Abstract
Il ya plusieurs avantages que la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) présente dans l'étude du contrôle neuronal du mouvement humain. Il est relativement flexible par rapport au positionnement de participant et permet pour certains mouvements de la tête lors de tâches. En outre, il est peu coûteux, léger et portable, avec très peu de contre-indications à son utilisation. Ce est une occasion unique d'étudier l'activité cérébrale fonctionnelle pendant tâches motrices chez les individus qui sont généralement en développement, ainsi que ceux avec des troubles du mouvement, comme la paralysie cérébrale. Une autre considération lors de l'étude des troubles du mouvement, cependant, est la qualité des mouvements réels effectués et le potentiel de mouvements involontaires, supplémentaires. Par conséquent, la surveillance simultanée des changements du flux sanguin dans le cerveau et les mouvements réels du corps lors des essais est nécessaire pour l'interprétation appropriée de fNIRS résultats. Ici, nous montrons un protocole pour la combinaison avec des fNIRSmusculaire et suivi cinématique pendant tâches motrices. Nous explorons la marche, un mouvement unilatéral multi-joint (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé flexion dorsale de la cheville, et en serrant la main isolé). Les techniques présentées peuvent être utiles pour étudier à la fois le contrôle typique et atypique moteur, et peuvent être modifiés pour enquêter sur un large éventail de tâches et des questions scientifiques.
Introduction
Imagerie neuronale au cours de tâches fonctionnelles est devenu plus portable et rentable en utilisant la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle non invasive (fNIRS) d'identifier les domaines de l'activité cérébrale en mesurant la dynamique de la circulation sanguine au niveau du cortex. La portabilité des fNIRS est particulièrement utile dans l'étude des tâches verticaux et fonctionnels tels que la marche 1, qui ne est pas possible avec d'autres technologies comme l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette capacité est essentielle dans les domaines de la neurologie et de neurosciences, et pourrait apporter de nouveaux éclairages sur les mécanismes sous-jacents des troubles du mouvement chez les enfants et les adultes atteints de paralysie cérébrale (CP) et d'autres conditions neurologiques affectant le contrôle du moteur. Comprendre les mécanismes améliore la capacité de concevoir des interventions efficaces pour cibler la source de déficiences et des limitations d'activité.
Beaucoup fNIRS études de tâches motrices à ce jour ont été avec une population en bonne santé chez les adultes, de la pièceicipants sont chargés d'effectuer une certaine tâche et le suivi de l'exécution des tâches est limitée à une inspection visuelle. Cela peut être suffisante pour ceux avec des mouvements typiques et un niveau élevé d'engagement, mais ne est pas acceptable lorsque l'on étudie les participants souffrant de troubles moteurs ou ceux qui ont des difficultés à assister à une tâche pendant de longues périodes de temps, y compris les enfants au développement normal. Afin d'informer l'analyse de l'activation du cerveau dans ces cas, la surveillance simultanée de la configuration de moteur qui est effectivement achevée est nécessaire.
Des examens complets de fNIRS systèmes et usages ont été présentés dans la littérature 2-5 qui guident l'utilisation et aider à démontrer la précision et la sensibilité de ces systèmes, mais les problèmes techniques dans la collecte, le traitement et l'interprétation des données fNIRS demeurent. La couleur et l'épaisseur des cheveux affectent la qualité du signal optique, avec les cheveux épais sombre plus susceptibles de bloquer ou de fausser Transmi optiquession 3,6. Ceci est particulièrement pertinent lorsque l'on étudie les zones sensori-moteurs situées sur la zone de la couronne de la tête où la densité de follicule pileux est le plus grand, et certaines études rapport de non-répondeurs 6,7. L'international 10/20 système bien établi peut être utilisé pour le placement des optodes, mais en particulier dans le cas de ceux qui atypique l'anatomie du cerveau, de co-enregistrement de l'emplacement de l'IRM anatomique optode d'un participant est très utile sinon indispensable d'interpréter avec précision la résultats.
