Abstract
Der er flere fordele at funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) præsenterer i studiet af neural kontrol af menneskelig bevægelse. Det er relativt fleksibel med hensyn til deltager positionering og giver mulighed for nogle hovedbevægelser løbet opgaver. Derudover er det er billigt, let og bærbar, med meget få kontraindikationer til dens anvendelse. Dette giver en unik mulighed for at studere funktionel hjerneaktivitet i motoriske opgaver i personer, som er typisk udviklingslande, såvel som dem med bevægelsesforstyrrelser, såsom cerebral parese. En yderligere overvejelse, når studerer bevægelsesforstyrrelser, dog er kvaliteten af faktiske bevægelser, der udføres, og mulighederne for yderligere, utilsigtede bevægelser. Derfor er samtidig monitorering af både blodgennemstrømningen ændringer i hjernen og de faktiske bevægelser af kroppen under prøvning med passende fortolkning af fNIRS resultater. Her viser vi en protokol for kombinationen af fNIRS medmuskler og kinematisk overvågning under motoriske opgaver. Vi udforsker gangart, en ensidig flere fælles bevægelse (cykling), og to ensidige single-joint bevægelser (isoleret ankel dorsiflexion, og isoleret hånd at klemme). Teknikkerne præsenteres kan være nyttige i at studere både typisk og atypisk motorstyring, og kan modificeres til at undersøge en bred vifte af opgaver og videnskabelige spørgsmål.
Introduction
Neural billeddannelse under funktionelle opgaver er blevet mere bærbare og omkostningseffektiv anvendelse af ikke-invasiv funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) at identificere områder af hjernens aktivitet ved at måle blodgennemstrømning dynamik i cortex. Retten til at overføre fNIRS er især nyttig i studiet af opretstående og funktionelle opgaver såsom gangart 1, hvilket ikke er muligt med andre teknologier såsom funktionel magnetisk resonans (fMRI). Denne evne er kritisk inden for neurologi og Neuroscience, og kunne give ny indsigt i mekanismerne bag bevægelsesforstyrrelser hos børn og voksne med cerebral parese (CP) og andre neurologiske tilstande, der påvirker motorstyring. Forståelse mekanismer forbedrer evnen til at designe effektive tiltag til målrettet kilden til nedskrivninger og aktivitetsbegrænsninger.
Mange fNIRS studier af motoriske opgaver til dato har været sammen med en sund bestand af voksne, hvor en delicipants bliver bedt om at udføre en bestemt opgave og overvågning af opgaveløsningen er begrænset til visuel inspektion. Dette kan være tilstrækkeligt for dem med typiske bevægelser og en høj grad af engagement, men er ikke acceptabelt, når man studerer deltagere med lidelser i bevægeapparatet eller dem, der har svært ved at deltage til en opgave i længere tid, herunder typisk udviklede børn. For at informere analysen af hjernen aktivering i disse tilfælde er samtidig overvågning af motorens mønster, der faktisk tilbagelagte påkrævet.
Omfattende anmeldelser af fNIRS systemer og kutymer er blevet præsenteret i litteraturen 2-5 som guide forbrug og være med til at demonstrere nøjagtigheden og følsomheden af disse systemer, men tekniske problemer i den indsamling, behandling og fortolkning af fNIRS data stadig. Farve og tykkelsen af hår påvirke kvaliteten af det optiske signal, med mørkt tykt hår mest tilbøjelige til at blokere eller fordreje optisk transmifission 3,6. Dette er især relevant, når man undersøger de sensomotoriske områder beliggende på kronen område af hovedet, hvor hårsækken tæthed er den største, og nogle undersøgelser rapporterer ikke responderede 6,7. Den veletablerede International 10/20 kan anvendes til anbringelse af optodes, men især i tilfælde af personer med atypisk hjerneanatomi, co-registrering af optode placering til en deltagers anatomisk MRI er meget nyttig, hvis ikke afgørende nøjagtigt at fortolke resultater.
