الإعداد متعدد الوظائف لدراسة التحكم في المحركات الإنسان عن طريق تحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، الكهربائي، التقاط متحرك، والواقع الافتراضي
Summary
Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.
Abstract
ويتم إنجاز دراسة السيطرة العصبية والعضلية الحركة في البشر مع العديد من التكنولوجيات. طرق غير الغازية للتحقيق وظيفة العصبية والعضلية وتشمل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، الكهربائي، والتقاط الحركة ثلاثية الأبعاد. ظهور حلول الواقع الافتراضي متوفرة بسهولة وفعالة من حيث التكلفة وسعت قدرات الباحثين في إعادة البيئات والحركات "العالم الحقيقي" في إعداد المختبر. وتحليل حركة الطبيعي حشد ليس فقط فهم أكبر من التحكم في المحركات في الاشخاص الاصحاء، ولكن أيضا يسمح تصميم التجارب والاستراتيجيات التي تستهدف إعادة تأهيل الإعاقات الحركية محددة (مثل السكتة الدماغية). والجمع بين استخدام هذه الأدوات يؤدي إلى فهم أعمق بشكل متزايد من الآليات العصبية من التحكم في المحركات. وهناك مطلب أساسي عند الجمع بين هذه الأنظمة الحصول على البيانات والمراسلات الزمنية الجميلة بين مختلف تيارات البيانات. تييصف بروتوكول له اتصال نظام متعدد الوظائف الشاملة، intersystem الإشارات، والتزامن الزمني للبيانات المسجلة. ويتم إنجاز تزامن النظم المكونة أساسا من خلال استخدام دائرة للتخصيص، أدلى بسهولة مع عناصر من الجرف والالكترونيات الحد الأدنى من المهارات التجمع.
Introduction
الواقع الافتراضي (VR) سرعان ما أصبحت أداة بحث للوصول للاستخدام في عدد من المجالات، بما في ذلك دراسة حركة الإنسان. واستفادت الدراسة من حركة الأطراف العليا وخاصة من خلال دمج VR. الواقع الافتراضي يسمح التخصيص السريع من المعلمات التجريبية تهدف إلى تحقيق ميزات محددة الحركية والدينامية للسيطرة حركة الذراع. هذه المعايير يمكن تعديلها بشكل فردي لكل موضوع. على سبيل المثال، مواقع أهداف افتراضية يمكن زيادتها لضمان مطابقة الموقف الذراع الأولي في المواضيع. الواقع الافتراضي كما يسمح للتلاعب من ردود الفعل البصري خلال التجارب، وهو أداة لا تقدر بثمن في مجال البحوث visuomotor 1-5.
فإن استخدام بيئات VR واقعية مع أدوات النشاط الحيوي أخرى تسمح أيضا سيناريوهات الحركة الطبيعية التي لاختبار أنماط الحركة. هذا الترتيب هو أن تصبح ذات قيمة متزايدة لدراسة وممارسة إعادة التأهيل بعد الأمراض والإصابات 6،7. سوف تحاكي الحركات والبيئات الطبيعية (مثل أداء الحركات في المطبخ الظاهري) في عملية إعداد سريرية تمكين أخصائيي إعادة التأهيل لوصف أكثر دقة ضعف الفرد في سياق العالم الحقيقي. سوف الأوصاف ضعف فردية عالية تسمح لاستراتيجيات علاجية أكثر تركيزا، قد يؤدي إلى زيادة فعالية وتقليل مدة إعادة التأهيل.
الجمع بين VR مع أدوات أخرى مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS)، العضلات السطحية (EMG)، وكامل الجسم التقاط الحركة، ويخلق منصة قوية للغاية ومرنة لدراسة السيطرة العصبية والعضلية الحركة في البشر. التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة هو أسلوب غير الغازية قوية لقياس استثارة والنزاهة الوظيفية تنازلي مسارات السيارات (مثل السبيل القشري) من خلال رد و EMGوفاق مثل محرك أثار إمكانات (البرلمان الأوروبي) 8. وتمكن الأنظمة التقاط الحركة ثلاثية الأبعاد الحديثة الباحثين لدراسة النشاط العصبي العضلي معا مع ما يترتب على الكينماتيكا حركة وديناميكية. هذا يسمح خلق نماذج مفصلة للغاية من نظام العضلات والعظام فضلا عن اختبار الفرضيات حول بنية ووظيفة من وحدات تحكم العصبية. وهذه الدراسات توسيع المعرفة العلمية لدينا من النظام الحسي البشري وتؤدي إلى تحسينات في علاج العضلات والعظام والاضطرابات العصبية.
