Abstract
Есть несколько преимуществ, что функциональная ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) представляет в изучении нервной контроля движения человека. Это довольно гибкая по отношению к участнику размещения и позволяет для некоторых движений головы во время задач. Кроме того, это недорогой, легкий вес, и портативный, с очень немногими противопоказаниями к его применению. Это представляет собой уникальную возможность для изучения функциональной активности мозга во время двигательных задач у лиц, которые, как правило, развиваются, а также тех, с двигательными нарушениями, такими как детский церебральный паралич. Еще одно соображение при изучении двигательных расстройств, однако, качество фактических движений, выполняемых и потенциал для дополнительных, непредвиденных движений. Таким образом, параллельного мониторинга как изменений кровотока в головном мозге и фактических движений тела во время тестирования, необходимые для соответствующей интерпретации fNIRS результатов. Здесь мы покажем, протокол для комбинации fNIRS смышцы и кинематической мониторинг во время двигательных задач. Мы исследуем походку, одностороннее несколько совместных движения (велоспорт), и два односторонних одной совместные движения (изолированные лодыжки сгибание и изолированные Рука, выдавливание). Методы, представленные может быть полезна при изучении как типичные и атипичные управления двигателем, и может быть изменен, чтобы исследовать широкий круг задач и научных вопросов.
Introduction
Neural изображений в ходе функциональных задач стало более портативными и экономически эффективного использования неинвазивного функционального Инфракрасный спектрометр (fNIRS) для определения направления деятельности мозга путем измерения динамики кровотока в коре головного мозга. Портативность fNIRS особенно полезно при исследовании в вертикальном положении и функциональных задач, таких как походки 1, что невозможно с другими технологиями, такими как функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эта возможность имеет решающее значение в области неврологии и неврологии, и может обеспечить новое понимание в механизмы, лежащие в основе двигательных расстройств у детей и взрослых с церебральным параличом (CP) и других неврологических условий, влияющих на управление двигателем. Понимание механизмов улучшает способность разрабатывать эффективные мероприятия для целевой источник нарушений и ограничений деятельности.
Многие fNIRS исследования двигательных задач на сегодняшний день были со здоровой популяции взрослых, где частьicipants поручено выполнить определенную задачу и мониторинг выполнения задач ограничивается визуальным осмотром. Это может быть достаточным для тех, кто типичных движений и высоким уровнем взаимодействия, но не приемлемо при изучении участникам двигательных расстройств или тех, кто имеет трудности лечащего к задаче в течение длительных периодов времени, в том числе, как правило, развивающихся детей. Для того, чтобы сообщить анализ активации мозга в этих случаях одновременно мониторинг шаблон двигателя, что на самом деле завершил требуется.
Комплексные обзоры fNIRS систем и обычаи были представлены в литературе 2-5, что руководство по использованию и помогает продемонстрировать точность и чувствительность этих систем, но технические проблемы в области сбора, обработки и интерпретации fNIRS Данные по-прежнему. Цвет и толщина волос влияют на качество оптического сигнала, с темно-густыми волосами, скорее всего, чтобы блокировать или исказить оптического transmiделения 3,6. Это особенно актуально при изучении сенсомоторной области, расположенные на площади макушке головы, где плотность волосяной фолликул самый большой, и некоторые исследования показывают, не ответивших 6,7. Наличие хорошо отлаженной системы международного 10/20 может быть использован для размещения optodes, но особенно в случае тех, с нетипичным анатомии мозга, со-регистрации optode места в анатомическом MRI участника очень полезно, если не важно, чтобы точно интерпретировать Результаты.
Использование fNIRS оценить активацию мозга в детстве началом черепно-мозговой травмой сравнительно недавно, но набирает обороты в области одностороннего церебральным параличом 6,8,9. С учетом указанных выше проблем, этот протокол сочетает в себе fNIRS, захват движения, и электромиографические (ГРП) мониторинг на протяжении ряда задач, в том числе простых одно- совместных задач, а также более сложных движений всего тела. Зрительные и слуховые руководство это мыред улучшить внимание и запуск задач между несколькими возрасте от участников. Цель протокола заключается в выявлении различий в мозговых варианты активации у больных с односторонней и двусторонней детском возрасте черепно-мозговой травмой сравнению с теми, кто, как правило, развивается. Мы исследуем полный движения тела (походки), двустороннее нижних конечностей мульти-совместное движение (велоспорт) и два односторонних одной совместные движения (изолированные лодыжки сгибание и изолированный Рука, выдавливание), чтобы проиллюстрировать разнообразие применений методов. То же или очень похожий протокол может быть использован для изучения других сенсорных или двигательных расстройств или других задач, представляющих интерес.