Brugen af fNIRS at vurdere hjernens aktivering i barndommen debut hjerneskade er forholdsvis ny, men få trækkraft på området for ensidig cerebral parese 6,8,9. I betragtning af de ovennævnte udfordringer, denne protokol kombinerer fNIRS, motion capture og elektromyografisk (EMG) overvågning i løbet af en række opgaver, herunder simple single-fælles opgaver samt mere komplekse hele kroppen bevægelser. Visuel og auditiv vejledning er osed at forbedre opmærksomhed og opgaveløsning på tværs af flere aldre deltagere. Målet med protokollen er at identificere forskelle i hjernen aktivering mønstre i dem med ensidig og bilaterale barndom debut hjerneskade i forhold til dem, der typisk udvikler. Vi udforsker en fuld kropsbevægelser (gangart), en bilateral lavere ekstremitet flere fælles bevægelse (cykling), og to ensidige enkelt fælles bevægelser (isoleret ankel dorsiflexion, og isoleret hånd klemme) for at illustrere de mange forskellige anvendelser af metoder. Den samme eller en meget lignende protokol kan anvendes til at undersøge andre sensoriske eller bevægelsesforstyrrelser eller andre opgaver af interesse.
Kontinuerlig bølge nær infrarødt lys blev udsendt og detekteret ved 690 nm og 830 nm over sensomotoriske cortex vha fNIRS systemet med en hastighed på 50 Hz ved hjælp af en specialdesignet kilde-detektor konfiguration. EMG-data blev indsamlet trådløst ved en frekvens på 1.000 Hz. Reflekterende markør 3-D placeringer varindsamles af en optisk motion capture-system med en hastighed på 100 Hz. To forskellige computere håndteres datafangst, en for de fNIRS og en anden for motion capture og EMG. Data blev synkroniseret ved hjælp af en udløser impuls fra en tredje computer, der svarer til en mus knaptryk for at starte instruktions animation for hver opgave. For alle opgaver undtagen gangart blev Instruktionsillustrationer designet til at standardisere deltager ydelse med visuel vejledning af tempoet i en opgave (1 Hz) ved en tegneserie dyr hoppe eller sparke, samt en auditiv cue.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
BEMÆRK: Denne protokol blev godkendt af Institutional Review Board af National Institutes of Health (ClinicalTrials.gov identifier: NCT01829724). Alle deltagere får mulighed for at stille spørgsmål og give informeret samtykke forud for deltagelsen. I betragtning af ændringer i hæmodynamiske respons skyldes nylig brug af vasodilatorer og vasokonstriktorer, bliver deltagerne bedt om at afstå fra alkohol og koffein i 24 timer før forsøget 3 .Disse animation videoer blev skræddersyet i vores laboratorium, men kunne optages med andre lyde eller billeder specifikke alternative forskningsspørgsmål.
1. Opstil Room Forud for deltagerens Ankomst.
- Kalibrer motion capture kameraer i forhold til et laboratorium koordinater ifølge motion capture fabrikantens specifikke proces. Sørg for, at kamerapositioner vil tillade registrering af alle markører på både kropog leder af deltageren i løbet af de opgaver, der vil blive testet. Kalibreringsprocessen sikrer nøjagtigheden af motion capture-system og er standard praksis for enhver bevægelse laboratorium. Brug et ti kamerasystem med en ca. volumen på 17 m3, hvor kunne identificeres pålideligt reflekterende markører.
- Slut trigger fra undervisningen computer til motion capture og fNIRS computeres BNC indgange. Sørg for, at triggeren er tilsluttet en museknap, og klikke med musen fuldender kredsløbet og sender en impuls samtidigt til motion capture / EMG datafangst bord og til erhvervelsen fNIRS data bestyrelsen som aux analoge indgange.
- Tilslut denne mus via USB-porten på computeren, der kører instruktion animation videoer, sådan at starte video vil medføre en spænding ændring samtidigt på begge dataopsamlingssystemer.
