Name: 運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: 学ぶ運動課題中の機能的近赤外分光法（fNIRS）を用いた感覚運動脳領域の活動モニタリング方法。キネマティクスとEMGとの同時計測により、小児期発症の脳損傷患者と健常者の脳活動パターンの違いを特定し、運動制御の神経基盤を解明する。

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このプロジェクトは、国立衛生研究所臨床センターの学内研究プログラムによって資金提供されました。私たちは、このプロトコルで提示された手順を洗練する上で、Thomas Bulea 博士、PhD、Laurie Ohlrich、PTとの有益な議論に感謝します。Muyinat W. Osoba と Andrew Gravunder, MS がアニメーションの制作を手伝いました。

注：このプロトコルは、国立衛生研究所の施設内倫理委員会（：NCT01829724 ClinicalTrials.gov識別子）によって承認された。すべての参加者が質問をしたり、参加する前にインフォームドコンセントを提供する機会を与えられている。血管拡張と血管収縮薬の最近の使用による血行動態応答への変更を考慮して、参加者は3。これらのアニメーションのビデオがカスタム我々の研究室で行われた実験前24時間アルコールやカフェインを控えるように求められますが、他で記録することができた代わりの研究課題に特有の音や画像。 1.前に参加者の到着にルームを設定します。 <ol><li>モーションキャプチャメーカーの特定のプロセスに応じて実験室の座標にモーションキャプチャカメラを相対的に較正する。カメラ位置は本体の両方にすべてのマーカーの記録を可能にしていることを確認してくださいそしてテストされるタスク時の参加者の頭。較正プロセスは、モーションキャプチャシステムの精度を保証し、任意の運動実験のための標準的な慣行である。反射マーカーを確実に特定することができた17メートル3のおおよその容量で、10のカメラシステムを使用してください。 </li><li>モーションキャプチャとfNIRSコンピュータのBNC入力に指示コンピュータからトリガーを接続します。トリガがマウスボタンに接続されていることを確認し、マウスをクリックすると、回路を完成し、auxillaryアナログ入力としてモーションキャプチャ/ EMGデータ収集ボードにとfNIRSデータ取得ボードに同時にパルスを送る。 </li><li>ビデオを開始すると、両方のデータ·アクイジション·システム上で同時に電圧変化の原因となるような、命令アニメーションのビデオを実行するコンピュータにUSBポートを介してこのマウスを接続します。 注：EMG信号が自動的にモーションキャプチャソフトウェアによって同期され、保存されているので、ADDITEMGシステムのionalパクは必要ありません。 </li><li>参加者に表示されるように指示するための画面とプロジェクターを設定します。誤選択肢かもしれない不要な項目を削除します。彼らは参加者の動きの完全なビューを持つことになります三脚とデジタルビデオカメラを置きます。 </li><li>反射マーカーがしっかりとプローブの各オプトードの最上部に接続されていることを確認します。 </li><li>例えば、同意と同意のコピー、臨床検査シート、および実験的なノートシート：すべての必要書類を組み立てます。 </li></ol> 2.基本的施策<ol><li>インフォームドコンセントのプロセスが完了した後、測定し、記録参加者の身長、体重、年齢、および頭囲。 </li><li>示されるように、エディンバラ利き手インベントリ10および他の臨床検査を管理します。レコード·参加者から報告された髪や肌タイプ。 </li><li>両側に後部腸骨棘（PSIS）に反射マーカーを配置。 5回、そして彼らの自己選択した歩行ペースを推定するための試行間で速度を平均 - ラボ間で3を彼らの快適なペースで参加者の散歩を持っている。 </li></ol> 3.機能近赤外分光法（fNIRS）セットアップ注：支援するための十分な実験者や研究スタッフがある場合、これは、EMGとモーションキャプチャーのセットアップと同時に完了することができ、参加者は、複数の人が同時にそれらに近い、快適である場合。 <ol><li>ナジオン（NZ）とイニオン（Izの）間の距離を測定し、右（Ar）と左（Al）の耳に事前耳点の間。これら二つの対策の中間点の交点が洗えるマーカーを用いて頭皮にマークされているCzを、である。 </li><li>オプトードが配置される頭皮を露出させるために三つ編みやポニーテールを使用して、髪の小さな部分からの参加者が長い髪を持っている場合、セクション。 </li><li> fNIRSがT上にプローブ置き彼参加者の頭部、Czを、Arで整列するように注意しながら。それは頭皮の上に置かれるように次に離れオプトードの下から髪を移動します。最後に、所定の位置にしっかりオプトードを保持するためにベルクロストラップを取り付けます。 注：このプロトコルでは、1頭の後ろに行くストラップ、額に行く1、および顎の下になり1を持ってキャップを使用しています。オプトードは耳を取り囲む柔軟なプラスチックリングにマジックテープでこのキャップに固定されている。 <ol><li>参加者は（あまり長さ約2インチより）短い髪を持っている場合、小さな薄いスティックや櫛のプラスチック端とオプトードの間に毛を抜く。 </li></ol></li><li>すべてのオプトードケーブルが平らに横たわっていること、およびオプトードは頭皮の表面にほぼ垂直であることを確認してください。 <ol><li>必要に応じて、オプトードの垂直位置合わせを促進するためのオプトードケーブルのグループの下に泡の薄片を置く。 </li></ol></li><li>プローブの快適さについて、参加者と確認し、必要に応じて調整します。彼らの快適さは、実験中の任意の時点で減少した場合の実験者に伝えるように指示。 </li><li>情報源をオンにして、信号を確認してください。 <ol><li>このシステムでは、690及び830nmの両方の波長で、少なくとも80デシベルの強度とdeltaOD（光学密度変化）の信号ではっきり見える心拍を有する信号を確保する。チャネルは、信号がこれらの基準を満たしていない持っている場合は、その毛を確認する（複数の）オプトードを遮断し、信号強度を最大にするために、必要に応じて、検出器の利得を調整されていない。モーションキャプチャカメラがこの時間の間、オフになっていることを確認してください。 注：その他のfNIRSのマシンは690と830 nmの異なる波長で動作することができる。この場合には、使用されているマシンに最も適切な波長を確認してください。 </li></ol></li><li>ニュージーランド、Izのは、Ar、及びAlに反射マーカーを追加します。まだ保持し、これらとfNIRSオプトードマーカーモーションキャプチャデータの約2秒を収集するために、参加して下さい。それを確認してくださいすべてのマーカーを記録し、必要に応じて追加の試験を集めてきた。これは、カメラとマーカー間の視線を向上させるためにヘッド位置を変更するために参加者を必要とし得る。 