L'utilisation de fNIRS pour évaluer l'activation du cerveau des blessures du cerveau débutant dans l'enfance est assez récente, mais gagne du terrain dans le domaine de unilatérale 6,8,9 paralysie cérébrale. Compte tenu des défis susmentionnés, ce protocole combine fNIRS, capture de mouvement, et électromyographique (EMG) surveillance pendant un certain nombre de tâches, y compris les tâches mono-articulaires simples ainsi que les motions pleine de corps plus complexes. Guidage visuel et auditif, ce est noused pour améliorer l'attention et la tâche rendement dans plusieurs âges des participants. L'objectif du protocole est d'identifier les différences dans les modes d'activation du cerveau chez les personnes atteintes de lésions cérébrales à début précoce unilatérale et bilatérale par rapport à ceux qui sont généralement développe. Nous explorons un mouvement complet du corps (de la démarche), une extrémité inférieure mouvement multi-joint bilatérale (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé dorsiflexion de la cheville, et de compression de la main isolé) pour illustrer la variété des applications des méthodes. Le même ou un protocole très similaire pourrait être utilisée pour étudier d'autres troubles sensoriels ou de mouvement ou d'autres tâches d'intérêt.
Onde continue lumière proche infrarouge a été émis et détecté à 690 nm et 830 nm sur les cortex sensori-moteurs utilisant le système fNIRS à un taux de 50 Hz, en utilisant une configuration personnalisée conçue source-détecteur. EMG données ont été recueillies sans fil à une fréquence de 1000 Hz. Marqueurs réfléchissants positions en 3D étaientrecueillie par un système de capture de mouvement optique à une vitesse de 100 Hz. Deux ordinateurs différents traités acquisition de données, une pour les fNIRS et un autre pour la capture de mouvement et EMG. Les données ont été synchronisées en utilisant une impulsion de déclenchement d'un troisième ordinateur qui correspond à une pression sur le bouton de la souris pour lancer l'animation pédagogique pour chaque tâche. Pour toutes les tâches, sauf la marche, animations pédagogiques ont été conçus pour normaliser les performances des participants en utilisant un guidage visuel du rythme d'une tâche (1 Hz), représentée par un saut de bande dessinée animale ou de pied, ainsi que d'un signal auditif.
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Protocol
NOTE: Ce protocole a été approuvé par l'Institutional Review Board de la National Institutes of Health (identificateur ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tous les participants ont la possibilité de poser des questions et de donner un consentement éclairé avant leur participation. En contrepartie des changements à la réponse hémodynamique causés par l'utilisation récente de vasodilatateurs et vasoconstricteurs, les participants sont priés de se abstenir de l'alcool et de la caféine pendant 24 heures avant l'expérience trois vidéos d'animation .Ces ont été fabriqués sur mesure dans notre laboratoire, mais pourraient être enregistrées avec d'autres des sons ou des images spécifiques aux questions de recherche alternatifs.
1. Mettre en place la salle avant l'arrivée du participant.
- Calibrer le mouvement des caméras de capture par rapport à des coordonnées d'un laboratoire conformément aux processus spécifique du fabricant de capture de mouvement. Veiller à ce que les positions de l'appareil photo permettre l'enregistrement de tous les marqueurs à la fois sur le corpset la tête du participant pendant les tâches qui seront testés. Le processus d'étalonnage assure la précision du système de capture de mouvement et est pratique courante pour tout laboratoire de mouvement. Utiliser un système de dix caméra, avec un volume approximatif de 17 m 3, où marqueurs réfléchissants ont pu être identifiés de façon fiable.
- Connectez le déclenchement de l'ordinateur d'instruction aux entrées BNC de capture et de mouvement fNIRS ordinateurs. Assurez-vous que la gâchette est reliée à un bouton de la souris et en cliquant sur la souris complète le circuit et envoie une impulsion simultanément à la capture de mouvement / EMG carte d'acquisition de données et à la carte d'acquisition de données de fNIRS que auxillary entrées analogiques.
- Connectez cette souris via le port USB à l'ordinateur qui se exécutent instruction vidéos d'animation, tels que le démarrage de la vidéo va provoquer un changement de tension simultanément sur les deux systèmes d'acquisition de données.
Remarque: Les signaux EMG sont automatiquement synchronisés et sauvegardés par le logiciel de capture de mouvement, de sorte suppional synchronisation du système EMG ne est pas nécessaire. - Mettre en place l'écran et un projecteur pour des instructions pour être montré au participant. Retirez tous les objets inutiles qui pourraient être sources de distraction. Placez le trépied et une caméra vidéo numérique où ils ont une vue complète des mouvements des participants.
