Interfacing the Neuromuscular system: Applications for Human/Machine Interfaces and Neurophysiology - Cheatsheet

Membranpotenziale und deren Messung

Definition:

Unterschied der elektrischen Ladung zwischen der Innen- und Außenseite einer Zellmembran. Wichtig für Reizweiterleitung und Muskelkontraktion.

Details:

• Ruhepotenzial: \( V_{rest} \approx -70 \, mV \)
• Aktionspotenzial: schnelle Änderung des Membranpotenzials durch Ein- und Ausströmen von Ionen, typisch bis \( +30 \, mV \)
• Messung: Mikroelektroden oder Patch-Clamp-Technik
• Nernst-Gleichung: \[ E_x = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[X]_\text{außen}}{[X]_\text{innen}} \]
• Goldman-Gleichung: berücksichtigt mehrere Ionenarten und deren Permeabilitäten

Aktionspotenziale und Signalfortleitung

Definition:

Elektrochemische Signalübertragung innerhalb von Neuronen und entlang von Nervenzellen.

Details:

• Entstehung durch Spannungsänderungen (Depolarisation) der Zellmembran.
• Ruhepotenzial: ca. -70 mV.
• Schwellenwert: -55 mV - überschritten -> Aktionspotenzial ausgelöst.
• Depolarisation -> Na⁺-Kanäle öffnen sich -> Na⁺-Einstrom.
• Spitze des AP: ca. +30 mV.
• Repolarisation: K⁺-Ausstrom.
• Refraktärperiode: verhindert sofortige erneute AP-Auslösung.
• Saltatorische Leitung: AP springt bei myelinisierten Nerven von Ranvier-Schnürring zu Schnürring.
• Geschwindigkeit der Signalübertragung abhängig von Axondurchmesser und Myelinisierung.

Brain-Computer Interfaces (BCIs)

Definition:

Technologie zur direkten Kommunikation zwischen Gehirn und Computer

Details:

• Erfassung und Analyse neuronaler Aktivitäten
• Verwendung von EEG, ECoG, oder fNIRS Signalen
• Anwendungen: Neuroprothetik, Kommunikation für gelähmte Personen, Gaming
• Signalverarbeitung: Rauschen filtern, Merkmalsextraktion, Klassifikation
• Herausforderungen: Latenzzeiten, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit

Elektromyographie (EMG)

Definition:

Technik zur Messung elektrischer Aktivität der Muskulatur über Oberflächen- oder Nadelelektroden.

Details:

• Erkennung von Muskelaktivität und -störungen
• Spannungspotentiale werden in Mikrovolt gemessen
• Wichtig für Steuerung von Prothesen und anderen Mensch-Maschine-Schnittstellen
• Signalverarbeitung beinhaltet Rauschentfernung und Filterung
• Anwendungen in Rehabilitation und Sportwissenschaft

Neuromuskuläre Synapsen und deren Funktion

Definition:

Verbindung zwischen einem Motoneuron und einer Skelettmuskelzelle; ermöglicht die Übertragung von Nervenimpulsen zur Muskelkontraktion.

Details:

• Besteht aus präsynaptischer Membran, synaptischem Spalt und postsynaptischer Membran.
• Neurotransmitter: Acetylcholin (ACh).
• Depolarisation der präsynaptischen Membran -> Freisetzung von ACh in den synaptischen Spalt.
• ACh bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran -> Öffnung von Ionenkanälen.
• Erzeugt ein Endplattenpotenzial (EPP) -> Muskelaktionspotenzial -> Kontraktion des Muskels.
• Acetylcholinesterase (AChE) baut ACh im synaptischen Spalt ab.

Signalverarbeitung und Sensorik für Schnittstellen

Definition:

Verarbeitung und Analyse von Signalen sowie Nutzung von Sensoren zur Daten-erfassung in Schnittstellen.

Details:

• Signalkonditionierung: Filterung, Verstärkung
• Feature-Extraktion: Identifikation relevanter Merkmale im Signal
• Sensorik: Elektroden, IMUs, Drucksensoren
• Mathematische Darstellung: Zeit- und Frequenzdomäne
• Sampling-Theorem: Nyquist-Frequenz
• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern

Training und Rehabilitation durch Neurofeedback

Definition:

Neurofeedback-Training verwendet Echtzeit-Feedback der Gehirnaktivität zur Verbesserung der kognitiven und motorischen Funktionen, oft zur Rehabilitation nach neurologischen Verletzungen oder Störungen.

Details:

• Basierend auf EEG-Daten
• Verbesserung durch gezieltes Training bestimmter Gehirnregionen
• Nützlich für Patienten mit Schlaganfall, ADHS, etc.
• Fördert Neuroplastizität
• Erfordert wiederholte Sitzungen für optimale Ergebnisse

Robotergestützte Rehabilitation

Definition:

Robotergestützte Rehabilitation: Technologieeinsatz zur Unterstützung und Verbesserung der motorischen Fähigkeiten von Patienten durch Robotik.

Details:

• Nutzen: Wiederherstellung von Bewegung und Funktion
• Beispiele: Exoskelette, robotische Laufbänder
• Ziel: Neuromuskuläre Reorganisation
• Vorteile: Präzise, wiederholbare Bewegungen, Datenüberwachung
• Kombination mit Neurofeedback und VR