1が利用可能な場合は、参加者の個々の構造MRIの確率的な登録のために、分析中にこれらの収集3次元の位置を使用してください。 </li><li>モーションキャプチャカメラからの干渉または飽和の検出器を保護するためにfNIRSのオプトードの上に黒いフェルトまたは他の光学的吸収性材料のいくつかの層でカバーを追加する。ケーブルとfNIRSユニットのフロントパネルもよく、同じ光学的に吸収性材料を使用してシールドされていることを確認します。 </li></ol> 4.表面電図（EMG）のセットアップ<ol><li>筋収縮の間に解剖学的、触診を使用して各ターゲットの筋肉の筋肉の腹を見つけて、電極配置は、11を案内する。 注：このプロトコルで対象と筋肉がBILが含まateral内側腓腹筋、前脛骨筋、大腿直筋、外側広筋、大腿二頭筋、伸筋橈側手根、と橈側手根屈筋。 </li><li> SENIAM 12で推奨されているように、イソプロピルアルコールパッドで清掃後、テープで死んだ皮膚細胞を除去し、そして、シェービングによる筋肉の腹の上のEMG電極配置の準備と、皮膚が乾燥するのを待つ。 </li><li>筋線維の方向を向いEMG電極を配置します。 </li><li>自己接着性のラップでぴったりと包みます。 </li><li>筋肉がアクティブなときに適切な電極配置を確保するために、徒手筋力テストを実行し、信号変化の明確な可視化しながら、コンピュータ上の筋肉の信号を確認してください。 </li></ol> 5.モーションキャプチャの設定<ol><li>合弁のランドマークで反射マーカーを配置します。これらには、内側および外側のくるぶし、内側および外側膝関節を含む腸骨棘（ASIS）、後部腸骨棘（PSIS）、橈骨、尺骨ロイド、メディを前方ら上腕骨epicondyl、横上腕骨epicondyl。 </li><li>足、シャンク、太もも、手、そして前腕を含む関心の各セグメント上に、3つ以上のマーカー、またはマーカーの剛体クラスタを配置します。 </li><li>参加者はそのような90°の肩の屈曲と90°の肘屈曲時に腕を立っとして、標準化された位置に静止している間にモーションキャプチャデータの約2秒を収集します。すべてのマーカーがはっきりとカメラに表示されていることを確認してください。 </li></ol> 6.歩行タスク<ol><li>トレッドミルへの参加者転送を持っている。 fNIRSオプトードケーブルをサポートすることにより、それらを支援して、患者が位置にある後に天井のサポートにケーブルを固定します。患者は転倒のリスクが高い場合、このタスク中に、安全のため、体重支持ハーネスを使用する。 </li><li>ゆっくりと設定された条件に慣れて参加者を得るために測定された自己選択した歩行速度に構築、トレッドミルを開始します。ストップまで続い遅い再び。 </li><li>休むまたは移動するか、参加者を頭出しします聴覚フィードバックとアニメーションファイルを設定します。参加者とレビュータスク命令としてまだ残っているためにそれらを伝えると、できるだけリラックスした「休止」期間中とするために、画面上の小さな黒い円に彼らの注意を集中しながら、「タスク」期間中にトレッドミルの設定された速度で歩くことデータ収集の期間。 </li><li>ライトを暗くし、モーションキャプチャコンピュータとfNIRSコンピュータ上のデータ収集を開始します。ビデオカメラに記録を開始。 </li><li>マウス·トリガーを使用して、このタスクに関連付けられているアニメーションファイルの再生ボタンをクリックします。トリガーはモーションキャプチャとNIRSシステムの両方によって受信されたことを確認してください。 <ol><li>彼らは裁判の間、フォーカスポイントを持つように、視界の参加者のラインに位置の黒ドットの画像に切り替えます。 注：それぞれの概要概略図試験は、図2に示されている。 </li></ol></li><li>参加者のパフォーマンスを監視し、必要に応じて速度、または無関係な随意運動に関するフィードバックを提供する。 </li><li>教育アニメーションの終了時に、モーションキャプチャ、EMG、およびfNIRSシステム、並びにビデオカメラで記録を停止する。参加者に休息や必要に応じて位置をシフトする機会を与える。 </li></ol> 7.両側下肢サイクリングタスク<ol><li> fNIRSオプトードケーブルをサポートするために、モーションキャプチャマーカまたはEMG電極バンプまたは取り除くしないように注意しながら、可動背中と脚をサポートする台座への参加者の移行を持っている。実験中の快適性を向上させるために、発泡シートクッションを持っている。 </li><li>位置にサイクルフレームを持ち上げて、ストラップ付き台座に固定します。 </li><li>ペダルに足を固定し、ペダルに快適で自然な距離を促進するため、必要に応じて、サイクルの位置を調整します。アットサイクルにおける最も遠い点、約10°屈曲で自分の膝を維持する。 注：この時点で、参加者はいくつかのトランクサポートを提供し、休止期間中にリラクゼーションを促進し、半横臥姿勢、になります。 </li><li> 「タスク」期間中に約60 rpmで「休止」期間中に、サイクルに静止し、リラックスした可能性として残るためにそれらを言って、参加者とのレビュータスク命令。 </li><li>繰り返しますが6.4から6.7のステップ。代わりにドット、プロジェクト休息または視覚と聴覚フィードバックを移動するいずれかの参加者を頭出しします漫画のアニメーションの画像に切り替える。参加者は、現在の裁判で、経過した時間を監視することができない、または残っているように、映画のウィンドウを最大化します。 </li></ol> 8.ハンド絞るタスク<ol><li>サイクルとサイクル自体から足を除去した後、参加者の前にベッドテーブルを配置し、メイキン参加者の腕が快適な位置にあるテーブルではサポートされていることを確認グラム。 </li><li> 「タスク」期間中に約一回秒（1ヘルツ）あたりの柔らかい物体を圧迫する参加者に指示し、「静止」期間中に、できるだけリラックスしたままです。 </li><li>手順を繰り返し7.5。 </li></ol> 9.足首背屈タスク<ol><li>ベッドテーブルを削除して、参加者のビューに足をもたらすためにアップする台座の足置き部を上げる。 </li><li>参加者の靴と靴下を削除し、適切な位置に足マーカーを交換してください。足首関節の運動を可能にするだけでフォームパッドとの足関節の上にふくらはぎをサポート。 </li><li> 「タスク」期間中に秒（1ヘルツ）に約1回自分の足首をdorsiflexする参加者に指示し、「休止」期間中に、できるだけリラックスしたままです。 </li><li>手順を繰り返し7.5。 </li></ol>プロの10.結論トコール<ol><li>キャップを外し、圧力や赤みのエリアの皮膚を検査する。 </li><li>すべての反射マーカーとEMGユニットを取り外します。 </li><li>自分の時間のために参加者に感謝し、プロトコルの主観的な経験についての彼らの入力を招待。これは正式なアンケート（経頭蓋磁気刺激のための13ガーベイらによって使用されるような）、または将来的に向上させることができ、不快感の一般的な原因を特定するための非公式の議論であることができる。 </li></ol>