Непрерывный волна вблизи инфракрасного света излучается и обнаружен на 690 нм и 830 нм в течение сенсомоторных коры с использованием системы fNIRS со скоростью 50 Гц, используя конфигурацию специально созданных источника детектора. Данные ЭМГ были собраны без проводов на частоте 1000 Гц. Светоотражающие маркировочные места 3-D былисобирают с помощью оптической системы захвата движения со скоростью 100 Гц. Двух разных компьютерах обрабатываются сбора данных, один для fNIRS, а другой для захвата движения и ЭМГ. Данные были синхронизированы с помощью запускающего импульса от третьего компьютера, что соответствует кнопке мыши прессе, чтобы начать учебный анимации для каждой задачи. Для выполнения любых задач, за исключением походкой, учебные анимации были разработаны, чтобы стандартизировать работу участника, используя визуальную ориентировку о темпах выполнения задачи (1 Гц), представленной в прыжках мультфильм животных или ногами, а также слухового кия.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол был одобрен Институциональным наблюдательным советом Национального института здоровья (ClinicalTrials.gov Идентификатор: NCT01829724). Всем участникам предоставляется возможность задать вопросы и дать информированное согласие до их участия. С учетом изменений, внесенных в ответ гемодинамики, вызванные недавним приемом сосудорасширяющих средств и сосудосуживающих участников просят воздержаться от алкоголя и кофеина в течение 24 часов до эксперимента 3 .Эти анимации видео были на заказ в нашей лаборатории, но может быть записан с другом звуки или изображения, характерные для альтернативных исследовательских вопросов.
1. Установите номер до прибытия Участника.
- Калибровка Motion Capture камеры по отношению к координатам лаборатории в соответствии с конкретным процессом захвата движения изготовителя. Убедитесь, что позиции камеры позволяют записывать всех маркеров как на телеи глава участника во задач, которые будут проверены. Процесс калибровки обеспечивает точность системы захвата движения и является стандартной практикой для любой лаборатории движения. Используйте систему десяти камеры, с приблизительным объемом 17 м 3, где светоотражающие маркеры могут быть надежно идентифицированы.
- Подключите триггер инструкции компьютера входов BNC захвата движения и fNIRS Компьютеры. Убедитесь, что триггер подключен к кнопке мыши, и кнопки мыши замыкает цепь и посылает импульс одновременно с захвата движения / EMG платы сбора данных и к плате сбора данных fNIRS как добавочные аналоговые входы.
- Подключите эту мышь через порт USB к компьютеру, запустить команд анимации видео, например, что, начиная видео вызовет изменение напряжения одновременно на обеих системах сбора данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: сигналы ЭМГ автоматически синхронизируется и сохраняется с помощью программного обеспечения захвата движения, так допРациональная губами системы EMG не требуется. - Настройка экрана и проектора для Инструкции для показа участника. Удалить ненужные элементы, которые могут быть дистракторы. Поместите штатив и цифровую видеокамеру, где они будут иметь полное представление о движениях участника.
- Убедитесь, что светоотражающие маркеры были надежно закреплены на верхней части каждой optode в зонде.
- Соберите все необходимые документы: согласие и согласия копии, клинический осмотр листы, и экспериментальные заметки листы, например.
2. Основные меры
- После завершения процесса информированного согласия, измерять и рост, вес, возраст, и окружность головы участника пластинки.
- Администрирование Эдинбург РУКУ инвентаризации 10 и другие клинические экзамены, как указано. Запись участник сообщил волос и кожи типы.
- Поместите отражающие маркеры на задней подвздошной шипами (ПСИ) в двустороннем, Имейте участника прогулку в их удобном темпе по лаборатории 3 - 5 раз, а средняя скорость по испытаний, чтобы оценить их уверенность в выборе пешехода.
3. Функциональная ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) Setup
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть завершена одновременно с установкой ГРП и захвата движения, при наличии достаточного количества экспериментаторы или научные сотрудники для оказания помощи, и если участник комфортно с несколько людей, являющихся близко к ним, в то же время.
- Измерьте расстояние между Насьон (NZ) и затылочного бугра (Iz), а также между предварительно ушных точек справа (Ar) и левого (AL) уши. Пересечение середине этих двух мер CZ, который отмечается на кожу головы при помощи моющийся маркер.
