שילוב מערכות נתונים רכישה מרובות לחקר פלט corticospinal ורב-קטע ביומכניקה
9 בינואר 2016
השימוש בגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS) לחקר בקרה מוטורית אנושית דורש שילוב של מערכות איסוף נתונים כדי לשלוט בהעברת TMS ובו זמנית לתעד התנהגות אנושית. כתב היד הנוכחי מספק מתודולוגיה מפורטת לשילוב מערכות איסוף נתונים לצורך חקירת תנועה אנושית באמצעות TMS.
המטרה הכוללת של מתודולוגיה זו היא ליצור גישה חסכונית לשילוב מחקרים של גירוי מוחי ותנועה אנושית. שיטה זו יכולה לענות על שאלות מפתח בתחום הבקרה הנוירו-מוטורית, כגון כיצד ניתן לווסת פלט עצבי מקליפת המוח המוטורית במהלך תנועה מתמשכת. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שאספקת הגירוי המוחי היא אוטומטית ממוחשבת ונקבעת על ידי הפרמטר הספציפי שמעניין את החוקר, כגון זווית המפרק או גודל פעילות השרירים.
מדגים את ההליך הזה אהרון ביילי, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי. ראה את כתב היד הנלווה לסרטון זה להוראות הגדרת חומרה ותוכנה עבור פרוטוקול ניסיוני זה. התרשים הנראה כאן נותן סקירה כללית של תצורת החומרה.
התחל בבדיקת בטיחות TMS של המשתתף וקבלת הסכמה בכתב ומודעת לניסוי. לאחר מכן רשום את מסת הגוף הכוללת של המשתתף באמצעות סולם. השתמש גם בסרט מדידה כדי לקבוע את אורך היד, האמה והזרוע העליונה של המשתתף, שכן ניתן להשתמש בקטעים אלה מאוחר יותר לניתוח קינמטי וקינטי.
לאחר מכן, הכינו את העור על שרירי העניין באמצעות ג'ל שוחק קל. לאחר מכן נגב את האזור באלכוהול. השתמש במד עכבה כדי להבטיח שעכבת אלקטרודות העור נמוכה מ-10 קילו-אוהם כדי לשפר את רכישת אות ה-EMG.
כעת הניחו שתי אלקטרודות על בטן השרירים במונטאז' דו קוטבי. לצורך ניסוי זה, הנח אלקטרודות מעל שרירי הזרוע, התלת ראשי ברכי, החזה הגדול, הדלתא האחורית והברכיורדיאליס. לבסוף, באמצעות כבלי NC, חבר את היציאות ממגבר EMG לערוצים האנלוגיים אפס, אחד, שלוש, ארבע וחמש בקופסת ה-AD.
אתר את הקודקוד באמצעות מערכת מיקום האלקטרודות הבינלאומית 10-20 אלקטרואנצפלוגרפיה. כייל את סליל ה-TMS למשתתף באמצעות תוכנת ניווט עצבי. איתור הנקודה החמה המוטורית עבור כל שריר מעניין הוא החלק הקריטי ביותר בניסוי.
מיקום שגוי של הנקודה החמה של המנוע או כיוון שגוי של הסליל יכולים להשפיע על הנתונים הנרכשים. לאחר מכן, כדי לאתר את הנקודה החמה של המנוע, התחל בהנחת הסליל על חצי הכדור הנגדי של הזרוע או היד הנחקרת וחמישה סנטימטרים לרוחב הקודקוד. הסליל צריך להיות שטוח על ראש המשתתף ומכוון כך שהוא 45 מעלות ביחס למישור הסגיטלי.
לאחר מכן התחל עם כ-30% מתפוקת הממריץ המקסימלית וספק פולסים TMS עם מרווח בין גירוי של שש שניות או יותר כמתואר בתוכנת רכישת הנתונים מבוססת החבילה. הזיזו את סליל ה-TMS למקומות מעט שונים בקרקפת תוך שינוי קל של הכיוון עד שנצפה פוטנציאל מעורר מוטורי בשריר המבוקש. כעת קבע את סף המנוע במנוחה על ידי התחלה בעוצמה המייצרת את התגובה האמינה ביותר בכמילי-וולט.
ספק פולסים בודדים והקלט את משרעת ההצצה הפוטנציאלית המעוררת על ידי המנוע באינטרנט. התחל את הניסוי על ידי הפעלת תוכנת אספקת גירויים חזותיים. לאחר מכן הפעל את קובץ הסקריפט עבור הניסויים הניסיוניים בתוך תוכנת רכישת הנתונים מבוססת החבילה, כמתואר בכתב היד הנלווה לפרוטוקול זה.