BEMÆRK: EMG-signaler bliver automatisk synkroniseret og reddet af motion capture-software, så Additional synkronisering af EMG-systemet er ikke nødvendig. - Opsætning af skærm og projektor til instruktioner til at blive vist til deltageren. Fjern unødvendige genstande, der kunne være distracters. Placer stativ og digitale videokamera, hvor de vil have fuld udsigt over deltagerens bevægelser.
- Kontroller, at reflekterende markører er forsvarligt fastgjort til toppen af hver optode i proben.
- Saml alle nødvendige dokumenter: samtykke og samstemmende udtalelse kopier, kliniske undersøgelser ark, og eksperimentelle note plader, f.eks.
2. Grundlæggende foranstaltninger
- Efter endt informeret samtykke processen, måle og registrere deltagerens højde, vægt, alder og hoved omkreds.
- Administrer Edinburgh håndethed Inventory 10 og andre kliniske undersøgelser som angivet. Optag deltager rapporterede hår og hudtyper.
- Placer reflekterende markører på de bageste overlegne iliaca pigge (PSIS) bilateralt. Har deltageren gåtur på deres behageligt tempo hele laboratoriet 3-5 gange, og gennemsnittet hastigheden tværs forsøg at vurdere deres egen valgte ganghastighed.
3. Funktionel nærheden infrarød spektroskopi Setup (fNIRS)
BEMÆRK: Dette kan afsluttes samtidigt med opsætningen af EMG og motion capture, hvis der er nok eksperimentatorer eller forskning personale til at bistå, og hvis deltageren er komfortabel med flere personer være tæt på dem på samme tid.
- Mål afstanden mellem nasion (Nz) og inion (Iz) og mellem præ-auricular punkter på højre (Ar) og venstre (AL) ører. Skæringspunktet mellem midtpunktet af disse to foranstaltninger er Cz, som er markeret på hovedbunden ved hjælp af en vaskbar markør.
- Hvis deltageren har langt hår, afsnittet ud små portioner af hår ved hjælp af fletninger eller ponytails for at eksponere hovedbunden hvor optodes vil blive placeret.
- Placer fNIRS sonde på than deltager hoved, idet man tilpasse med Cz, Ar. Derefter flytte hår væk fra under hvert optode da den er placeret det på hovedbunden. Endelig lægger velcrobånd til sikkert holde optodes på plads.
BEMÆRK: I denne protokol, skal du bruge en hætte, der har en rem, der går bag hovedet, en, der går på tværs af panden, og en, der går under hagen. Optodes er forankret til denne hætte med velcro på en fleksibel plastik ring, der omkranser øret.- Hvis deltageren har kort hår (mindre end ca. 2 inches i længden), træk håret mellem optodes med en lille tynd pind eller plast ende af en kam.
- Kontroller, at alle optode kabler liggende fladt, og at optodes er omtrent vinkelret på overfladen af hovedbunden.
- Hvis det er nødvendigt, skal du placere et tyndt stykke skum under gruppen af optode kabler til at fremme vinkelret justering af optodes.
- Check med deltageren om komfort af sonderne, ogjuster om nødvendigt. Instruere dem til at fortælle eksperimentatorer hvis deres komfort falder på noget tidspunkt under forsøget.
- Tænd kilder og kontrollere signaler.
- I dette system sikre et signal, der har en intensitet på mindst 80 dB og et hjerteslag tydeligt i deltaOD (ændring i optisk tæthed) signal på både 690 og 830 nm bølgelængder. Når kanalerne har signalerne ikke opfylder disse kriterier, bekræfter, at håret ikke blokerer optode (r), og derefter justere detektor gevinster efter behov for at maksimere signal intensitet. Sørg for, at motion capture kameraer er slukket i denne periode.
BEMÆRK: Andre fNIRS maskiner kan operere ved bølgelængder forskellige til 690 og 830 nm; i dette tilfælde, skal du kontrollere bølgelængder mest hensigtsmæssige for at maskinen bruges.
