Name: combining multiple data acquisition systems to study corticospinal output and multi-segment biomechanics
Uploaded: 2016-01-09T13:00:01
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The authors thank funding from the Natural Sciences and Engineering Research Council to AJN.

Anmerkung: Die folgenden Protokoll kann auf eine Vielzahl von Experimenten angewandt werden. Im Folgenden sind Details über ein Experiment, das ein visuell geführten Arm Erreichen Aufgabe, eine der sechs Raum Targets auf einem Computermonitor angezeigten beinhaltet. TMS, um corticospinal Erregbarkeit Sonde wird entweder von analogen Signalen, die aus der Bewegung ausgelöst (das heißt, EMG oder Elektrogoniometer Eingang) oder Digitalsignale von den Sweep-basierten Datenerfassungssoftware generiert. Diese Stu...

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	<li>Chen, R., Yung, D., Li, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organization+of+ipsilateral+excitatory+and+inhibitory+pathways+in+the+human+motor+cortex.">Organization of ipsilateral excitatory and inhibitory pathways in the human motor cortex.</a> J Neurophysiol. 89 (3), 1256-1264 (2003).</li><li>Criswell, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Cram's Introduction to Surface Electromyorgaphy. , (2011).</li><li>Di Lazzaro, 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=The+physiological+basis+of+transcranial+motor+cortex+stimulation+in+conscious+humans.+Magnetic+stimulation:+motor+evoked+potentials.+The+International+Federation+of+Clinical+Neurophysiology.">The physiological basis of transcranial motor cortex stimulation in conscious humans. Magnetic stimulation: motor evoked potentials. The International Federation of Clinical Neurophysiology.</a> Clin. Neurophysiol. 115 (2), 255-266 (2004).</li><li>Ferbert, A., 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=Interhemispheric+inhibition+of+the+human+motor+cortex.">Interhemispheric inhibition of the human motor cortex.</a> J Physiol. 453, 525-546 (1992).</li><li>Hallett, M. <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:+a+primer.">Transcranial magnetic stimulation: a primer.</a> Neuron. 55 (2), 187-199 (2007).</li><li>Huang, Y. Z., Edwards, M. J., Rounis, E., Bhatia, K. P., Rothwell, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theta+burst+stimulation+of+the+human+motor+cortex.">Theta burst stimulation of the human motor cortex.</a> Neuron. 45 (2), 201-206 (2005).</li><li>Jacobs, M., Premji, A., Nelson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasticity-inducing+TMS+protocols+to+investigate+somatosensory+control+of+hand+function.">Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function.</a> Neural Plast. , 350574 (2012).</li><li>Kujirai, T., 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=Corticocortical+inhibition+in+human+motor+cortex.">Corticocortical inhibition in human motor cortex.</a> 471, 501-519 (1993).</li><li>Miller, D., Nelson, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biomechanics of Sport: A Research Approach. , (1973).</li><li>Nussbaum, M. A., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heuristics+for+locating+upper+extremity+joint+centres+from+a+reduced+set+of+surface+markers.">Heuristics for locating upper extremity joint centres from a reduced set of surface markers.</a> Human Movement Sciences. 19, 797-816 (2000).</li><li>Rossini, P. M., 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=Non-invasive+electrical+and+magnetic+stimulation+of+the+brain,+spinal+cord+and+roots:+basic+principles+and+procedures+for+routine+clinical+application.+Report+of+an+IFCN+committee.">Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord and roots: basic principles and procedures for routine clinical application. Report of an IFCN committee.</a> Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 91 (2), 79-92 (1994).</li><li>Winter, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biomechanics and Motor Control of Human Movement. , (2009).</li><li>Zatsiorsky, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Kinetics of Human Motion. , (2002).</li></ol>

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...

