경 두개 자기 자극, 근전도, 모션 캡쳐, 가상 현실을 이용하여 인간의 모터 제어 유학을위한 다기능 설치
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
인간의 운동 신경 근육 조절의 연구는 다양한 기술을 수행 할 수 있습니다. 신경 근육 기능을 조사하는 비 침습적 방법은 경 두개 자기 자극, 근전도, 3 차원 모션 캡처를 포함한다. 용이하게 이용 가능하고 비용 효율적인 가상 현실 솔루션의 출현은 실험실 설정에서 "실제"환경과의 움직임을 재현 연구자의 능력을 확대하고있다. 자연주의 운동 분석은 건강한 사람들의 모터 제어의 더 큰 이해를 가너뿐만 아니라 실험과 특정 모터 장애 (예 : 뇌졸중)을 대상으로 재활 전략의 디자인을 허용 할뿐만 아닙니다. 이러한 도구의 병용은 모터 제어의 신경 메커니즘을 점점 더 깊은 이해로 이어질 것입니다. 이러한 데이터 수집 시스템을 조합 한 핵심 요구 사항은 다양한 데이터 스트림들 사이의 시간적 대응하여 미세하다. 티그의 프로토콜은 다기능 시스템의 전반적인 연결, 시스템 간 신호 및 기록 된 데이터의 시간 동기화를 설명합니다. 구성 요소 시스템의 동기화는 기본적으로 쉽게 선반 구성 요소와 최소한의 전자 조립 기술 오프로 만든 사용자 정의 회로를 사용하여 수행됩니다.
Introduction
가상 현실 (VR)이 빠르게 동작 인간 연구를 포함한 다수의 분야에서 사용하기위한 액세스 연구 도구가되고있다. 상지 운동의 연구는 특히 VR을 혼입함으로써 유익된다. 가상 현실은 팔의 움직임 컨트롤의 특정 운동 학적 및 동적 기능을 조사하기위한 실험 매개 변수의 빠른 사용자 정의를 허용합니다. 이러한 매개 변수는 개별적으로 각각의 피사체에 대해 조정될 수있다. 예를 들어, 가상 목표물의 위치는 대상에서 동일 초기 암 상태를 확인하기 위해 확장 할 수 있습니다. 5 – 가상 현실은 visuomotor 연구 1에 매우 중요한 도구입니다 실험을하는 동안 시각적 피드백의 조작을 할 수 있습니다.
다른 생체 역학 도구를 사용하여 사실적인 가상 현실 환경에서의 사용은 움직임 패턴을 테스트하여 자연 운동 시나리오를 허용합니다. 이러한 형태는 점점 중요한 있다는연구와 질병과 상해 6,7 후 재활 연습. 임상 환경에서 (가상 부엌에서 동작을 수행하는 등) 모방 움직임과 자연 환경은보다 정확하게 실세계 상황에서 개인의 장애를 설명하는 재활 전문가를 가능하게 할 것이다. 고도로 개인화 손상 설명 잠재적 효능을 증가시키고 회복 기간을 줄일 더 집중 치료 전략을 허용한다.
이러한 경 두개 자기 자극 (TMS), 표면 근전도 (EMG), 및 전신 모션 캡처와 같은 다른 도구를 사용하여 가상 현실을 결합, 인간 운동의 신경 근육 제어를 연구하기위한 매우 강력하고 유연한 플랫폼을 만듭니다. 경 두개 자기 자극을 통해 EMG의 응 답 (예 피질 관) 모터 경로 내림차순의 흥분성 기능적 완전성을 측정하는 강력한 비 침습적 방법같은 모터와 같은 ES는 전위 (유럽 의회 의원) (8)을 유발. 현대 입체 모션 캡쳐 시스템은 결과 운동 기구학 및 동역학과 함께 신경 근육 활동을 연구하는 연구자 수 있습니다. 이는 근골격계 매우 상세한 모델의 생성뿐만 아니라 신경 컨트롤러의 구조 및 기능에 관한 가설 테스트를 허용한다. 이 연구는 인간의 감각 시스템의 우리의 과학적 지식을 확장하여 근골격계 및 신경 질환의 치료에 개선으로 이어질 것입니다.
그러나, 다기능 시스템과 하나의 큰 문제는 별도로 기록 된 데이터 스트림 (예를 들어, 모션 캡처, EMG, 등)의 동기화이다. 이 프로토콜의 목적은 이동 중에 동시에 역학적 생리적 측정치를 기록 할 공통의 시판 시스템의 일반화 구성을 설명하기위한 것이다. 로부터 장비를 사용하여 다른 연구자다른 제조업체는 특정 요구에 맞게이 프로토콜의 요소를 변경해야 할 수도 있습니다. 그러나,이 프로토콜의 일반 원칙은 여전히 적용해야한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 문서의 목적은 인간의 움직임에 대한 연구와 다양한 데이터 스트림을 동기화하기위한 방법에 VR을 통합하는 방법을 설명하는 것이다. 가상 현실은 실험실 환경에서 실제 이동 시나리오를 다시 시도 연구원의 기능을 확장합니다. 다른 신경 근육 기록 및 자극 방법과 결합 VR 종합적으로 인간의 모터 제어 메커니즘을 연구하기위한 도구의 강력한 제품군을 형성한다. 꼼꼼하게 설계 실험 중 얻은 …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NIH 보조금 P20의 GM109098, NSF 및 WVU 사전 스폰서 쉽 프로그램 (VG) 및 WVU 부서 시작 기금에 의해 지원되었다.
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 |
Referências
- 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).
