Functionele Near Infrared Spectroscopy van de sensorische en motorische gebieden van de hersenen met Gelijktijdig kinematische en EMG Monitoring Tijdens Motor Taken
Summary
Monitoring brain activity during upright motor tasks is of great value when investigating the neural source of movement disorders. Here, we demonstrate a protocol that combines functional near infrared spectroscopy with continuous monitoring of muscle and kinematic activity during 4 types of motor tasks.
Abstract
Er zijn verschillende voordelen die functioneel nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) presenteert in de studie van de neurale controle van de menselijke beweging. Het is relatief flexibel met betrekking tot de deelnemer positionering en zorgt voor een zekere bewegingen hoofd tijdens taken. Bovendien is goedkoop, lichtgewicht en draagbaar, met zeer weinig contra-indicaties voor het gebruik ervan. Dit biedt een unieke gelegenheid om functionele hersenactiviteit bestuderen tijdens motorische taken bij personen die typisch ontwikkelen, evenals die met bewegingsstoornissen, zoals cerebrale parese. Een bijkomende overweging bij het bestuderen van bewegingsstoornissen, echter, is de kwaliteit van de werkelijke bewegingen uitgevoerd en de mogelijkheden voor extra, onbedoelde bewegingen. Daarom wordt gelijktijdig monitoren van zowel bloedstroom veranderingen in de hersenen en trajecten van lichaam tijdens proeven vereist voor correcte interpretatie van fNIRS resultaten. Hier tonen we een protocol voor de combinatie van fNIRS metspieren en kinematische monitoring tijdens motorische taken. We verkennen gang, een eenzijdige multi-joint beweging (fietsen), en twee eenzijdige single-joint bewegingen (geïsoleerd dorsiflexie van de enkel, en geïsoleerde hand knijpen). De technieken die kunnen nuttig zijn bij het bestuderen van zowel typische en atypische motorische controle, en kan worden aangepast aan een breed scala van taken en wetenschappelijke vragen onderzoeken.
Introduction
Neurale beeldvorming tijdens functionele taken heeft meer draagbaar en kostenefficiënt worden met behulp van niet-invasieve functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) gebieden van hersenactiviteit identificeren door het meten van bloedstroming dynamiek in de cortex. De draagbaarheid van fNIRS is bijzonder nuttig bij de studie van rechtop en functionele taken zoals gang 1, wat niet mogelijk is met andere technologieën zoals functionele magnetische resonantie (fMRI). Deze mogelijkheid is van cruciaal belang op het gebied van neurologie en neurowetenschappen, en nieuwe inzichten kunnen verschaffen in de mechanismen die ten grondslag liggen bewegingsstoornissen bij kinderen en volwassenen met cerebrale parese (CP) en andere neurologische aandoeningen van de motorische controle. Inzicht in mechanismen verbetert het vermogen om effectieve interventies om de bron van stoornissen en beperkingen in activiteiten gericht op het ontwerpen.
Veel fNIRS studies van motorische taken tot op heden met een gezonde populatie van volwassenen waar een deel geweesticipants krijgen de opdracht om een bepaalde taak en de monitoring van de taakuitvoering is beperkt tot visuele inspectie uit te voeren. Dit kan voldoende zijn voor degenen met normale bewegingen en een hoge mate van betrokkenheid, maar is niet aanvaardbaar bij het bestuderen deelnemers bewegingsstoornissen of mensen die moeite die bij een taak voor langere tijd, zoals normaal ontwikkelende kinderen. Om de analyse van hersenactiviteit in deze gevallen de hoogte wordt gelijktijdige bewaking van de motor patroon daadwerkelijk voltooid vereist.