Transkranialer magnetischer Stimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Verfahren, das menschliche cortex stimulieren. 3,5 Es gibt mehrere TMS Protokolle, die verwendet werden, um kortikalen Funktion zu verstehen, wie beispielsweise Ein- und Mehrfachpulse, Dual-site Stimulation funktionelle Konnektivität Sonde und sich wiederholenden Impulsen zur Förderung der neuronalen Plastizität. 4,6-8 TMS-Protokolle können auch kombiniert werden, um die gegenwärtige Verständnis der menschlichen kortikalen Prozesse voranzutreiben und zu führen neuronalen Sanierungsstrategien werden. Zusätzlich zur Stimulierung der Rinde kann TMS auch zur subkortikalen Funktion durch Stimulation der Pyramidenbahn oder Cerebellum zu verstehen. Eine der größten technischen Herausforderungen, vor denen TMS Forschungs ist die Fähigkeit, die Rolle der kortikalen Arealen bei zielgerichteten willkürliche Bewegung bei Menschen zu untersuchen. Mehrere Überlegungen dazu beitragen, diese technische Herausforderung. Zunächst sollten TMS Lieferung mit Echtzeit menschliche Bewegung c kombiniert werdenApture. Auf diese Weise kann TMS Impulsen durch Funktionen innerhalb einer Bewegungssequenz eine Zeitregelansatz, um komplexe Bewegung Studie geliefert bzw. ausgelöst werden. Zweitens, die Integration von TMS Lieferung und Motion-Capture ermöglicht eine detaillierte Charakterisierung der komplexen Bewegung, wie es sich entwickelt, die das Verständnis der Gehirn Verhalten Beziehungen, die Motorsteuerung zu untermauern voranbringen. Derzeit gibt es keine kommerziell erhältlichen Systeme, einschließlich Integration von TMS und Motion-Capture-Methoden. Zur Neuro auf dem Gebiet der Motorsteuerung, diese Lücke übersetzt typischerweise in zeitaufwendig, technische Herausforderungen, um mehrere Software- und Hardware-Datenerfassung und Abgabesysteme zu integrieren. Diese technische Beschränkung wurde auch in lichten Forschung auf die Untersuchung von dynamischen Multi-Joint-Bewegungen, die die oberen Gliedmaßen gewidmet geführt. Für TMS, um den Bereich der Menschenmotorsteuerung voranzubringen, ist es unerlässlich, dass kortikale Funktion während der komplexen menschlichen Bewegung untersucht werden. <p class = &quot;jove_content&quot;&gt; Um effektiv zu integrieren TMS und Motion-Capture-Methoden, das Erfassungssystem muss in Echtzeit simultan TMS und Motion-Capture ermöglichen. Zweitens muss das System geeignet, Bewegungskinematik studieren (dh., Beschreibung der Bewegung), Bewegung Kinetik (dh., Kräfte, die Ursache Bewegung) und Muskelaktivität. Drittens muss das System in der Lage, TMS Impulse an dieser Bewegungsfunktionen zu synchronisieren und von Kriterien, die auf komplexe Bewegung Funktionen ausgelöst werden können. Ein solches System liefert eine wesentliche Bindung zwischen kortikaler Funktion und kinematischen und kinetischen Bewegungs. Dieses Manuskript Details einen einzigartigen Ansatz zur Methoden der TMS und Motion-Capture integrieren. Dieser Ansatz erlaubt eine detaillierte Analyse der Mechanik der komplexen Mehrgelenkbewegungen und ermöglicht eine automatisierte Steuerung TMS Impulsen durch Besonderheiten der Bewegung (dh, Kinematik, Kinetik oder Muskelaktivität) ausgelöst wird. Ferner werden diese Daten acquisition System ermöglicht TMS und Motion-Capture, um mit experimentellen Paradigmen, die visuomotorische oder sensomotorischen Aufgaben erfordern integriert werden. Dieses Manuskript Details einen innovativen Ansatz, um häufig verwendete Motion-Capture-Hard- und Softwaresystemen für den Zweck der Kombination von TMS und Bewegungserfassung und Analyse integrieren. Die Daten werden unter Verwendung einer Probe Studium der menschlichen kortikalen Funktionieren während der planaren Multigelenkbewegung dargestellt. Die benötigten, um das Experiment durchführen Software-Scripte zum Download zur Verfügung.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="626">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Polhemus FASTRAK</td>
			<td style="width:124px;">Polhemus Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">6 degrees of freedom electromagnetic motion tracking device with 4 sensors</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Presentation</td>
			<td style="width:124px;">Neurobehavioural Systems Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>A fully programmable software for experiments involving data acquisition and stimulus delivery</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Cutom built Exoskeleton</td>
			<td style="width:124px;">80/20 Inc. - The industrial erector set</td>
			<td style="width:119px;">Varies</td>
			<td>Various parts used to build the exoskeleton</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Brainsight</td>
			<td style="width:124px;">Rogue Research Inc.</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Neuronavigation software to track coil position throughout the experiment</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

combining multiple data acquisition systems to study corticospinal output and multi-segment biomechanics