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著者らは開示するものは何もない。

皮質の対象地域と人は運動障害を持つものだけでなく、一般的に発展途上の人口の両方で、運動の神経制御の我々の理解を向上させるためのプレゼント多大な可能性を移動する方法についての定量的データから脳活動の同時コレクション。広範なアプリケーションは、参加者が仰臥位に制限されないように、それらが機能的MRIで使用されるように、完了することができ、年齢や運動タスクの面でもある。市場で入手可能ないくつかのモーションキャプチャモーション定量システム、EMGシステム、fNIRSシステムがあり、それらはここで提案のものの代わりに使用することができる - 特定の装置部品、材料リストで示唆したものに限定されるものではない。また、選択されたモーションキャプチャシステムを使用している本体と頭部または非光学的技術の両方のマーカーを局在化するために、測定に十分なボリュームがない場合は、3-D位置追跡スタイラスは、共通の座標系における解剖学的目印に対してオプトードを見つけるために、代わりに使用することができる。それはさらに、心拍数や血圧などの生理学的データを収集することができれば最後に、この情報のHbO及びHBr時系列の分析を知らせるために有用であろう。 <p c...

機能タスク中の神経イメージングは​​、皮質における血流動態を測定することにより、脳活動の領域を特定するための非侵襲的な機能的近赤外分光法（fNIRS）を使用して、よりポータブルかつコスト効率となっている。 fNIRSの移植性は、そのような機能的磁気共鳴画像法（fMRI）などの他の技術では不可能である歩行1、のように直立し、機能タスクの研究に特に有用である。この機能は、神経学と神経科学の分野で重要であり、脳性麻痺（CP）とモータ制御に影響を与える他の神経学的状態の小児および成人における運動障害のメカニズムに新たな洞察を提供することができます。メカニズムを理解することは、減損および活動の制限のソースをターゲットに効果的な介入を設計する能力を向上させます。 運動課題の多くは、fNIRS研究は、これまでに成人の健常者集団の一部とされているicipantsは、特定のタスクとタスクパフォ​​ーマンスの監視は目視検査に限定さを指示している。これは典型的な動きやエンゲージメントの高いレベルとのそれらのための十分であるが、運動障害や困難一般的に発展途上の子供たちを含め、長期間、タスクへの出席を持っている人と、参加を検討する際には受け入れられないことができます。これらの場合の脳の活性化の分析を知らせるために、実際に完了した運動パターンの同時監視が必要である。 fNIRSシステムや使用法の包括的なレビューは、使用を導き、これらのシステムの精度と感度を証明するために役立つことが文献2-5に提示されているが、fNIRSデータの収集、処理および解釈の技術的な問題がまだ残っている。髪の色や太さは、光transmiをブロックまたは歪める可能性が最も高い濃い太い毛で、光信号の品質に影響を与えるssion 3,6。毛包密度が最大である頭頂部領域に位置する感覚運動領域を研究する場合に特に関連し、そしていくつかの研究は、非応答者6,7を報告している。十分に確立された国際10/20システムがオプトードの配置のために使用することができますが、必須ではないが、正確に解釈するようにした場合、特に非定型脳解剖学のものの場合には、参加者の解剖学的MRIのオプトードの場所の同時登録が非常に便利です結果。 小児期発症脳損傷で脳の活性化を評価するためのfNIRSの使用はかなり最近のことであるが、一方的な脳性麻痺6,8,9の領域に勢いを増し。上記の課題を考慮して、このプロトコルは、単純な単一の関節のタスクだけでなく、より複雑な全身運動を含むタスクの数、中fNIRS、モーションキャプチャ、および筋電図（EMG）監視を組み合わせた。視覚と聴覚のガイダンスは私たちです参加者の複数の経年注意、タスクのパフォーマンスを改善するために編プロトコルの目標は、一般的に開発している人たちに比べて一方的及び二国間の小児期発症脳損傷を持つもので脳活性化パターンの違いを識別することである。私たちは、メソッドのさまざまなアプリケーションを説明するために、完全な身体の動き（歩行）、二国間の下肢の多関節運動（サイクリング）、および2つの一方的なシングルの関節の動き（分離足首背屈、及び孤立した手のスクイズ）を探る。同じまたは非常に類似したプロトコルは、他の感覚や運動障害または関心のある他のタスクを研究するために使用することができた。 近赤外光の連続波は、カスタム設計された光源 - 検出器構成を使用して、50Hzの速度でfNIRSシステムを用いた感覚運動皮質の上に690 nmおよび830 nmで放射され、検出された。 EMGデータは、1000ヘルツの周波数で無線で収集した。反射マーカの3次元位置であった100Hzの速度で、光学式モーションキャプチャシステムによって収集された。 2つの異なるコンピュータは、データ収集、fNIRS用とモーションキャプチャとEMGのために別のものを取り扱う。データは、各タスクの教育アニメーションを開始するには、マウスボタンプレスに対応する第3のコンピュータからトリガパルスを使用して同期された。歩行以外のすべてのタスクについては、教育アニメーションは漫画の動物のジャンプやキックだけでなく、聴覚信号によって表されるタスク（1ヘルツ）、のペースの視覚的なガイダンスを使用して参加者のパフォーマンスを標準化するために設計されました。