- Если участник имеет длинные волосы, раздел выключения небольшими порциями волос с использованием косы или хвостики, чтобы разоблачить головы, куда будут помещаться optodes.
- Поместите fNIRS исследовать на тон глава участника, заботясь, чтобы выровнять с камнями, Ar. Затем переместите волосы из-под каждого optode как это положил его на кожу головы. Наконец, прикрепите липучками, чтобы надежно удерживать optodes на месте.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе, используйте колпачок, который имеет один ремень, который идет за голову, тот, который идет на лбу, и тот, который идет под подбородком. Optodes крепятся к этой крышкой на липучке на гибкой пластиковой кольцо, которое окружает ухо.- Если участник имеет короткие волосы (менее примерно 2 дюймов в длину), вытяните волосы между optodes с небольшим тонкую палочку или пластиковый конце гребня.
- Убедитесь, что все кабели optode лежать плоско, и что optodes приблизительно перпендикулярно к поверхности кожи головы.
- Если необходимо, положите тонкую кусок пенопласта под группы optode кабелей для продвижения перпендикулярно выравнивание optodes.
- Проверьте с участником о комфорте зондов, иотрегулируйте при необходимости. Попросите их рассказать экспериментаторов, если их комфорт уменьшается на любом этапе эксперимента.
- Включите источников и проверить сигналы.
- В этой системе, убедитесь, сигнал, который имеет интенсивность, по крайней мере 80 дБ и сердцебиение отчетливо проявляется в deltaOD (изменение в оптической плотности) сигнала, на обоих 690 и 830 нм длинах волн. Когда каналы имеют сигналы, не отвечающие этим критериям, убедитесь, что волосы не блокируя optode (ы), а затем отрегулировать доходы детектора по мере необходимости, чтобы максимизировать интенсивность сигнала. Убедитесь, что захвата движения камеры выключены в течение этого времени.
ПРИМЕЧАНИЕ: Другие fNIRS машины могут работать в диапазоне длин волн, отличающихся от 690 и 830 нм; в этом случае, проверьте длин волн, наиболее подходящую для машины используется.
- В этой системе, убедитесь, сигнал, который имеет интенсивность, по крайней мере 80 дБ и сердцебиение отчетливо проявляется в deltaOD (изменение в оптической плотности) сигнала, на обоих 690 и 830 нм длинах волн. Когда каналы имеют сигналы, не отвечающие этим критериям, убедитесь, что волосы не блокируя optode (ы), а затем отрегулировать доходы детектора по мере необходимости, чтобы максимизировать интенсивность сигнала. Убедитесь, что захвата движения камеры выключены в течение этого времени.
- Добавить отражающие маркеры в Новую Зеландию, из-, Ar, и Al. Попросите участников провести еще и собрать около 2 сек данных захвата движения для этих и fNIRS optode маркеров. Убедитесь, чтовсе маркеры были записаны, и собрать дополнительные испытания по мере необходимости. Она может потребовать от участника, чтобы изменить положение головы, чтобы улучшить прямой видимости между камерами и маркеров. Используйте эти собранные трехмерные местоположения в процессе анализа вероятностных регистрации индивидуального структурного МРТ участника, если таковой имеется.
- Добавить обложку с несколькими слоями черного войлока или другого оптически абсорбирующего материала в верхней части fNIRS optodes для защиты детекторов от помех или насыщения от камер захвата движения. Убедитесь, что кабели и передней панели блока fNIRS также хорошо экранированный, используя тот же оптически поглощающий материал.
4. Электромиография (ЭМГ) Setup
- Найдите мышц живот каждой целевой мышцы с использованием анатомических ориентиров, пальпация во время сокращения мышц, и расположение электродов ведет 11.
ПРИМЕЧАНИЕ: мышцы, намеченного в этом протоколе включают млрд кубateral медиальной икроножной передней большеберцовой, прямая мышца бедра, латеральной широкой, двуглавой мышцы бедра, разгибателей Карпи лучевой и Карпи сгибателей лучевой. - Подготовка к ГРП размещения электродов на мышцы живота после бритья, удаляя мертвые клетки кожи с лентой, а затем очистки с спиртовым тампоном изопропилового, как это рекомендовано SENIAM 12 и ждать коже высохнуть.
- Поместите EMG электрод, ориентированной на направлении мышечных волокон.
- Оберните плотно с себя приверженцем пленкой.
- Проверьте мышц сигналы на компьютере при выполнении мануального мышечного тестирования, чтобы обеспечить правильное размещение электродов и четкую визуализацию изменения сигнала, когда мышцы активны.