- I dette system sikre et signal, der har en intensitet på mindst 80 dB og et hjerteslag tydeligt i deltaOD (ændring i optisk tæthed) signal på både 690 og 830 nm bølgelængder. Når kanalerne har signalerne ikke opfylder disse kriterier, bekræfter, at håret ikke blokerer optode (r), og derefter justere detektor gevinster efter behov for at maksimere signal intensitet. Sørg for, at motion capture kameraer er slukket i denne periode.
- Føj reflekterende markører til NZ, Iz, Ar, og Al. Spørg deltageren til at holde stille og indsamle ca. 2 sek af motion capture data for disse og fNIRS optode markører. Kontroller, atalle markeringer er blevet registreret, og indsamle yderligere undersøgelser efter behov. Det kan kræve, at deltageren til at skifte hoved stand til at forbedre sigtelinje mellem kameraer og markørerne. Brug disse indsamlede tredimensionelle steder under analyse for probabilistiske registrering af en deltagers individuelle strukturelle MR hvis der findes.
- Tilføj et dæksel med flere lag sort filt eller andet optisk absorberende materiale oven på fNIRS optodes at beskytte detektorer fra indblanding eller mætning af motion capture-kameraer. Sørg for, at kabler og frontpanel fNIRS enheden også er godt afskærmet ved hjælp af den samme optisk absorberende materiale.
4. Overflade elektromyografi Setup (EMG)
- Find musklen maven på hver målrettet muskel hjælp anatomiske kendetegn, palpation under muskelsammentrækning, og elektrodeplacering guider 11.
BEMÆRK: Musklerne målrettet i denne protokol omfatter bilateral mediale gastrocnemius, tibialis anterior, rectus femoris, vastus lateralis, biceps femoris, extensor Carpi radialis, og flexor Carpi radialis. - Forbered EMG elektrode placering over musklen maven ved barbering, fjerne døde hudceller med tape, og derefter rense med en isopropylalkohol pad, som anbefalet af SENIAM 12 og vente på huden tørre.
- Placer EMG elektrode orienteret retning af muskelfibre.
- Wrap stramt med en selv klæbende wrap.
- Tjek muskel-signaler på computeren, mens du udfører manuel muskel test for at sikre korrekt elektrodeplacering, og klar visualisering af signal ændringer, når musklen er aktiv.
5. Motion Capture Setup
- Placer reflekterende markører på fælles vartegn. Disse omfatter mediale og laterale malleol, mediale og laterale knæled, anterior superior spina iliaca (ASIS), posterior superior spina iliaca (PSIS), radial styloid, ulnare syloid, medial humeral epicondyl, og lateral humeral epicondyl.
- Placer 3 eller flere markører, eller et stift legeme klynge af markører, på hvert segment af interesse, herunder tå, skank, lår, side og underarm.
- Saml ca 2 sek af motion capture data, mens deltageren står stille i et standardiseret position, såsom stående med armene ved 90 ° skulder fleksion og 90 ° albue fleksion. Sørg for, at alle markører er klart synlige for kameraerne.
6. Gait Opgave
- Har deltageren overførsel til løbebåndet. Hjælpe dem ved at støtte fNIRS optode kabler og fastgør kablerne til loftet støtte efter at patienten er i position. Hvis patienten er i høj risiko for fald, skal du bruge en kropsvægt support seletøj til sikkerhed under denne opgave.
- Start løbebåndet, langsomt bygges op til den målte selv valgte ganghastighed at få deltageren komfortable med betingelserne betingelser. Så langsom til et stopigen.
- Opsætning af animation fil med den auditive feedback, vil cue deltageren til enten hvile eller bevæge sig. Anmeldelse opgave instruktioner med deltageren, fortæller dem at forblive som stille og afslappet som muligt under "hvile" perioder, og at gå på løbebåndet indstillede hastighed under "opgave" periode, samtidig fokusere deres opmærksomhed på den lille sorte cirkel på skærmen i varigheden af dataopsamling.
- Dæmp lyset, og begynde datafangst på motion capture computer og fNIRS computer. Begynd optagelsen på videokameraet.
- Ved hjælp af musen aftrækkeren, klikke på play-knappen på animation fil tilknyttet denne opgave. Sørg for, at triggeren blev modtaget af både motion capture og NIRS-systemer.