- Vérifiez que les marqueurs réfléchissants sont solidement fixés au début de chaque optode dans la sonde.
- Assemblez tous les documents nécessaires: consentement et d'assentiment copies, feuilles de l'examen clinique, et feuilles de notes expérimentales, par exemple.
2. Mesures de base
- Après avoir terminé le processus de consentement éclairé, de mesurer et de taille, le poids, l'âge et circonférence de la tête de fiche participant.
- Administrer Edinburgh Handedness Inventaire 10 et autres examens cliniques comme indiqué. Enregistrez-participant rapporté les types de cheveux et de la peau.
- Placez marqueurs réfléchissants sur les épines iliaques postérieures supérieures (SIEP) bilatéralement. Avoir le participant à pied à leur rythme confortable dans le laboratoire 3-5 fois, et la vitesse moyenne entre les essais d'estimer leur auto sélectionnée marche rythme.
3. Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge (fNIRS) Setup
NOTE: Ce peut être complété simultanément avec la mise en place d'EMG et de capture de mouvement, se il ya suffisamment expérimentateurs ou personnel de recherche pour aider, et si le participant est à l'aise avec plusieurs personnes étant proches d'eux en même temps.
- Mesurez la distance entre le nasion (Nz) et l'inion (Iz), et entre les points pré-auriculaires sur la droite (Ar) et gauche (Al) oreilles. L'intersection du point milieu de ces deux mesures est Cz, qui est marqué sur le cuir chevelu à l'aide d'un marqueur lavable.
- Si le participant a les cheveux longs, la section hors de petites portions de cheveux à l'aide des tresses ou des queues de cheval afin d'exposer le cuir chevelu où optodes seront placés.
- Placez les fNIRS sonde sur til la tête du participant, en prenant soin de se aligner avec Cz, Ar. Puis déplacez cheveux de sous chaque optode comme il est placé sur le cuir chevelu. Enfin, fixez des bandes velcro pour tenir solidement les optodes en place.
NOTE: Dans ce protocole, utilisez un bouchon qui a une sangle qui va derrière la tête, celui qui va sur le front, et qui passe sous le menton. Optodes sont ancrés à ce plafond avec du velcro sur un anneau flexible en plastique qui entoure l'oreille.- Si le participant a les cheveux courts (moins d'environ 2 pouces de longueur), tirez les cheveux entre optodes avec un petit bâton mince ou à la fin d'un peigne en plastique.
- Vérifiez que tous les câbles de Optode sont couchés à plat, et que optodes sont approximativement perpendiculaire à la surface du cuir chevelu.
- Si nécessaire, placez un mince morceau de mousse sous le groupe de câbles Optode de promouvoir alignement perpendiculaire des optodes.
- Vérifiez avec le participant sur le confort des sondes, etajuster si nécessaire. Demandez-leur de dire si les expérimentateurs leur confort diminue à tout moment pendant l'expérience.
- Tourner sur les sources et vérifier les signaux.
- Dans ce système, d'assurer un signal qui a une intensité d'au moins 80 dB et un battement de coeur clairement visible dans le deltaOD (changement de densité optique) Signal, à deux longueurs d'onde 690 et 830 nm. Lorsque voies ont des signaux ne répondant pas à ces critères, confirmer que les cheveux ne bloque pas le optode (s), puis ajuster les gains de détection que nécessaire pour maximiser l'intensité du signal. Veiller à ce que les caméras de capture de mouvement sont éteints pendant ce temps.
NOTE: D'autres machines fNIRS peuvent fonctionner à différentes longueurs d'onde 690 et 830 nm; dans ce cas, vérifiez les longueurs d'onde les plus appropriées à la machine utilisée.
- Dans ce système, d'assurer un signal qui a une intensité d'au moins 80 dB et un battement de coeur clairement visible dans le deltaOD (changement de densité optique) Signal, à deux longueurs d'onde 690 et 830 nm. Lorsque voies ont des signaux ne répondant pas à ces critères, confirmer que les cheveux ne bloque pas le optode (s), puis ajuster les gains de détection que nécessaire pour maximiser l'intensité du signal. Veiller à ce que les caméras de capture de mouvement sont éteints pendant ce temps.