5. Движение Setup Capture
- Поместите отражающие маркеры на совместных ориентиров. Они включают в себя медиальной и латеральной лодыжки, средние и боковые коленного сустава, передней верхней подвздошной ости (ASIS), задняя подвздошной ости (ПСИ), радиальное отростка, локтевой Силоид, Mediаль плечевой надмыщелка и боковой плечевой надмыщелка.
- Поместите 3 или более маркеров, или твердого тела кластер маркеров, на каждого сегмента интерес, в том числе пешком, на голени, бедра, руки, и предплечье.
- Соберите примерно 2 сек данных захвата движения, а участник стоит на месте в стандартном положении, например, стоя с оружием на 90 ° плеча сгибания и 90 ° сгибание локтя. Убедитесь, что все маркеры отчетливо видны на камеры.
6. Походка Задача
- Есть передачу участника к беговой дорожке. Помоги им, поддерживая fNIRS optode кабели, а затем закрепите кабели с поддержкой потолка после пациент находится в положении. Если пациент имеет высокий риск падений, используйте поддержки жгут массы тела для обеспечения безопасности во время выполнения этой задачи.
- Начните беговую дорожку, медленно строить до измеряемого себя выбран скорости ходьбы, чтобы получить участник комфортно с установленных условиях. Тогда замедлится до остановкиснова.
- Настройте анимированный файл с слуховой обратной связи, которая будет CUE участника либо отдохнуть или двигаться. Инструкции задач отзыв с участником, говоря им, чтобы оставаться на месте и расслаблены, так как возможно во время "отдыха" периодов и ходить со скоростью беговую дорожку во время «задача» период, в то время как акцентируя свое внимание на черный кружок на экране продолжительность сбора данных.
- Тусклый свет, и начать сбор данных на компьютере захвата движения и компьютером fNIRS. Начните запись на видеокамеру.
- Использование триггера мыши, нажмите кнопку воспроизведения на файл анимации, связанного с этой задачей. Убедитесь, что триггер был принят как захвата движения и систем НИРС.
- Переключение на изображение черной точкой, расположенной в строке участника зрения, так что они имеют точку фокусировки на время судебного разбирательства.
ПРИМЕЧАНИЕ: обзор схематично для каждогоСудебный процесс показан на рисунке 2.
- Переключение на изображение черной точкой, расположенной в строке участника зрения, так что они имеют точку фокусировки на время судебного разбирательства.
- Мониторинг производительности участника и обеспечить обратную связь о скорости, или посторонних произвольных движений по мере необходимости.
- В конце учебного анимации, остановить запись на захвата движения, ЭМГ и fNIRS систем, а также видеокамеры. Дайте участнику возможность отдохнуть или смены позиции по мере необходимости.
7. Двусторонняя нижних конечностей Велоспорт Целевая
- Имейте участника переход к плинтуса с подвижной задней и подставкой для ног, стараясь поддерживать fNIRS optode кабели и не допускать ударов или выбить маркеры захвата движения или ЭМГ электродов. Есть пены подушку сиденья, чтобы улучшить комфорт во время эксперимента.
- Поднимите раму цикла в исходное положение и закрепите его на постаменте с ремешком.
- Закрепите ноги в педали и отрегулируйте положение цикла, необходимо поощрять комфортным и естественным расстояние до педалей. Надальняя точка в цикле, поддерживать свои колени примерно в 10 ° сгибания.
ПРИМЕЧАНИЕ: На данный момент, участник будет в полу-лежачем положении, что обеспечивает некоторую поддержку ствол и облегчает релаксацию во время периода покоя. - Инструкции задач отзыв с участником, говоря им, чтобы оставаться на месте и расслаблены, так как возможно во время "отдыха" периодов и цикла примерно в 60 оборотов в минуту в течение «задача» период.
- Повторите шаги 6,4 до 6,7. Вместо переключения на изображение точечного, проект мультфильм анимации, который реплики участника либо отдохнуть или двигаться путем визуального и слухового обратной связи. Разверните окно фильм так, чтобы участник не в состоянии контролировать время, которое прошло, или оставшиеся в текущем судебного разбирательства.
8. Рука, выдавливание Задача
- После удаления ноги из цикла и самой цикла, поместите таблицу кровати в передней части участника, Макинг уверены, что руки участника поддерживаются на столе в удобном положении.
