Configuración de múltiples funciones para el estudio de control de motores Humano Usando estimulación magnética transcraneal, electromiografía, Captura de movimiento, y Realidad Virtual
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
El estudio del control neuromuscular de movimiento en los seres humanos se lleva a cabo con numerosas tecnologías. Los métodos no invasivos para la investigación de la función neuromuscular incluyen la estimulación transcraneal magnética, electromiografía, y la captura de movimiento tridimensional. La llegada de soluciones de realidad virtual fácilmente disponibles y rentables ha ampliado las capacidades de los investigadores en la recreación de ambientes y movimientos "mundo real" en un laboratorio. Análisis del movimiento naturalista no sólo va a obtener una mayor comprensión del control motor en individuos sanos, sino también permitir el diseño de experimentos y estrategias de rehabilitación que se dirigen a las deficiencias motoras específicas (por ejemplo, derrame cerebral). El uso combinado de estas herramientas conducirá a la comprensión cada vez más profunda de los mecanismos neuronales de control del motor. Un requisito fundamental al combinar estos sistemas de adquisición de datos es la correspondencia temporal fina entre los diversos flujos de datos. Tsu protocolo describe la conectividad de un sistema multifuncional general, la señalización entre sistemas, y la sincronización temporal de los datos grabados. La sincronización de los sistemas de componentes se logra principalmente a través del uso de un circuito personalizable, fácilmente hecho con apagar los componentes de la plataforma y de la electrónica un mínimo de habilidades de montaje.
Introduction
La realidad virtual (VR) se está convirtiendo rápidamente en una herramienta de investigación de acceso para su uso en una serie de campos, incluyendo el estudio del movimiento humano. El estudio del movimiento de las extremidades superiores se benefició especialmente mediante la incorporación de VR. La realidad virtual permite la rápida adaptación de los parámetros experimentales diseñados para investigar características cinemáticas y dinámicas específicas de control de movimiento del brazo. Estos parámetros se pueden ajustar individualmente para cada sujeto. Por ejemplo, la ubicación de objetivos virtuales se pueden escalar para garantizar idéntica postura brazo inicial a través de temas. La realidad virtual también permite la manipulación de la información visual durante los experimentos, que es una herramienta muy valiosa en la investigación visuomotor 1-5.
El uso de entornos de realidad virtual realistas con otras herramientas biomecánicas también permitirá escenarios movimiento naturalista en el que poner a prueba los patrones de movimiento. Esta disposición se está convirtiendo cada vez más valioso a laestudio y la práctica de la rehabilitación después de las enfermedades y lesiones 6,7. Imitando los movimientos y entornos naturalistas (por ejemplo, la realización de movimientos en una cocina virtual) en un entorno clínico permitirán a los especialistas en rehabilitación para describir con mayor precisión las deficiencias de un individuo en un contexto del mundo real. Descripciones deterioro altamente individualizados permitirán estrategias de tratamiento más focalizados, que podría aumentar la eficacia y reducir la duración de la rehabilitación.
Combinando VR con otras herramientas tales como la estimulación magnética transcraneal (TMS), electromiografía de superficie (EMG), y el cuerpo lleno de captura de movimiento, crea una plataforma muy potente y flexible para el estudio del control neuromuscular de movimiento en los seres humanos. La estimulación magnética transcraneal es un método no invasivo de gran alcance de la medición de la excitabilidad y la integridad funcional de las vías descendentes de motor (por ejemplo tracto corticoespinal) a través de EMG responses como el motor de potenciales evocados (MEPs) 8. Sistemas de captura de movimiento tridimensional modernos también permiten a los investigadores para estudiar la actividad neuromuscular junto resultantes cinemática del movimiento y la dinámica. Esto permite la creación de modelos extremadamente detallados del sistema musculoesquelético, así como la verificación de hipótesis con respecto a la estructura y función de los controladores neuronales. Estos estudios se ampliarán nuestro conocimiento científico del sistema sensoriomotor humana y conducir a mejoras en el tratamiento de los trastornos musculoesqueléticos y neurológicos.
Sin embargo, un problema importante con los sistemas multifuncionales es la sincronización de flujos de datos registrados por separado (por ejemplo, de captura de movimiento, EMG, etc.). El objetivo de este protocolo es describir un arreglo generalizable de los sistemas disponibles en el mercado común para grabar simultáneamente mediciones biomecánicas y fisiológicas durante el movimiento. Otros investigadores que utilizan equipos dediferentes fabricantes pueden tener que alterar los elementos de este protocolo para adaptarse a sus necesidades específicas. Sin embargo, los principios generales de este protocolo todavía deben ser aplicables.
Protocol
Representative Results
Discussion
El objetivo de este artículo es describir un método para incorporar VR en el estudio del movimiento humano y un método para sincronizar varios flujos de datos. Realidad virtual ampliará las capacidades de los investigadores que intentan recrear escenarios de movimiento del mundo real en un entorno de laboratorio. Combinando VR con otras metodologías de grabación neuromuscular y de estímulo constituye un poderoso conjunto de herramientas para el estudio integral de mecanismos de control de motores humanos. Los con…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la subvención NIH GM109098 P20, NSF y WVU Programa de Patrocinio ADVANCE (VG), y los fondos de puesta en marcha departamentales WVU.
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
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