<table><tbody><tr><td>CW6</td><td>TechEn</td><td>http://nirsoptix.com/</td> <td>fNIRSマシン、含まれるモジュールの数に応じて、ソースと検出器</td></tr>の数が可変 <tr><td>MXシステム、10台のT40シリーズカメラ</td><td>Vicon Motion Systems Ltd.、オックスフォード、英国</td><td>http://www.vicon.com/System/TSeries</td><td>モーションキャプチャカメラ</td></tr><tr><td>反射型4mmマーカー</td><td>Vicon Motion Systems Ltd.、オックスフォード、英国</td><td></td><td>モーションキャプチャカメラがfNIRSオプトード、Ar、Al、Nz、および手の座標を見つけるために使用するマーカー。</td></tr><tr><td>反射型9.5mmマーカー</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td></td><td>モーションキャプチャカメラが腕と脚の座標を見つけるために使用するマーカーです。四肢のセグメントにはクラスターが使用され、PSISとIzにはオフセット付きのマーカーが使用され、データキャプチャの信頼性が向上します。</td></tr><tr><td>Trigno Wireless EMG system</td><td>Delsys, Inc. マサチューセッツ州ネイティック</td><td>http://www.delsys.com/products/wireless-emg/</td> <td>筋電図</td></tr><tr><td>バーテック スプリットベルト計装トレッドミル</td><td>バーテックコーポレーション、オハイオ州コロンバス</td><td>http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html</td><td>トレッドミル</td></tr><tr><td>ZeroG 体重サポートシステム</td><td>アレテック、LLC、バージニア州アッシュバーン</td><td>http://www.aretechllc.com/overview.html</td><td>ケーブルを支えるために使用されるトラックとパッシブトロリー、ハーネスは歩行試験中の患者の安全に使用できます</td></tr><tr><td>3DS Max 2013</td><td>Autodesk, Inc., San Francisco, CA&nbsp;</td><td>http://www.autodesk.com/</td> <td>教育ビデオ用の動物をアニメーション化するために使用される3Dアニメーションソフトウェア</td></tr><tr><td>Windowsムービーメーカー</td><td>マイクロソフトコーポレーション、レドモンド、ワシントン</td>州 <td></td><td>http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker アニメーション映像と音楽を組み合わせるために使用されるソフトウェア</td></tr><tr><td>Audacity</td><td>オープンソース</td><td>http://audacity.sourceforge.net/</td> <td>音楽のビートを適切なリズムに変更するために使用されるソフトウェア</td></tr></tbody></table>

運動課題中に同時キネマとemgの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

機能的近赤外分光法（fNIRS）は人間の動きの神経制御の研究で提示していることはいくつかの利点がある。これは、参加者の位置に対して比較的柔軟であり、タスクの中にいくつかの頭の動きを可能にする。加えて、その使用に非常に少数の禁忌で、安価な軽量、ポータブルである。これは、典型的には、開発、並びに脳性麻痺のような運動障害を有するものしている個体において、モータ作業時に脳機能活性を研究するためのユニークな機会を提供する。運動障害を研究する追加の考慮事項は、しかし、実行される実際の動きの品質と追加、意図しない動きの可能性である。したがって、両方の血流の脳の変化と試験中の体の実際の運動の同時モニタリングはfNIRS結果の適切な解釈のために必要とされる。ここでは、fNIRSの組み合わせのためのプロトコルを示す運動課題中の筋肉と運動学的モニタリング。私たちは、歩行を探る、一方的な多関節運動（サイクリング）、および2つの一方的なシングルの関節の動き（分離足首背屈、及び孤立した手のスクイズ）。提示された技術は、定型および非定型の両方のモータ制御を研究するのに有用であることができ、タスクおよび科学的問題の広い範囲を調査するために改変することができる。

このプロトコルは、参加者が運動課題（ 図1）を実行しながら、脳の血流、電気的筋肉活動、および関節の運動学的な動きをキャプチャするために3モダリティの同時取得を調整する。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> 図1.プローブの場所。この図の左側部分は（青、ブロードマンエリア1,2,3で）感覚野のおおよその位置、（緑の中で、ブロードマンエリア4）一次運動野、および運動前野領域を示し（オレンジ色で、ブロードマンエリア6）。この図の右側部分は、その関連機能（MGHオプティクス事業部15からオープンソースのダウンロード可能）AtlasViewerGUIを使用して生成された。手短に言えば、このプローブ設計はソース、検出器、およびanatoの空間的配置を用いColin47アトラスの表面に登録されたmicalランド（ソースは青...