- Попросите участников выжать мягкий предмет примерно раз в секунду (1 Гц) в течение "ТАСК" период, и оставаться расслабленным, насколько это возможно во время "отдыха" периодов.
- Повторите шаг 7,5.
9. лодыжки сгибание Задача
- Удалить таблицу кровать и поднимите ступни остальной части плинтуса, чтобы принести ноги в поле зрения участника.
- Удалить обуви участника и носок, и заменить ноги маркеры в соответствующих позициях. Поддержка теленка чуть выше их голеностопного сустава с подушечкой, чтобы позволить голеностопного сустава движение.
- Поручить участника dorsiflex их лодыжки примерно раз в секунду (1 Гц) в течение "ТАСК" период, и оставаться расслабленным, насколько это возможно во время "отдыха" периодов.
- Повторите шаг 7,5.
10. Заключение Proтокол
- Снимите крышку и осмотрите кожу для областей, давления или покраснение.
- Удалить все отражающие маркеры и ЭМГ единиц.
- Спасибо участника для своего времени и предложить свой вклад о субъективном опыте протокола. Это может быть формальной анкеты (используется Гарви и коллегам за транскраниальной магнитной стимуляции 13), или неформальное обсуждение, чтобы выявить общие источники дискомфорта, который можно было бы улучшить в будущем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Этот протокол координаты одновременного приобретения 3 модальностей, чтобы захватить мозгового кровотока, электростимуляция мышц деятельность и кинематических движение суставов, а участник выполняет двигательные задачи (рисунок 1).
Рисунок 1. Местоположение Probe. Левая часть этого рисунка показывает приблизительные места из сенсорных областей (в синем, Brodmann областях 1,2,3), основной двигательной области (в зеленом, Brodmann область 4), и премоторной области (оранжевым цветом, Brodmann область 6). Правая часть этого рисунка был создан с помощью AtlasViewerGUI (доступно для скачивания с открытым исходным кодом от MGH оптики отдела 15) и связанных с ним функций. Короче говоря, эта конструкция зонда была зарегистрирована поверхности Colin47 Атлас помощью пространственное расположение источников, детекторов и anatoMICAL достопримечательности (источники представлены красными кружками и детекторов синими кругами). Миграция фотонов вперед модель Монте-Карло был запущен для запуска 1 х 10 8 фотоны света через материалов кожи, черепа и головного мозга, с профилями чувствительности для всех пар источник-детектор, по прогнозам, к поверхности коры и все отображаются одновременно на этой фигуре. Цветная карта на поверхности мозга представляет собой корковой чувствительности датчика; другими словами число моделируемых фотонов, которые достигают извилины и борозды, расположенных под источниками и приемниками (теплые цвета указывают на более фотонов, чем холодные цвета, с диапазоном от 2 порядков в масштабе логарифм 10).
показан пример исходного детектора договоренности используемые в настоящем Протоколе, и как это связано с основополагающими нейроанатомические структур на мозг атласа. Рисунок 2 описывает конструкцию блока, используемого в данном протоколе, а также скриншотыиз видео инструкции. Задачи выполняются в блочном исполнении с восемью 15 сек блоков задач с вкраплениями произвольной длины периодов покоя 20 - 30 сек. Мультфильм животных были выбраны специально, чтобы быть не человеком, как с тем, чтобы не заниматься систему нейронов зеркала 11, и звуковые сигналы, как было показано для повышения производительности задач в других блочной конструкции экспериментов 10. Задача походка была только слуховое кий, и участникам было предложено сосредоточить внимание на черный кружок проецируется на экран перед ними.
Рисунок 2. Схема каждого испытания. Сбор данных для каждого типа задания длится примерно 6 мин. Есть периоды переменной отдыха (в пределах между 20 и 30 сек в продолжительности), с 15 сек блоков деятельности (походка, езда на велосипеде, сгибание, или сжатие). Были созданы Учебное видеос визуальными и слуховыми сигналы для участника, чтобы отдохнуть или двигаться. Пингвин изображения взяты из одной из команд, показанных видео к пациенту. Он остается на земле во время отдыха, и прыгает в воздухе 1 раз в сек в периоды задач. Существует также музыка предусмотрены для каждого состояния, спокойного мелодии игры во время отдыха и гармонии с сильным 60 ударов в минуту темпами в течение блоков задач.