- Skift til et billede af en sort prik placeret i deltagerens synsvidde, så de har et fokuspunkt for varigheden af forsøget.
BEMÆRK: Oversigten skematiske for hverforsøg er vist i figur 2.
- Skift til et billede af en sort prik placeret i deltagerens synsvidde, så de har et fokuspunkt for varigheden af forsøget.
- Overvåg deltager ydeevne og give feedback om hastighed, eller udefra kommende frivillige bevægelser efter behov.
- Ved afslutningen af den instruktions animation, stoppe optagelsen på motion capture, EMG, og fNIRS systemer, samt videokamera. Giv deltageren mulighed for at hvile eller skifte positioner efter behov.
7. Bilateral underekstremiteterne Cycling Task
- Har deltageren overgangen til en sokkel med bevægelig ryg og ben støtte, der tager sig at støtte fNIRS optode kabler og ikke bump eller løsne motion capture markører eller EMG elektroder. Har et skum sædehynden for at forbedre komforten under eksperimentet.
- Løft cyklen ramme på plads, og fastgør den til soklen med en rem.
- Skaf fødderne i pedalerne og justere positionen af nødvendigt cyklus for at fremme en behagelig og naturlig afstand til pedalerne. Pålængst punkt i cyklus, bevare deres knæ i ca. 10 ° fleksion.
BEMÆRK: På dette tidspunkt, vil deltageren være i en halvt liggende stilling, hvilket giver nogle bagagerum støtte og letter afslapning under hvileperioden. - Anmeldelse opgave instruktioner med deltageren, fortæller dem at forblive som stille og afslappet som muligt i løbet af "hvile" perioder, og at cykle ved ca. 60 rpm under "opgave" periode.
- Gentag trin 6,4-6,7. I stedet for at skifte til et billede af en prik, projekt tegnefilmen animation, der vil cue deltageren til enten hvile eller bevæge sig gennem visuelle og auditive feedback. Maksimer filmen vindue, således at deltageren ikke er i stand til at overvåge den tid, der er gået, eller der er tilbage i den nuværende retssag.
8. Hand Udpresning Task
- Efter at have fjernet fødderne fra cyklen og cyklus selv, placere en seng bord foran deltageren making sikker på, at deltagerens arme understøttes på bordet i en behagelig stilling.
- Instruer deltager skruet blød genstand cirka en gang per sekund (1 Hz) i løbet af "opgave" periode, og forblive så afslappet som muligt under "hvile" perioder.
- Gentag trin 7.5.
9. Ankel dorsiflexion Task
- Fjern sengebord, og hæve foden resten del af soklen for at bringe fødderne i deltagerens opfattelse.
- Fjern deltagerens sko og sok, og erstatte mund markører i passende stillinger. Støt kalven lige over deres fodled med en skum pad til at tillade ankelleddet bevægelse.
- Instruer deltageren at dorsiflex deres ankel cirka en gang per sekund (1 Hz) i løbet af "opgave" periode, og forblive så afslappet som muligt under "hvile" perioder.
- Gentag trin 7.5.
10. Indgåelse af Proprotokol
- Tag låget af og inspicere huden for områder med tryk eller rødme.
- Fjern alle reflekterende markører og EMG enheder.
- Tak deltageren for deres tid og invitere deres input om den subjektive oplevelse af protokollen. Dette kan være en formel spørgeskema (som bruges af Garvey og kolleger til transkraniel magnetisk stimulation 13), eller en uformel drøftelse at identificere fælles kilder til ubehag, der kunne forbedres i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne protokol koordinerer samtidig køb af 3 modaliteter at fange hjernen blodgennemstrømning, elektriske muskelaktivitet og kinematisk bevægelse af leddene, mens en deltager udfører motoriske opgaver (figur 1).