- Ajouter marqueurs réfléchissants à Nz, Iz, Ar, et Al. Demandez au participant de rester immobile et de recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement pour ces derniers et les marqueurs des fNIRS. Vérifiez quetous les marqueurs ont été enregistrés, et de recueillir des essais supplémentaires si nécessaire. Elle peut exiger du participant de changer la position de tête pour améliorer la ligne de vue entre les caméras et les marqueurs. Utilisez ces trois endroits dimensions recueillies lors de l'analyse probabiliste pour l'enregistrement de l'IRM structurelle individuelle d'un participant se il est disponible.
- Ajouter un couvercle avec plusieurs couches de feutre noir ou autre matériau optiquement absorbante sur le dessus des fNIRS optodes pour protéger les détecteurs de toute ingérence ou la saturation des caméras de capture de mouvement. Vérifiez que les câbles et le panneau avant de l'unité fNIRS sont également bien protégés en utilisant le même matériau optiquement absorbant.
4. Surface électromyographie (EMG) Setup
- Localisez le ventre du muscle de chaque muscle cible en utilisant des repères anatomiques, la palpation lors de la contraction musculaire, et guide le placement des électrodes 11.
REMARQUE: Les muscles ciblés dans ce protocole comprennent biljumeau interne ateral, jambier antérieur, droit antérieur, vaste externe, biceps, extenseur radial du carpe, et palmaire. - Préparez-vous à EMG placement des électrodes sur le ventre musculaire par le rasage, l'élimination des cellules mortes de la peau avec du ruban adhésif, puis nettoyage avec un tampon d'alcool isopropylique, tel que recommandé par SENIAM 12 et attendre pour la peau sèche.
- Passer EMG électrode orientée vers la direction des fibres musculaires.
- Enveloppez parfaitement avec une enveloppe adhérente auto.
- Vérifiez signaux musculaires sur l'ordinateur tout en effectuant des tests manuels musculaire pour assurer le placement des électrodes appropriée, et la visualisation claire de changement de signal lorsque le muscle est actif.
5. Configuration de capture de mouvement
- Placez marqueurs réfléchissants au repères communs. Il se agit notamment médial et malléole latérale, médiale et latérale du genou, épine iliaque antéro supérieure (ASIS), postérieure épine iliaque (SIEP), styloïde radiale, syloïde ulnaire, medial Épicondyle humérale, et latérale humérale Épicondyle.
- Placez trois ou plusieurs marqueurs, ou un cluster de corps rigide de marqueurs, sur chaque secteur d'intérêt, y compris le pied, le jambonneau, la cuisse, la main et l'avant-bras.
- Recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement alors que le participant est encore debout dans une position normalisée, tels que debout, les bras à 90 ° flexion de l'épaule et de coude de 90 ° de flexion. Veiller à ce que tous les marqueurs sont clairement visibles pour les caméras.
6. Gait Groupe
- Avoir le transfert des participants sur le tapis roulant. Les aider en soutenant les câbles des fNIRS puis fixez les câbles au support de plafond après que le patient est en position. Si le patient est à risque élevé de chutes, utiliser un harnais de support de poids corporel pour la sécurité au cours de cette tâche.
- Lancer le tapis roulant, pour atteindre lentement l'auto sélectionnée vitesse de marche mesurée pour obtenir le participant à l'aise avec les conditions fixées. Puis lente à un arrêtnouveau.
- Mettre en place le fichier d'animation avec le retour auditif qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer. instructions de tâche d'examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et de marcher à la vitesse de jeu de tapis de course durant la période de "tâche", tout en se concentrant leur attention sur le petit cercle noir sur l'écran pour la durée d'acquisition des données.
- Tamisez les lumières, et de commencer l'acquisition de données sur l'ordinateur de capture de mouvement et l'ordinateur fNIRS. Commencer l'enregistrement sur la caméra vidéo.
- Utilisation du déclenchement de la souris, cliquez sur le bouton de lecture sur le fichier d'animation associé à cette tâche. Assurez-vous que le déclencheur a été reçu à la fois par la capture de mouvement et les systèmes NIRS.
- Passez à l'image d'un point noir situé dans la ligne de mire du participant, de sorte qu'ils ont un point pour la durée de l'essai de mise au point.
REMARQUE: Le schéma aperçu pour chaqueessai est représentée sur la Figure 2.