הזן את המידע הרצוי בתיבת הדו-שיח של התצורה כפי שניתן לראות על המסך כאן. ערכים אלה יגדירו את התזמון והגדרות אחרות עבור הניסויים הניסיוניים. לדוגמה, הגירוי נקבע וערך האקראיות שולט במספר הפעמים שסוג הניסוי מבוצע בבלוק.
חיישני לכידת תנועה נצמדים למטופל. לאחר שלב זה, התוכנה תפעל מעצמה עם קלט משתמש מינימלי. ודא שהמשתתף מבין את כל הוראות המשימה ולאחר מכן התחל את הניסוי.
ניסוי מתחיל כאשר המשתתף מציב את הסמן ביעד עמדת הבית. ואז יופיע מיקום יעד חזותי חדש. לאחר מכן, go que שמיעתי מועבר באמצעות פלט דיגיטלי לאנלוגי על תיבת רכישת הנתונים והמשתתף צריך להזיז את הסמן ליעד החדש.
הם צריכים להשאיר את הסמן על מיקום היעד הזה למשך שנייה אחת ואז להחזיר אותו למצב הבית כדי להמתין לניסיון הבא. האות האנלוגי מה-EMG יפעיל את דופק ה-TMS, שאמור להיות מוגדר כך שיתרחש 100 מילישניות לאחר ה-go go que. התבונן במשתתף וודא שהסמן ממוקם במצב הבית ועל המטרות במהלך הניסויים.
הניסוי, כפי שניתן לראות כאן, כולל 21 תנאים המורכבים משבעה תנאי מטרה עם שלוש נקודות זמן שונות שבהן מופעל פולס TMS. משך הניסוי הכולל המשוער הוא שלוש עד ארבע שעות. בניסוי בודד, הסכימה משמאל מציגה את מיקום ההתחלה בתחילת הניסוי, ואילו הסכימה מימין מציגה את מיקום הסיום במהלך הניסוי.
כאן אנו רואים את משרעת ההצצה להצצה של ה-MEP המתקבלת מכל שריר מדופק ה-TMS היחיד במהלך תחילת ה-EMG של ניסוי זה. הגרפים הנראים כאן מציגים את התזוזה הזוויתית של מפרק הכתף והמרפק, בעוד שגרפים אלה מציגים את המהירות הזוויתית באותם מפרקים. כאן אנו רואים את הקינטיקה במפרקי הכתפיים והמרפקים, כאשר הקווים הכחולים, הירוקים והאדומים מייצגים כל אחד את שריר הרשת ואת רגע המגע של עצם על עצם בהתאמה.
איור זה מציג דוגמה לפוטנציאלים מעוררים מוטוריים שתועדו משריר הזרוע והחזה הגדול, תוך הגעה למטרה הדורשת משני השרירים הללו להיות פעילים. כמו כן מוצגים פוטנציאלים מעוררים מוטוריים שנרשמו מהתלת ראשי ברכי והדלתא האחורית, תוך הגעה למטרה הדורשת מהשרירים הללו להיות פעילים. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעתיים-שלוש אם היא נעשית כראוי.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לקבוע איזה אות אנלוגי, כגון פעילות EMG או זווית מפרק ישמש להפעלת דופק ה-TMS. מידע זה ייקבע על פי ההקשר של הניסוי. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות כמו EEG כדי לענות על שאלות נוספות כגון האם שינויים בתנודות המוח מווסתים במקביל לשינויים בתפוקת הקורטיקו-שדרה.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
כתב יד זה מפרט מתודולוגיה לשילוב מערכות לרכישת נתונים עם גרייה מגנטית תת-גולגולית (TMS) לצורך חקר הבקרה המוטורית האנושית. גישה זו שואפת להקל על חקירת התנועה האנושית באמצעות אוטומציה של מתן גירוי מוחי בהתבסס על פרמטרים ספציפיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- בקרה מוטורית
- גרייה מוחית
רקע
- גירוי מגנטי טרנסקרניאלי (TMS) משמש לחקר הבקרה המוטורית.
- שילוב של מערכות רכישת נתונים משפר את חקר ההתנהגות האנושית.
- הבנת המודולציה של הפלט העצבי במהלך תנועה היא קריטית.
- מתודולוגיה זו שואפת להיות יעילה ובעלת עלות נמוכה.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לשילוב גרייה מוחית עם מחקרי תנועה אנושית.
- אוטומציה של מתן TMS בהתבסס על פרמטרים מחקריים ספציפיים.
- מענה לשאלות מרכזיות בתחום הבקרה הנוירו-מוטורית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שילוב מערכות לרכישת נתונים עם TMS.
- אוטומציה ממוחשבת של הזרקת גירוי מוחי.
- גירוי מונחה-פרמטרים המבוסס על זוויות מפרק או פעילות שרירים.
- הדגמה של הפרוצדורה על ידי סטודנט לתואר מתקדם.