На фиг.3 приведен пример оптических сигналов, записанных во время выполнения задачи. Данные автоматически сохраняются в файл с расширением * .nirs а затем переведен из сбора данных компьютер для дальнейшей обработки. Рисунок 4 показывает пример восстановленного скелетной модели, наряду с углом соединения и ЭМГ мер для задачи лодыжки сгибание. Скелетных модель и совместные углы создаются и рассчитываются с использованием программных пакетов Nexus и Visual3D. Эти данные, а также ГРП не были обработаны, и сотрудничествоасоциальное содержать артефакты движения или другие шумы, которые могут извлечь выгоду из методов фильтрации.
Есть широкий спектр методов анализа и пакетов программного обеспечения, доступных для интерпретации собранных данных. Одним из примеров завершает fNIRS реконструкции изображений с использованием открытого программного обеспечения пакет под названием Гомер 14. Пример карте, созданной показано на рисунке 5, чтобы продемонстрировать, какую информацию активации, которые могут быть интерпретированы с собранных сигналов оптической плотности.
Рисунок 3. Пример записи оптической плотности. Этот экран выстрел из программного обеспечения сбора данных одного типа fNIRS машины. Она включает в себя информацию о fNIRS зондировать расположение (верхний правый), способность превращать отдельные лазерные источники вкл и выкл (внизу слева), и Optioнс для модификации усиление каждого dectector (снизу в центре). В окне визуализации данных (вверху слева), по вертикали розовая линия представляет собой начало блока деятельности. Цвета следов соответствуют цветам каналов, показанных в расположении зонда справа. Следует отметить, что все сигналы выше 80 дБ, и сердечный ритм отчетливо видна даже в сигнала интенсивности света.
Рисунок 4. Пример скелетной реконструкции, совместные углы и ЭМГ для левого задачи сгибание. Период задачей в течение периода, представленного начинается примерно в 4,5 сек, и продолжается до 19,5 сек. В этом, как правило, развивающейся личности (13 лет), есть очень ограниченное движение в других, чем целевой левой лодыжке суставов. Кроме того, другие, чем тот, обеспечивающего движение мышцы (передней большеберцовой)повторно в целом в состоянии покоя в течение задачи, а также время отдыха. TA = передней большеберцовой; MG = медиальной икроножной; RF = прямая мышца бедра; VL = латеральной широкой; MH = медиальной бедра.
Рисунок 5. Пример fNIRS карте активации в течение правшей сжимая задачи. Синяя коробка на верхней части мозга очерчивает приблизительную площадь, отобранных этой конструкции зонда (смотри также рисунок 1). Этот участник был 13 лет, и имел окружность головы 56 см). Правая часть рисунка показывает среднюю кислородом гемоглобина (ГБО) ответ в течение периода 5 - 10 сек после смещения начала одной, как правило, развивается подростка сжимая мяч со своей правой рукой. Эти данные на этом рисунке, сгенерированы исходя из Гомера 14, а затем оценивали с помощью общей линейной модели. Синий цветс не представляют активации, в то время как красная индикация зоны областей повышенной HBO в периоды задач. Это один из методов анализа и визуализации, что исследователи используют для определения районов Большого изменений в насыщенной кислородом и / или дезоксигенированной кровотока.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одновременный сбор мозговой деятельности от целевых областях коры и количественных данных о том, как человек движется представляет огромные возможности для улучшения нашего понимания нервной контроля движения, как в типично развивающихся населения, а также людей с расстройствами движения. Существует также широкое применение в плане возраста и задач движения, что может быть завершена, так как участники не ограничены в положении лежа на спине, как они были бы для функционального МРТ. Конкретные детали оборудование не ограничиваются те, предложенных в списке материалов - существует несколько захвата движения, и движение системы, системы количественного ЭМГ и системы fNIRS, доступных на рынке, и они могут быть использованы вместо тех, предложенных здесь. Кроме того, если выбранная система захвата движения не имеет достаточных объемов измерения для локализации маркеры как на теле и головной или не оптической технологии используется, отслеживания положения 3-DСтилус можно использовать вместо того, чтобы определить местонахождение optodes в отношении анатомических ориентиров в общей системе координат. И, наконец, если это возможно, чтобы дополнительно сбора физиологических данных, таких как частота сердечных сокращений и артериальное давление, эта информация будет полезна для информирования анализ HBO и HBr временного ряда.