Uitgebreide reviews van fNIRS systemen en gebruiken zijn gepresenteerd in de literatuur 2-5 dat het gebruik begeleiden en helpen om de nauwkeurigheid en de gevoeligheid van deze systemen, maar technische problemen in het verzamelen, verwerken en interpreteren van fNIRS gegevens nog steeds aan te tonen. Kleur en dikte van het haar van invloed op de kwaliteit van het optische signaal, met donker dik haar het meest waarschijnlijk te blokkeren of te vervormen optische zender;ssion 3,6. Dit is vooral van belang bij het bestuderen van de sensomotorische gebieden gelegen op de kruin van het hoofd waar haarfollikel dichtheid is het grootst, en sommige studies rapporteren non-responders 6,7. De gevestigde International 10/20 systeem kan worden gebruikt voor plaatsing van de optoden, maar vooral bij patiënten met atypische hersenen anatomie, co-registratie van optode locatie anatomische MRI een deelnemer is zeer nuttig als niet noodzakelijk om nauwkeurig interpreteren resultaten.
Het gebruik van fNIRS om hersenactiviteit te beoordelen in de jeugd-onset hersenletsel is vrij recent, maar steeds tractie op het gebied van unilaterale cerebrale parese 6,8,9. Met het oog op de bovengenoemde uitdagingen, dit protocol combineert fNIRS, motion capture, en elektromyografische (EMG) monitoring tijdens een aantal taken, waaronder eenvoudige single-joint taken evenals meer complexe full-body bewegingen. Visuele en auditieve begeleiding is onsed om aandacht en taakuitvoering over meerdere leeftijden van de deelnemers te verbeteren. Het doel van het protocol is om verschillen in hersenactiviteit patronen herkennen in die met een unilaterale en bilaterale jeugd-onset hersenletsel in vergelijking met degenen die doorgaans worden ontwikkelen. We verkennen een full body beweging (lopen), een bilaterale onderste extremiteiten multi-joint beweging (fietsen), en twee eenzijdige single-joint bewegingen (geïsoleerd dorsiflexie van de enkel, en geïsoleerde hand knijpen) om de verscheidenheid aan toepassingen van de methoden te illustreren. Dezelfde of een vergelijkbaar protocol kan worden gebruikt om andere zintuiglijke of bewegingsstoornissen of andere opdrachten van belang bestuderen.
Continuous wave nabij-infrarood licht werd uitgezonden en gedetecteerd bij 690 nm en 830 nm over de sensomotorische cortex met behulp van de fNIRS systeem met een snelheid van 50 Hz, met behulp van een configuratie op maat ontworpen bron-detector. EMG gegevens werden draadloos verzameld op een frequentie van 1000 Hz. Reflecterende marker 3-D locaties warendoor een optische motion capture systeem verzameld met een frequentie van 100 Hz. Twee verschillende computers behandeld data-acquisitie, één voor de fNIRS en een andere voor de motion capture en EMG. De gegevens werden gesynchroniseerd met behulp van een trigger puls van een derde computer die overeenkomt met een muisknop indrukken om de educatieve animatie voor elke taak te starten. Voor alle taken behalve gait, werden educatieve animaties ontworpen om deelnemer prestaties standaardiseren met behulp van visuele begeleiding van het tempo van een taak (1 Hz), vertegenwoordigd door een cartoon dier springen of schoppen, evenals een auditieve cue.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gelijktijdige ophaling van hersenactiviteit uit gerichte gebieden van de cortex en kwantitatieve gegevens over de manier waarop een persoon presenteert enorm potentieel in beweging is voor het verbeteren van ons begrip van de neurale controle van de beweging, zowel in een normaal ontwikkelende bevolking evenals die met bewegingsstoornissen. Er is ook een brede toepassing in termen van leeftijd en beweging taken die kon worden voltooid, als deelnemers niet beperkt zijn tot een liggende positie als ze zouden zijn voor een…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This project was funded by the Intramural Research Program at the National Institutes of Health Clinical Center. We acknowledge the helpful discussions with Dr. Thomas Bulea, PhD and Laurie Ohlrich, PT in refining the procedures presented in this protocol. Muyinat W. Osoba and Andrew Gravunder, MS assisted with the animations.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 | n/a | 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 | n/a | 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. Anatomic guide for the electromyographer–the limbs. , (1980).
- 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. , (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).