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.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse aus einer Studie. In diesem Versuch 3A zeigt die Ausgangsposition des Teilnehmers und, nach einem Gehör &quot;go&quot; Cue, schnell und genau bewegt der Teilnehmer wie möglich zum Ziel (dh., Die Endposition). Der Sweep-basierte Datenerfassungssoftware löste eine TMS Impuls basierend auf EMG Auftreten in der M. biceps brachii. Dies erlaubt die Messung der Pyramidenausgang Oberarmmuskulatur gerichtet, um zu eine...

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Combining Multiple Data Acquisition Systems to Study Corticospinal Output and Multi-segment Biomechanics

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.

Kombinieren mehrerer Datenerfassungssysteme zu kortikospinalen Ausgang und Multi-segment Biomechanik Studieren

Transcranial magnetic stimulation techniques allow for an in-depth investigation into the neural mechanisms that underpin human behavior. To date, the use ...

Research

JoVE Journal

Behavior

Assessment and Evaluation of the High Risk Neonate: The NICU Network Neurobehavioral Scale

Bewertung und Evaluierung der High Risk Neugeborene: Die Neugeborenen-Intensivstation Netzwerk Neuropsychologische Skala

There has been a long-standing interest in the assessment of the neurobehavioral integrity of the newborn infant.  The NICU Network Neurobehavioral Scale ...

Forschung

Verhalten

Simultaneous Scalp Electroencephalography (EEG), Electromyography (EMG), and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Simultaneous Scalp Electroencephalography EEG, Electromyography EMG, and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Gleichzeitige Scalp Elektroenzephalographie (EEG), Elektromyographie (EMG) und Ganzkörper-Segment Inertial Recording für Multi-modal Neural Decoding

Recent  studies support the involvement of supraspinal networks in control of bipedal  human walking. Part of this evidence  encompasses studies, ...

Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation

Corticospinal ErregbarkeitModulation während der Aktion Beobachtung

This study used the transcranial magnetic stimulation/motor evoked potential (TMS/MEP) technique to pinpoint when the automatic tendency to mirror someone ...

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

Assessing the Multiple Dimensions of Engagement to Characterize Learning: A Neurophysiological Perspective

Beurteilung der vielfältigen Dimensionen von Engagement zu charakterisieren Learning: Eine neurophysiologische Perspective

In a recent theoretical synthesis on the concept of engagement, Fredricks, Blumenfeld and Paris1 defined engagement by its multiple dimensions: ...

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Erwerb eines Hochpräzise Skilled Vorderbein Erreichen Aufgabe in Ratten

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Using Gold-standard Gait Analysis Methods to Assess Experience Effects on Lower-limb Mechanics During Moderate High-heeled Jogging and Running

Mit Goldstandard Gang Analysemethoden zur Bewertung Erfahrung Auswirkungen auf untere Extremität Mechanik während Moderate hochhackigen Joggen und laufen

A limited number of studies have explored lower-limb biomechanics during high-heeled jogging and running, and most studies have failed to clarify the ...

Reversible Cooling-induced Deactivations to Study Cortical Contributions to Obstacle Memory in the Walking Cat

Reversible Kühlung-induzierte Deaktivierungen kortikalen Beiträge zum Hindernis Speicher in der zu Fuß Katze zu studieren

On complex, naturalistic terrain, sensory information about an environmental obstacle can be used to rapidly adjust locomotor movements for avoidance. For ...

Combining Quantitative Food-intake Assays and Forcibly Activating Neurons to Study Appetite in Drosophila

Combining Quantitative Food-intake Assays and Forcibly Activating Neurons to Study Appetite in Drosophila

Kombination von quantitativer Nahrungsaufnahme Assays und zwangsweise Aktivierung von Neuronen um Appetit in Drosophila studieren

Food consumption is under the tight control of the brain, which integrates the physiological status, palatability, and nutritional contents of the food, ...