ومع ذلك، مشكلة رئيسية واحدة مع أنظمة متعددة الوظائف هي تزامن تيارات البيانات المسجلة على حدة (على سبيل المثال التقاط الحركة، EMG، وما إلى ذلك). والهدف من هذا البروتوكول هو لوصف ترتيب تعميم نظم المشتركة المتاحة تجاريا لتسجيل وقت واحد قياسات النشاط الحيوي والفسيولوجية أثناء الحركة. باحثون آخرون باستخدام معدات منقد يكون مختلف الصانعين لتغيير عناصر هذا البروتوكول لتناسب احتياجاتهم الخاصة. ومع ذلك، ينبغي أن تكون المبادئ العامة من هذا البروتوكول تزال سارية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الهدف من هذه المقالة هو لوصف طريقة لدمج VR في دراسة حركة الإنسان وطريقة لمزامنة البيانات والجداول المختلفة. والواقع الافتراضي توسيع قدرات الباحثين التي تحاول إعادة سيناريوهات الحركة في العالم الحقيقي في إعداد المختبر. الجمع بين VR مع غيرها من المنهجيات تسجيل العصبية …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل عن طريق منح NIH P20 GM109098، NSF ووفو برنامج رعاية ADVANCE (VG)، ووفو أموال لبدء الإدارات.
Materials
| Transcranial magnetic stimulator | Magstim | N/A | TMS stimulator and coils |
| Impulse X2 | PhaseSpace | N/A | Motion capture system |
| MA300 Advanced Multi-Channel EMG System | Motion Lab Systems | MA300-28 | EMG pre-amplifier and amplifier |
| Norotrode EMG electrodes | Myotronics | N/A | EMG electrodes |
| BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block | National Instruments | 779347-01 | BNC Connector Block |
| NI PXI-1033 5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller |
National Instruments | 779757-01 | DAQ chassis |
| NI PXI-6254 16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs |
National Instruments | 779118-01 | DAQ card |
| SHC68-68-EPM Cable (2m) | National Instruments | 192061-02 | Shielded cable |
| DK1 or DK2 | Oculus VR | N/A | Ocuclus Rift headset |
| Vizard 5 Lite | WorldViz | N/A | Virtual reality software |
| C1 and C2 capacitors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| R1 and R2 resistors | varied | N/A | Adjust values to suit |
| CD4011 NAND gate | varied | N/A | NAND gate |
| 2N2222 transistor | varied | N/A | Transistor |
| NE555 timer circuit | varied | N/A | Timer circuit |
| DB25 and USB connectors | varied | N/A | parallel and USB connectors |
References
- Dounskaia, N., Wang, W., Sainburg, R. L., Przybyla, A. Preferred directions of arm movements are independent of visual perception of spatial directions. Exp. brain Res. 232 (2), 575-586 (2014).
- McIntosh, R. D., Mulroue, A., Brockmole, J. R. How automatic is the hand’s automatic pilot? Evidence from dual-task studies. Exp brain Res. 206 (3), 257-269 (2010).
- Shabbott, B. A., Sainburg, R. L. Learning a visuomotor rotation: simultaneous visual and proprioceptive information is crucial for visuomotor remapping. Exp. Brain Res. 203 (1), 75-87 (2010).
- Sarlegna, F. R., Sainburg, R. L. The roles of vision and proprioception in the planning of reaching movements. Adv. Exp. Med. Biol. 629, 317-335 (2009).
- Lillicrap, T. P., et al. Adapting to inversion of the visual field: a new twist on an old problem. Exp. brain Res. 228 (3), 327-339 (2013).
- Saposnik, G., Levin, M. Virtual reality in stroke rehabilitation: a meta-analysis and implications for clinicians. Stroke. 42 (5), 1380-1386 (2011).
- Robles-García, V., et al. Motor facilitation during real-time movement imitation in Parkinson’s disease: a virtual reality study. Parkinsonism Relat. Disord. 19 (12), 1123-1129 (2013).
- Gritsenko, V., Kalaska, J. F., Cisek, P. Descending corticospinal control of intersegmental dynamics. J. Neurosci. 31 (33), 11968-11979 (2011).
- Shirvalkar, P. R., Shapiro, M. L. Design and construction of a cost effective headstage for simultaneous neural stimulation and recording in the water maze. J. Vis. Exp. (44), e2155 (2010).
- Kendall, F. P., McCreary, E. K., Provance, P. G., Rodgers, M., Romani, W. . Muscles: Testing and Function With Posture and Pain. , (2005).
- Barbero, M., Merletti, R., Rainoldi, Atlas of Muscle Innervation Zones: Understanding Surface Electromyography and Its Applications. Springer-Verlag Mailand. , (2012).
- Sliwinska, M. W., Vitello, S., Devlin, J. T. Transcranial magnetic stimulation for investigating causal brain-behavioral relationships and their time course. J. Vis. Exp. (89), (2014).
- Goss, D. A., Hoffman, R. L., Clark, B. C. Utilizing transcranial magnetic stimulation to study the human neuromuscular system. J. Vis. Exp. (59), e3387 (2012).
- Rogers, J., Watkins, K. E. Stimulating the lip motor cortex with transcranial magnetic stimulation. J. Vis. Exp. (88), e51665 (2014).
- Ellaway, P., et al. Variability in the amplitude of skeletal muscle responses to magnetic stimulation of the motor cortex in man. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. Mot. Control. 109 (2), 104-113 (1998).