直立運動課題中の脳活動を監視することは、運動障害の神経源を調査する際に大きな価値があります。ここでは、機能的な近赤外分光法と、4種類の運動課題における筋肉および運動学的活動の継続的なモニタリングを組み合わせたプロトコルを実演します。

運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

この手順の全体的な目的は、異なる運動タスク中のキネマティクス（運動学）およびEMG（筋電図）の同時モニタリングを行いながら、脳の感覚領域および運動領域において機能的近赤外分光法（fNIRS）を使用する方法を示すことです。まず、fNIRSオプトードを被験者の頭部に配置し、CZおよび耳前点に合わせて調整します。次に、ターゲットとなる筋肉の筋腹にEMG電極を、解剖学的指標に反射マーカーを配置します。次に、被験者が運動タスクを実行している間に、fNIRS、EMG、およびモーションキャプチャシステムから同時にデータを収集します。最終的に、fNIRSを用いて、片側性または両側性の小児期脳損傷がある人と、定型的に発達した人との間の脳活性化パターンの違いを特定します。fMRIなどの既存の手法に対するこの手法の主な利点は、歩行などの直立状態で機能的なタスクのパフォーマンスを研究できることです。この手法は、損傷後に脳がどのように再編成されるのか、またその損傷が運動タスクのパフォーマンスにどのような影響を及ぼすのかといった、神経リハビリテーション分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。運動障害の研究にこの技術を用いることで、モーションキャプチャと筋電図を通じて、意図的な動きおよび不随意な動きを定量化しながら、同時に脳活動を測定することが可能になります。一般的に、この手法に不慣れな方は、最適な信号品質を得るために、丁寧な髪の準備とners optosの適切な配置という精密なセットアップが必要となるため、習得に苦労することがあります。本日の手順のデモンストレーションを補助するのは、当研究室のリサーチ・フィジカルセラピストであるC Ann Zary Gallagher博士と、NIHリサーチフェローのNo Robinson氏です。それでは、N'Sのデータ収集に含まれる手順について説明します。参加者に実験手順を説明し、インフォームドコンセントを得てください。次に、エジンバラ利き手調査およびその他の臨床検査を実施し、参加者の毛髪および皮膚のタイプを記録します。参加者の身長、体重、および年齢を測定して記録します。その後、頭囲、鼻根から後頭結節（inion）までの距離、および左右の耳の耳前点間の距離を測定し、手順を開始します。後者の2つの指標の中点である交差点をczとし、NASおよびianラインに沿って髪を分け、水性マーカーを使用して頭皮上に印を付けます。参加者の髪が長い場合は、optosを配置する頭皮部分を露出させるために、三つ編みやポニーテールにして髪を固定してください。その後、CZおよびAR alと合わせるように注意しながら、F nearsプローブを参加者の頭部に配置します。次に、髪の毛が接触を妨げないように注意しながら、オプトードを頭皮に直接配置します。髪の毛は信号の質を低下させる可能性があるため、これは極めて重要なステップです。続いて、ベルクロストラップを装着し、オプトードをしっかりと固定します。すべてのオプトケーブルが平らに置かれ、オプトが頭皮の表面に対して垂直になっていることを確認してください。必要に応じて、オプトの垂直方向の配置を促すために、オプトケーブルの束の下に薄いフォーム材を敷いてください。次に、すべての検出器で測定される光強度が少なくとも80dBであることを確認し、690 nmと830 nmの両方の波長のデルタOD信号に心拍がはっきりと現れていることを確認します。これらの基準を満たさない場合は、毛髪を確認し、オプトードを遮っていないか確かめてください。その後、必要に応じて検出器のゲインを調整し、信号強度を最大化します。続いて、被験者のNZ、ar、al、およびizに反射マーカーを貼付します。被験者に静止してもらい、これらのマーカーおよびF nears optoマーカーについて、約2秒間のモーションキャプチャデータを収集します。次に、f nears optosの上に、黒いフェルトやその他の光吸収材を数層重ねたカバーを被せます。モーションキャプチャカメラからの干渉や飽和から検出器を保護するため、F nearsユニットのケーブルとフロントパネルも、同様の光吸収材を用いて十分に遮蔽してください。電極の配置と皮膚の準備には、Sentiumのガイドラインに従いました。このステップでは、解剖学的指標、筋肉収縮時の触診、および電極配置ガイドを用いて、各標的筋の筋腹を特定します。