Весь протокол может быть завершена в примерно 2 часа, причем почти половина того времени, посвященного установке. Для участников мужского пола с короткими волосами, время установки может быть меньше, потому что меньше времени требуется, чтобы подготовить волосы. Это важно для исследователей на работу без предвзятости из всех этнических групп и типов волос, и сообщить, если есть люди, где полезные сигналы не могут быть получены 3. В зависимости от возраста и внимание пролета испытуемого, может быть легко добавлены дополнительные задачи или дополнительные блоки сбора данных. Важно отметить, однако, некоторые ограничения технологии fNIRS в его текущем состоянии. Несмотря Careful подготовка и уход, чтобы уменьшить помехи для волос, могут быть некоторые участники, в которых содержание меланина на волосах и коже исключает сбор сигналов с соответствующей интенсивностью. Даже среди тех, с адекватной интенсивности, будет изменчивость в ясности ответа гемодинамики наблюдается. Эти вопросы должны рассматриваться в ходе анализа данных, с четким отчетности, как нечувствительны были выявлены и раскрытие количества участников прошедших тестирование, чьи данные не могут быть использованы 2-5.
Это особенно протокол может быть адаптирована в ряде способов применения конкретных исследовательских вопросов. Ориентация источников и детекторов имеет бесконечные возможности в плане мест и механизмов, которые обеспечивают гибкость попробовать другие области коры головного мозга, создать более плотную зонд с дополнительной перекрытия канала в целях содействия более высокое разрешение, или более редкие договоренность покрытия больших областейповерхности коры. Общий пространственное разрешение fNIRS остается ниже по сравнению с МРТ, но это ограничение может быть перевешивают способности использовать fNIRS в менее ограниченном среде в течение многих исследовательских приложений, в частности, при изучении задачи движения. Кроме того, любое количество моторных, сенсорных, или изображений задачи могут быть реально включены в представленной конструкции блока, содержащего более сложных последовательностей или других простых одиночных совместных движений. С учетом нижних конечностей задач, тем не менее, мысль должна быть предоставлена в месте дистального нижней конечности представления на моторной гомункулюса как это не всегда возможно получить, что глубоко с подходом, основанным поверхности, такой как fNIRS. Кроме того, есть исследования, которые также используют парадигму событий, связанных с 16,17, которые могут быть легко интегрированы путем изменения анимации и инструкции для участников. Эти парадигмы требуют большего количества блоков движения, но они могут быть завершены с меньшим отдыхом между SО Общее время сбора данных не могут существенно отличаться от представленных блоков парадигм.
Кинематические и ЭМГ данные могут быть использованы в ряде способами. Качественно, он обеспечивает полезную подтверждение того, что участник был выполнить задачу в соответствии с инструкциями. В частности, в тех случаях, когда движения не Как и ожидалось, из-за снижения внимания или в присутствии двигательных расстройств, эти сигналы могут быть очень ценными в количественных методов удаления блоков данных, или как регрессорами в общей линейной модели (GLM) анализа данные, как показано в Херви соавт. 18. Определение координат fNIRS optodes и анатомических ориентиров необходимо для совместного регистрации индивидуального структурного МРТ участника. Co-регистрация местах optode представляет собой важный шаг в повышении надежности и нервно-анатомические актуальность fNIRS результатов, особенно в группах населения с черепно-мозговыми травмами. Наконец, можно рассмотреть вопрос о включенииотслеживание движения кабеля в качестве дополнительного шага для учета артефактов движения в пределах записанных данных.
Детском возрасте травмы головного мозга, таких как церебральный паралич, как известно, вызывают ряд периферийных симптомов, таких как спастичность, мышечная слабость и снижение контроля избирательного двигателя 19. Пассивные электрофизиологические или головного методы визуализации, такие как транскраниальная магнитная стимуляция 20,21 и тензора диффузии изображения 22,23 показали изменения в корковой организации. МРТ была полезна для обнаружения различий в активации в небольших изолированных движений 24-26, но контроль выполнения задач может быть проблемой в среде МРТ, и даже небольшие движения головы может вызвать крупные артефакты. В этой популяции, в частности, дополнительной или одновременное использование нейровизуализации методов, таких как fNIRS или электроэнцефалографии (ЭЭГ) представляет собой возможность получить более глубокое понимание о базовом источникепроблем движения, а дополнительный инструмент для мониторинга прогресса связаны с мероприятиями двигателя.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CW6 | TechEn | http://nirsoptix.com/ | fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included |
| MX system with ten T40-series cameras | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | http://www.vicon.com/System/TSeries | Motion capture cameras |
| reflective 4 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates. | |
| reflective 9.5 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate arm and leg coordinates. Clusters are used for the limb segments, and markers with offsets are uses for PSIS and Iz to improve reliability in data capture. | |
| Trigno Wireless EMG system | Delsys, Inc. Natick, MA | http://www.delsys.com/products/wireless-emg/ | Electromyography |
| Bertec split-belt instrumented treadmill | Bertec Corporation, Columbus, OH | http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html | Treadmill |
| ZeroG body-weight support system | Aretech, LLC, Ashburn, VA | http://www.aretechllc.com/overview.html | Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials |
| 3DS Max 2013 | Autodesk, Inc., San Francisco, CA | http://www.autodesk.com/ | 3-D animation software used to animate animals for instructional videos |
| Windows Movie Maker | Microsoft Corporation, Redmond, WA | http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker | software used to combine animation footage with music |
| Audacity | open source | http://audacity.sourceforge.net/ | Software used to alter musical beat to appropriate cadence |
References
- Suzuki, M., et al. Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study. Neuroimage. 23 (3), 1020-1026 (2004).
