Most current knowledge of the technique is based on behavioral studies; thus, combining the method with brain imaging holds potential to better understand the mechanisms of tACS. Because of electrical and susceptibility artifacts, combining tACS with brain imaging can be challenging, however, one brain imaging technique that is well suited to be applied simultaneously with tACS is functional magnetic resonance imaging (fMRI). In our lab, we have successfully combined tACS with simultaneous fMRI measurements to show that tACS effects are state, current, and frequency dependent, and that modulation of brain activity is not limited to the area directly below the electrodes. This article describes a safe and reliable setup for applying tACS simultaneously with visual task fMRI studies, which can lend to understanding oscillatory brain function as well as the effects of tACS on the brain.

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations, though its effects are not completely understood. This article describes a safe and reliable setup for applying tACS simultaneously with functional magnetic resonance imaging, which can increase understanding oscillatory brain function and effects of tACS.

同時経頭蓋交流刺激および機能的磁気共鳴イメージング

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations. TACS employs ...

Using Virtual Reality to Transfer Motor Skill Knowledge from One Hand to Another

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by observation or passive movement of trainee&#39;s hands by a robotic device). This obviously presents a major challenge in the rehabilitation of a paretic limb since voluntary control of physical movement is limited. Here, we describe a novel training scheme we have developed that has the potential to circumvent this major challenge. We exploited the voluntary control of one hand and provided real-time movement-based manipulated sensory feedback as if the other hand is moving. Visual manipulation through virtual reality (VR) was combined with a device that yokes left-hand fingers to passively follow right-hand voluntary finger movements. In healthy subjects, we demonstrate enhanced within-session performance gains of a limb in the absence of voluntary physical training. Results in healthy subjects suggest that training with the unique VR setup might also be beneficial for patients with upper limb hemiparesis by exploiting the voluntary control of their healthy hand to improve rehabilitation of their affected hand.

We describe a novel virtual-reality based setup which exploits voluntary control of one hand to improve motor-skill performance in the other (non-trained) hand. This is achieved by providing real-time movement-based sensory feedback as if the non-trained hand is moving. This new approach may be used to enhance rehabilitation of patients with unilateral hemiparesis.

仮想現実を使用して 1 つの手から別の運動技能知識を転送するには

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by ...

Measuring the Kinematics of Daily Living Movements with Motion Capture Systems in Virtual Reality

The inability to complete instrumental activities of daily living (IADL) is a precursor to various neuropsychological diseases. Questionnaire-based assessments of IADL are easy to use but prone to subjective bias. Here, we describe a novel virtual reality (VR) test to assess two complex IADL tasks: handling financial transactions and using public transportation. While a participant performs the tasks in a VR setting, a motion capture system traces the position and orientation of the dominant hand and head in a three-dimensional Cartesian coordinate system. Kinematic raw data are collected and converted into &#39;kinematic performance measures,&#39; i.e., motion trajectory, moving distance, and time to completion. Motion trajectory is the path of a particular body part (e.g., dominant hand or head) in space. Moving distance refers to the total distance of the trajectory, and time to completion is how long it took to complete an IADL task. These kinematic measures could discriminate patients with cognitive impairment from healthy controls. The development of this kinematic measuring protocol allows detection of early IADL-related cognitive impairments.

We designed a virtual reality test to assess instrumental activities of daily living (IADL) with a motion capture system. We propose a detailed kinematic analysis to interpret the participant&#39;s various movements, including trajectory, moving distance, and time to completion to evaluate IADL capabilities.

バーチャル ・ リアリティーのモーション キャプチャ システムで日常の生活動作の運動を測定

The inability to complete instrumental activities of daily living (IADL) is a precursor to various neuropsychological diseases. Questionnaire-based ...