その後、筋線維の方向に合わせてEMG電極を配置します。次に、関節のランドマークに反射マーカーを配置します。被験者が肩関節を90度屈曲させ、肘関節を90度屈曲させた状態で立っているときに、約2秒間のモーションキャプチャデータを収集します。次に、F nearsオプトケーブルを保持して被験者がトレッドミルまで歩くのを補助し、ケーブルを天井のサポートに固定します。参加者が所定の位置に就いた後、休憩中はできるだけ静止してリラックスし、タスク期間中はあらかじめ決定した歩行速度で歩くよう指示します。また、データ収集中は画面上の小さな黒い円に注意を向けるよう伝えてください。その後、照明を落とし、モーションキャプチャ用コンピュータとF-NIRS用コンピュータでデータ収集を開始します。このタスクに関連付けられたアニメーションファイルを再生してください。ウィンドウを最大化し、黒い点の画像を被験者の視線上に配置します。この点が試行期間中の注視点となります。被験者のパフォーマンスをモニターし、必要に応じて速度や不要な随意運動についてフィードバックを行ってください。指導アニメーションの終了後、モーションキャプチャ、EMG、および F-force システムの記録を停止します。参加者に、必要に応じて休息させたり、姿勢を調整させたりします。このタスクでは、参加者を背もたれと脚支持の可動式プラットフォーム（治療台）へ移動させます。光ファイバーケーブル付近を支持することを忘れず、モーションキャプチャーマーカーやEMG電極が脱落しないよう注意してください。被験者に対し、休息期間中はできるだけ静止してリラックスし、タスク期間中は約60 RPMでサイクリングするように指示します。その後、被験者が時間を確認できないようムービーウィンドウを最大化し、視覚および聴覚フィードバックによって休息または動作を促すアニメーションを投影してください。次に、参加者の目の前にベッドテーブルを配置し、参加者の腕が快適な位置でテーブルに支えられていることを確認します。その後、タスク期間中は1秒に1回の速度で柔らかい物体を握り、休息期間中はできるだけリラックスした状態でいるよう参加者に指示します。続いて、ベッドテーブルを取り除き、診察台のフットレスト部分を上げて、参加者が自分の足を見えるようにします。被験者に対し、タスク期間中は1秒に1回の速度で足関節を背屈させ、休息期間中はできるだけリラックスした状態で待機するように指示します。セッション終了後、キャップを取り外します。ここにあるすべての反射マーカーとEMG電極は、骨格再構成、関節角度、およびEMGの例です。左足背屈タスクの場合、表示されている試行中のタスク期間は約4.5秒に始まり、19.5秒まで続きます。定型発達の13歳個体において、標的である左足関節以外の関節の動きは非常に限定的です。また、動作をサポートする前脛骨筋を除き、タスク中および休息時の筋肉は概して静止状態にあります。以下は、左背屈タスク中のF近接活性化マップの例であり、青い枠線でサンプリングされた概略領域が示されています。この図は、典型的な発達段階にある1名の青年が左足関節を背屈させた際の、動作開始後5秒から10秒の間における平均酸素化ヘモグロビン反応を示しています。青色の部分は活性化していないことを表し、赤色の領域はタスク期間中に酸素化ヘモグロビンが増加した領域を示しています。この手法を習得すれば、適切に実施することで約2時間で完了させることができます。近赤外光を用いた操作は危険を伴う可能性があるため、本手順を行う際は、研究者および被験者の目を光源から保護するといった予防策を常に講じなければなりません。この手順に従って操作を行います。解剖学的MRI画像との共登録や、キネマティクスおよびEMGデータからの回帰係数の決定といった他の手法を併用することも可能です。これにより、脳活動の正確な局在化や、意図しない活動の神経源などの追加的な疑問への回答が可能になります。このビデオを視聴することで、運動タスクの実行中における脳の感覚領域および運動領域の活性化を研究するために、動作モニタリングツールを神経測定と統合する方法について深く理解することができます。

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Research

JoVE Journal

Behavior

行動

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実世界認知課題における脳活動を監視するために繊維のない、ウェアラブルfNIRSを用いて

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