Transkraniyal Manyetik Uyarım, Elektromiyografi, Hareket Yakalama ve Sanal Gerçeklik kullanma İnsan Motor Kontrol incelenmesi için çok fonksiyonlu Kur
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
İnsanlarda hareketin nöromüsküler kontrolü çalışması sayısız teknolojileri ile gerçekleştirilir. Nöromusküler fonksiyonu araştırmak için Non-invaziv yöntemler transkranial manyetik stimülasyon, elektromiyografi ve üç boyutlu hareket yakalama içerir. Hazır ve uygun maliyetli sanal gerçeklik çözümleri gelişi bir laboratuvar ortamında "gerçek dünya" ortamları ve hareketleri yeniden araştırmacılar yeteneklerini genişletti. Natüralist hareket analizi sağlıklı bireylerde motor kontrolünün daha büyük bir anlayış toplamak değil, aynı zamanda deney ve spesifik motor bozuklukları (örneğin inme) hedefleyen rehabilitasyon stratejilerinin tasarımını izin kalmayacak. Bu araçların kombine kullanımı motor kontrol nöral mekanizmaların giderek daha derin bir anlayış sağlayacaktır. Bu veri toplama sistemleri birleştiren bir anahtar gereklilik çeşitli veri akışları arasındaki ince zamansal yazışma olduğunu. TOnun protokol çok fonksiyonlu bir sistemin genel bağlantı, sistemler arası sinyalizasyon ve kaydedilen verilerin zamansal senkronizasyonu açıklar. Bileşenli sistemlerin eşitleme esas olarak, kolay raf bileşenleri ve en az elektronik montaj becerilerini ile yapılan özelleştirilebilir devre kullanımı ile gerçekleştirilir.
Introduction
Sanal gerçeklik (VR) hızla insan hareketinin çalışma dahil, alanlarda kullanılmak üzere erişilebilir bir araştırma aracı haline gelmektedir. Üst ekstremite hareketi çalışması, özellikle VR dahil ederek yararlanılmıştır. Sanal gerçeklik kol hareketi kontrolü belirli kinematik ve dinamik özelliklerini incelemek amacıyla tasarlanmış deneysel parametrelerin hızlı özelleştirme izin verir. Bu parametreler, tek tek her bir denek için ayarlanabilir. Örneğin, sanal hedeflerin yerleri konular arasında aynı ilk kol duruşu sağlamak için ölçeklendirilebilir. 5 – Sanal gerçeklik de visuomotor araştırma 1 paha biçilmez bir araçtır deneyler sırasında görsel geribildirim manipülasyon, izin verir.
Diğer biyomekanik araçları ile gerçekçi VR ortamlarının kullanımı da hareket kalıplarını test etmek için doğal hareket senaryoları izin verecektir. Bu düzenleme ile giderek daha değerli hale geliyorÇalışma ve hastalık ve yaralanma 6,7 sonrası rehabilitasyon uygulaması. Bir klinik ortamda (sanal mutfakta hareketleri gerçekleştiren gibi) taklit eden natüralist hareketleri ve ortamlar daha doğrusu bir gerçek dünya bağlamında bireyin bozuklukları tanımlamak için rehabilitasyon uzmanları sağlayacaktır. Son derece bireyselleştirilmiş düşüklüğü açıklamaları potansiyel etkinliğini artırmak ve rehabilitasyon süresini azaltarak, daha odaklı tedavi stratejileri için izin verecektir.
Böyle transkranial manyetik stimülasyon (TMS), yüzey elektromiyografi (EMG) ve tam vücut hareket yakalama gibi diğer araçlarla VR birleştiren, insanlarda hareketin nöromüsküler kontrolü eğitimi için son derece güçlü ve esnek bir platform oluşturur. Transkranial manyetik stimülasyon EMG yanıt vermeyen yoluyla (örn kortikospinal yolu) motor yolları inen heyecanlanma ve fonksiyonel bütünlüğünün ölçme güçlü bir non-invaziv bir yöntemdirBöyle motor olarak es potansiyeller (MEP) 8 uyarılmış. Modern üç boyutlu hareket yakalama sistemleri de ortaya çıkan hareket kinematiği ve dinamiği ile birlikte nöromüsküler aktiviteyi incelemek için araştırmacılar sağlar. Bu kas-iskelet sistemi, son derece detaylı modellerinin yaratılması yanı sıra sinir kontrolörlerin yapısı ve fonksiyonu ile ilgili hipotezlerin test izin verir. Bu çalışmalar insan sensörimotor sistemi bizim bilimsel bilgi genişletmek ve iskelet ve nörolojik bozuklukların tedavisinde gelişmelere yol açacaktır.
Ancak, çok fonksiyonlu sistemler ile bir büyük sorun ayrı kaydedilen veri akışları (örn hareket yakalama, EMG, vs.) senkronizasyon olduğunu. Bu protokolün amacı aynı anda hareketi sırasında biyomekanik ve fizyolojik ölçümler kayıt için ortak piyasada mevcut sistemlerin genellenebilir düzenleme tanımlamaktır. Dan ekipmanı kullanarak Diğer araştırmacılarFarklı üreticilerin kendi özel ihtiyaçlarına uyacak şekilde bu protokol unsurları değiştirmek zorunda kalabilirsiniz. Ancak, bu protokolün genel prensipler hala geçerli olmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalenin amacı, insan hareketinin çalışma ve çeşitli veri akışlarını senkronize etmek için bir yöntem haline VR dahil etmek için bir yöntem tarif etmektir. Sanal Gerçeklik laboratuar ortamında gerçek dünya hareket senaryoları yeniden girişimi araştırmacıların yeteneklerini genişletmek olacaktır. Diğer nöromüsküler kayıt ve uyarıcı metodolojileri ile birleştiren VR kapsamlı insan motor kontrol mekanizmaları çalışmak için güçlü bir araç paketi oluşturur. Titizlikle tasarlan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH hibe P20 GM109098, NSF ve WVU ADVANCE Sponsorluk Programı (VG) ve WVU departman start-up fonları tarafından desteklenmiştir.
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).