תוצאות עיקריות
- שילוב מוצלח של TMS עם מערכות לרכישת נתונים.
- מתן גירוי מוחי אוטומטי משפר את יכולות המחקר.
- המתודולוגיה מספקת תובנות לגבי בקרה נוירו-מוטורית.
- הוראות להגדרת החומרה והתוכנה מסופקות.
מסקנות
- המתודולוגיה מציעה גישה חדשנית לחקר תנועה אנושית.
- אוטומציה של מתן TMS מועילה לחוקרים.
- מחקר זה תורם להבנת מנגנוני הבקרה המוטורית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית לדרג הניהולי
שילוב של גרייה מגנטית טרנסקרניאלית עם לכידת תנועה מסונכרנת מאפשר חקירה מדויקת של הפלט קורטיקוספינלי במהלך מטלות מוטוריות דינמיות. גישה זו תומכת בהורדת סיכונים מכניסטית בתיקוף מטרות על ידי קישור של מודולציה עצבית לפלטים ביו-מכניים מדידים. היא מגבירה את הביטחון החזוי במודלים פרה-קליניים של הפרעות בבקרה מוטורית באמצעות נוירומודולציה הניתנת לשחזור ומונחית פרמטרים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר לחקור כיצד הפלט העצבי של קליפת המוח המוטורית משתנה במהלך תנועה מתמשכת כדי לתקף היפותזות טיפוליות.
- ערך תפעולי: מספק הגשה אוטומטית של TMS המופעלת על ידי פרמטרים, בהתבסס על זווית המפרק או פעילות השריר, להערכה עקבית של מעורבות המטרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מדדים כמותיים של פוטנציאלים מוצמדים לתנועה (motor-evoked potential) ונתונים קינמטיים כדי לאפשר סטנדרטיזציה של הבדיקה עבור יעדים נוירו-שריריים שונים.
- ערך תפעולי: משלב EMG, לכידת תנועה ו-TMS לתוך זרימת עבודה הניתנת לשחזור עבור פנוטיפינג נוירו-מוטורי ברמת דיוק גבוהה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות רלוונטי למחלה על ידי לכידה של ביומכניקה רב-סגמנטית לצד פלט עצבי במשימות הגעה של הגפה העליונה.
- ערך תפעולי: מקל על הרציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות מדידות עצביות וקינטיות מסונכרנות.
אינטגרציה של תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow)
שיטה זו מגשרת בין ביולוגיה של גילוי לבין זיהוי מובילים (lead identification) על ידי מתן אפשרות לבדיקת השערות לגבי תרומות קורטיקוספינליות לבקרה מוטורית, באמצעות סטימולציה אוטומטית ומסונכרנת בזמן.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בהבהרה של מסלולים על ידי הפעלת TPS בשלבי תנועה ספציפיים כדי לבודד קשרים סיבתיים נוירו-מוטוריים.
- סריקה: מספק פלטים כמותיים בעת רלוונטית, כולל אמפליטודת MEP, זווית מפרק ומהירות זוויתית לצורך השוואת השפעת תרכובות.
- אנליטיקה: מאפשרת קורלציה בין פלט קורטיקו-ספינלי לבין מומנטים קינטיים במפרקי הכתף והמרפק לצורך התאמת ביומרקרים מבוססי מנגנון.
- מחקר תרגומי: מקשר בין מודולציה עצבית לתוצאות תנועה פונקציונליות, ובכך תומך בקידום מותאם סיכון של טיפולים בבקרה מוטורית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה שניתנת לשימוש חוזר לבדיקת השפעות של נוירומודולציה במגוון משימות מוטוריות ואוכלוסיות חולים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי קישור תגובות שמוגמרות על ידי TMS לאירועים ביו-מכניים מדויקים במהלך תנועה.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות גירוי ממוחשב ואוטומטי המופעל על ידי ספים קינמטיים או ספי EMG שהוגדרו מראש.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go על ידי אספקת מדדים אובייקטיביים ורב-מודאליים של מעורבות המטרה וההשפעה התפקודית.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של מטרות נוירו-מוטוריות מותאם סיכון, המבוסס על תיקוף עצבי וביו-מכני מתכנס.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבטיחות TMS, רכישת אותות EMG ומערכות ללכידת תנועה.
- תלוי בחומרה משולבת הכוללת סליל TMS, מגברי EMG, תיבת AD וחיישני לכידת תנועה.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית לצורך תזמון עקבי של מתן ה-TMS ביחס לתחילת התנועה.
- כולל שיקולי התאמה בעת החלת המערכת האינטגרטיבית על קבוצות שרירים או פרדיגמות תנועה שונות.
- מוגבל על ידי הצורך במיקום מדויק של הסליל ובנוירו-ניווט כדי להבטיח דיוק במיקוד בנקודה המוטורית החמה (motor hot spot).