Figur 1. Probe placering. Den venstre del af denne figur viser de omtrentlige placeringer af de sensoriske områder (i blå, Brodmann områder 1,2,3), den primære motor område (i grønt, Brodmann område 4), og premotor område (i orange, Brodmann område 6). Den højre del af dette tal blev genereret ved hjælp AtlasViewerGUI (tilgængelig for open source downloades fra MGH Optics Division 15) og dens tilhørende funktioner. I korte træk blev denne probe design registreret på overfladen af Colin47 Atlas hjælp af rumlige arrangement af kilder, detektorer og anatomiske vartegn (kilder er repræsenteret ved røde cirkler og detektorer med blå cirkler). En Monte Carlo foton migration fremad model blev kørt til lancering 1 x 10 8 fotoner af lys gennem de materialer, i huden, kraniet og hjernen, med følsomhed profiler for alle kilde-detektor par er fremskrevet til overfladen af cortex og alle vises samtidigt i denne figur. Farven på kort hjernens overflade repræsenterer den kortikale følsomhed af sonden; med andre ord antallet af simulerede fotoner, der når gyri og sulci placeret under de kilder og detektorer (varmere farver indikerer flere fotoner end køligere farver, med et udvalg af 2 størrelsesordener på en log 10 skala).
viser et eksempel på kilde-detektor arrangement i denne protokol, og hvordan det er relateret til underliggende neuroanatomiske strukturer på en hjerne atlas. figur 2 skitserer blokken design anvendes i denne protokol, samt skærmbillederaf instruktionsvideoer. Opgaver udføres i en blok design, med otte 15 sek opgave blokke spækket med tilfældig længde hviletid på 20 - 30 sek. Cartoon dyr blev specielt udvalgt til at være ikke menneske ligesom for ikke at engagere spejlet neuron systemet 11, og lydsignaler har vist sig at forbedre opgaveløsningen i andre blok designeksperimenter 10. Bevægelsen opgave havde kun en auditiv cue, og deltagerne blev bedt om at fokusere på en lille sort cirkel projiceres på en skærm foran dem.
Figur 2. Skematisk af hvert forsøg. Dataindsamling for hver opgavetype varer ca. 6 min. Der er af varierende hvile (mellem 20 og 30 sek varighed), med 15 sek blokke af aktivitet (gang, cykling, dorsiflexion, eller presning). Instruktionsvideoer blev skabtmed visuelle og auditive signaler for deltageren at hvile eller bevæge sig. Pingvinen billeder er taget fra en af instruktionsvideoer vist til patienten. Han forbliver på jorden i de hvileperioder, og springer i luften 1 gang pr sekund i løbet af opgaven perioder. Der er også musik tilvejebragt for hver tilstand, en afslappende melodi spiller i hvile og en melodi med en stærk 60 bpm tempo i løbet af opgaven blokke.
Figur 3 er et eksempel på de optiske signaler er taget under opgaveløsningen. Dataene gemmes automatisk i en fil med en * .nirs udvidelse og senere overført fra datafangst computer til videre behandling. Figur 4 viser et eksempel på den rekonstruerede skelet model, sammen med fælles vinkel og EMG foranstaltninger for en ankel dorsiflexion opgave. Skelet model og fælles vinkler oprettes og beregnes ved hjælp af Nexus og Visual3D softwarepakker. Disse data, samt EMG ikke er blevet forarbejdet, og could indeholder bevægelsesartefakter eller anden støj, der kunne drage fordel af filtreringsteknikker.
Der er en bred vifte af analyseteknikker og softwarepakker til rådighed til at fortolke de indsamlede data. Et eksempel er ved at afslutte fNIRS billede rekonstruktion ved hjælp af en open source software-pakke kaldet Homer 14. Et eksempel på kortet skabt, er vist i figur 5 for at demonstrere den type aktivering oplysninger, der kan fortolkes af de indsamlede optiske densitet signaler.