- Leff, D. R., et al. Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies. Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).
- Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation. Phys Med Biol. 55 (13), 3701-3724 (2010).
- Pellicer, A., Bravo Mdel, C. Near-infrared spectroscopy: a methodology-focused review. Semin Fetal Neonatal Med. 16 (1), 42-49 (2011).
- Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications. J Biomed Opt. 12 (6), 062104 (2007).
- Tian, F., et al. Quantification of functional near infrared spectroscopy to assess cortical reorganization in children with cerebral palsy. Opt Express. 18 (25), 25973-25986 (2010).
- Koenraadt, K. L., Duysens, J., Smeenk, M., Keijsers, N. L. Multi-channel NIRS of the primary motor cortex to discriminate hand from foot activity. J Neural Eng. 9 (4), 046010 (2012).
- Khan, B., et al. Identification of abnormal motor cortex activation patterns in children with cerebral palsy by functional near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 15 (3), 036008 (2010).
- Tian, F., Alexandrakis, G., Liu, H. Optimization of probe geometry for diffuse optical brain imaging based on measurement density and distribution. Appl Opt. 48 (13), 2496-2504 (2009).
- Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
- Delagi, E. F., Perotto, A.
- Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).
- Garvey, M. A., Kaczynski, K. J., Becker, D. A., Bartko, J. J. Subjective reactions of children to single-pulse transcranial magnetic stimulation. J Child Neurol. 16 (12), 891-894 (2001).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48 (10), 280-298 (2009).
- Boas, D. A. HOMER2. , Available from: http://www.nmr.mgh.harvard.edu/DOT/resources/homer2/home.htm (2012).
- Jasdzewski, G., et al. Differences in the hemodynamic response to event-related motor and visual paradigms as measured by near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 20 (1), 479-488 (2003).
- Plichta, M. M., et al. Event-related functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): are the measurements reliable. Neuroimage. 31 (1), 116-124 (2006).
- Hervey, N., et al. Photonic Therapeutics and Diagnostics IX. SPIE. , (2013).
- Sanger, T. D., Delgado, M. R., Gaebler-Spira, D., Hallett, M., Mink, J. W. Classification and definition of disorders causing hypertonia in childhood. Pediatrics. 111 (1), 89-97 (2003).
- Eyre, J. A., et al. Is hemiplegic cerebral palsy equivalent to amblyopia of the corticospinal system. Ann Neurol. 62 (5), 493-503 (2007).
- Maegaki, Y., et al. Central motor reorganization in cerebral palsy patients with bilateral cerebral lesions. Pediatr Res. 45 (4 pt 1), 559-567 (1999).
- Hoon, A. H., et al. Sensory and motor deficits in children with cerebral palsy born preterm correlate with diffusion tensor imaging abnormalities in thalamocortical pathways. Dev Med Child Neurol. 51 (9), 697-704 (2009).
- Yoshida, S., et al. Quantitative diffusion tensor tractography of the motor and sensory tract in children with cerebral palsy. Dev Med Child Neurol. 52 (10), 935-940 (2010).
- Lotze, M., Sauseng, P., Staudt, M. Functional relevance of ipsilateral motor activation in congenital hemiparesis as tested by fMRI-navigated TMS. Exp Neurol. 217 (2), 440-443 (2009).
- Phillips, J. P., et al. Ankle dorsiflexion fMRI in children with cerebral palsy undergoing intensive body-weight-supported treadmill training: a pilot study. Dev Med Child Neurol. 49 (1), 39-44 (2007).
- Wilke, M., et al. Somatosensory system in two types of motor reorganization in congenital hemiparesis: topography and function. Hum Brain Mapp. 30 (3), 776-788 (2009).