Figur 3. Eksempel på optiske tæthed optagelser. Dette skærmbillede er fra datafangst software én type fNIRS maskine. Den indeholder oplysninger om fNIRS sonde arrangement (øverst til højre), evne til at vende de enkelte laser kilder til og fra (nederst til venstre), og Options til modificering forstærkningen af hver dectector (nederst i midten). I datavisualisering vinduet (øverst til venstre), den lodrette lyserøde linje repræsenterer starten på en blok af aktivitet. Colors of sporene svarer til farverne på de kanaler, der er vist i sonden arrangement til højre. Bemærk, at alle signaler er over 80 dB, og hjerterytmen er klart synlig, selv i lysintensiteten signal.
Figur 4. Eksempel skelet rekonstruktion, fælles vinkler og EMG for venstre dorsiflexion opgave. Opgaven i løbet af perioden udgjorde begynder ved ca. 4,5 sek, og fortsætter indtil 19,5 sek. I denne typisk udvikler individuelle (13 år), der er meget begrænset bevægelse på andre end den målrettede venstre ankel leddene. Desuden kan andre end den, der varetager bevægelse muskler (tibialis anterior) are generelt hvilende i løbet af opgaven samt hvileperioder. TA = tibialis anterior; MG = mediale gastrocnemius; RF = rectus femoris; VL = vastus lateralis; MH = mediale hamstrings.
Figur 5. Eksempel på fNIRS aktivering kortet under en højrehåndet klemme opgave. Den blå boks på toppen af hjernen skitserer det omtrentlige område, udskilt af denne sonde design (se også figur 1). Denne deltager var 13 år gammel, og havde et hoved omkreds på 56 cm). Den højre del af figuren viser den gennemsnitlige iltet hæmoglobin (HBO) respons i perioden 5 - 10 sek efter bevægelse debut af en typisk udvikle teenager klemme en bold med deres højre hånd. Disse data i denne figur er genereret fra Homer 14, og derefter evalueret under anvendelse af en generel lineær model. Den blå farves repræsenterer ingen aktivering, mens de røde områder indikation regioner øget HbO løbet af opgaven perioder. Dette er en metode til analyse og visualisering, som forskerne bruger til at identificere områder med større ændringer i iltet og / eller deoxygenated blodgennemstrømning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samtidig indsamling af hjerneaktivitet fra målrettede områder af cortex og kvantitative data om, hvordan en person bevæger sig gaver enormt potentiale for at forbedre vores forståelse af den neurale kontrol af bevægelser, både i en population typisk udvikler såvel som dem med bevægelsesforstyrrelser. Der er også bred anvendelse i form af aldre og bevægelse opgaver, der kunne være afsluttet, da deltagerne ikke er begrænset til en liggende stilling, som de ville være for en funktionel MRI. De specifikke udstyrsdele er ikke begrænset til dem, der er foreslået i listen materialer - der er flere motion capture og motion kvantificering systemer, EMG systemer og fNIRS systemer til rådighed på markedet, og de kan anvendes i stedet for dem, som er blevet foreslået her. Desuden, hvis en udvalgt motion capture system ikke har tilstrækkelige mængder af målingen at lokalisere markører på både krop og hoved eller ikke-optisk teknologi anvendes, en 3-D positionssporingstylus kan bruges i stedet for at lokalisere optodes med hensyn til anatomiske kendetegn i et fælles koordinatsystem. Endelig, hvis det er muligt at yderligere indsamle fysiologiske data såsom hjertefrekvens og blodtryk, vil denne information være nyttigt at informere analyse af serier HBO og HBr tid.
Hele protokol kan være afsluttet i cirka 2 timer, med næsten halvdelen af den tid dedikeret til opsætning. For mandlige deltagere med kort hår, kan opsætningen tidspunkt være mindre, fordi der kræves mindre tid til at forberede håret. Det er vigtigt for efterforskerne at rekruttere uden bias fra alle etniske grupper og hårtyper, og rapportere, hvis der er personer, hvor nyttige signaler ikke kunne opnås 3. Afhængig af alder og opmærksomhed span af den person, der testes, kan yderligere opgaver eller yderligere blokke af dataindsamling let tilføjes. Det er vigtigt at bemærke, dog nogle begrænsninger fNIRS teknologi i sin nuværende tilstand. Trods careful forberedelse og pleje for at reducere hår interferens, kan der være nogle deltagere, hvor indholdet af deres hår og hud melanin udelukker samling af signaler med passende intensitet. Selv blandt dem med tilstrækkelig intensitet, vil der være variation i klarheden af hæmodynamisk respons observeret. Disse spørgsmål skal behandles i løbet af dataanalyse, med klar rapportering af, hvordan ikke-respondenter blev identificeret og offentliggørelse af antallet af deltagere testede hvis data ikke kunne anvendes 2-5.
Denne særlige protokol kan tilpasses på en række måder for anvendelse i specifikke forskningsspørgsmål. Orienteringen af de kilder og detektorer har uendelige muligheder i form af steder og arrangementer, som giver fleksibilitet til at prøve andre områder af cortex, skabe en tættere sonde med ekstra kanal overlap for at lette større opløsning, eller en mere sparsom ordning til dække større områder afkortikale overflade. Den overordnede rumlige opløsning fNIRS fortsat lavere end fMRI, men denne begrænsning kan blive opvejet af muligheden for at bruge fNIRS i et mindre lukket miljø for mange forskningsansøgninger, især når de studerer bevægelse opgaver. Desuden kan et vilkårligt antal motoriske, sensoriske, eller billeder opgaver indpasses indarbejdes i præsenterede blok design, herunder mere komplekse sekvenser eller andre simple enkelt fælles bevægelser. I betragtning af lavere ekstremiteter opgaver dog tanke skal gives til placeringen af den distale nedre ende repræsentation på motorens homunculus, da det ikke kan være muligt at få det dybt med en overflade tilgang såsom fNIRS. Derudover er der undersøgelser, der også bruger en event-relaterede paradigme 16,17, som let kunne integreres ved at ændre animationer og instruktioner til deltagerne. Disse paradigmer kræver et større antal bevægelse blokke, men de kan gennemføres med mindre hvile i mellem so den samlede datafangst tid må ikke væsentligt fra de præsenterede blok paradigmer.
Kinematiske og EMG data kan anvendes på en række måder. Kvalitativt det giver en nyttig bekræftelse af, at deltageren var færdiggøre en opgave som anvist. Især i de tilfælde, hvor bevægelserne ikke som forventet, på grund af nedsat opmærksomhed eller tilstedeværelsen af en bevægelse lidelse, kan disse signaler være meget værdifulde som kvantitative metoder til at fjerne blokke af data, eller som regressorer i en generel lineær model (GLM) analyse af dataene som vist ved Hervey et al. 18. Bestemmelse koordinaterne for fNIRS optodes og anatomiske kendetegn er nødvendig for co-registrering til en deltagers individuelle strukturelle MRI. Co-registrering af optode steder udgør et vigtigt skridt i at øge pålideligheden og neuro-anatomiske relevans fNIRS fund, især i populationer med hjerneskader. Endelig kunne man overveje at tilføjesporing af kabelbevægelse som et yderligere trin til at redegøre for bevægelsesartefakter inden for de registrerede data.
Childhood debut hjerneskader såsom cerebral parese er kendt for at forårsage en række perifere symptomer såsom spasticitet, muskelsvaghed og reduceret selektiv motorstyring 19. Passive elektrofysiologiske eller hjerne billeddiagnostiske teknikker såsom transkraniel magnetisk stimulation 20,21 og diffusion tensor imaging 22,23 har vist ændringer i kortikal organisation. fMRI har været nyttig i forbindelse med afsløring forskelle i aktivering i små isolerede bevægelser 24-26, men overvågning opgaveløsningen kan være en udfordring i MRI miljø, og selv lille bevægelse af hovedet kan forårsage store artefakter. I denne population i særdeleshed, supplerende eller samtidig brug af Neuroimaging modaliteter såsom fNIRS eller elektroencefalografi (EEG) giver mulighed for at få en større forståelse om den underliggende kildeaf bevægelse problemer, og et supplerende værktøj for overvågning af fremskridtene i forbindelse med motoriske interventioner.
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).