- Passez à l'image d'un point noir situé dans la ligne de mire du participant, de sorte qu'ils ont un point pour la durée de l'essai de mise au point.
- Surveiller le rendement du participant et fournir une rétroaction sur la vitesse, ou des mouvements volontaires étrangers au besoin.
- A la fin de l'animation d'instruction, arrêter l'enregistrement sur la capture de mouvement, EMG, et fNIRS systèmes, ainsi que la caméra vidéo. Donnez au participant l'occasion de se reposer ou changer de position si nécessaire.
7. bilatérale membre inférieur Cyclisme Groupe
- Avoir la transition des participants à un socle avec le dos mobile et le soutien de la jambe, en prenant soin de soutenir les câbles des fNIRS et de ne pas heurter ou déloger les marqueurs de capture de mouvement ou électrodes EMG. Avoir un coussin de siège en mousse pour améliorer le confort lors de l'expérience.
- Soulevez le cadre du cycle en position et le fixer au socle avec une sangle.
- Fixez les pieds dans les pédales et d'ajuster la position du cycle que nécessaire pour promouvoir une distance confortable et naturelle aux pédales. Àle point le plus dans le cycle, maintenir leur genou dans environ 10 ° de flexion.
NOTE: A ce stade, le participant sera dans une position semi-couchée, qui fournit un certain soutien de tronc et facilite la relaxation pendant la période de repos. - instructions de tâche d'examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et le cycle à environ 60 tours par minute pendant la période de "tâche".
- Répétez les étapes 6.4 à 6.7. Au lieu de passer à une image d'un point, le projet de dessin animé qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer grâce à la rétroaction visuelle et auditive. Maximiser la fenêtre de film afin que le participant ne est pas en mesure de surveiller le temps qui se est écoulé, ou restante, dans le procès en cours.
8. Main serrant Groupe
- Après avoir enlevé les pieds du cycle et le cycle lui-même, placer une table de lit en face du participant, Making assurer que les bras de participants sont pris en charge sur la table dans une position confortable.
- Demandez participant à serrer un objet mou environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de "tâche", et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos».
- Répétez l'étape 7.5.
9. cheville Dorsiflexion Groupe
- Retirer la table de lit, et augmenter la partie de repose-pieds du socle jusqu'à apporter les pieds dans l'avis du participant.
- Retirer la chaussure et de la chaussette du participant, et remplacer les marqueurs de pieds dans des positions appropriées. Soutenir le veau juste au-dessus de leur articulation de la cheville avec un tapis de mousse pour permettre le mouvement des articulations de la cheville.
- Demandez au participant de flexion dorsale la cheville environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de "tâche", et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos».
- Répétez l'étape 7.5.
10. Conclusion de ProProtocole
- Retirez le bouchon et inspecter la peau pour les zones de pression ou de rougeurs.
- Retirez tous les marqueurs réfléchissants et unités EMG.
- Remerciez le participant pour leur temps et inviter leur entrée sur l'expérience subjective du protocole. Cela peut être un questionnaire formel (comme utilisé par Garvey et ses collègues pour la stimulation magnétique transcrânienne 13), ou une discussion informelle pour identifier les sources communes d'inconfort qui pourraient être améliorés à l'avenir.
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Representative Results
Ce protocole coordonne l'acquisition simultanée de 3 modalités de capturer le flux de sang-cerveau, l'activité électrique des muscles, et le mouvement cinématique des articulations tout en participant effectue des tâches motrices (figure 1).
Emplacement Figure 1. Probe. La partie gauche de cette figure montre les emplacements approximatifs des aires sensorielles (en bleu, aires de Brodmann 1,2,3), l'aire motrice primaire (en vert, l'aire de Brodmann 4), et la zone de prémoteur (en orange, l'aire de Brodmann 6). La partie droite de cette figure a été généré en utilisant AtlasViewerGUI (disponible pour téléchargement ouverte source du MGH Optics Division 15) et ses fonctions associées. En bref, cette conception de la sonde a été enregistrée à la surface de l'Atlas Colin47 utilisant la disposition spatiale des sources, des détecteurs, et ANATOrepères miques (sources sont représentées par des cercles rouges et les détecteurs par des cercles bleus). Une migration de photons modèle direct Monte Carlo a été exécuté pour le lancement de 1 x 10 8 photons de la lumière à travers les matériaux de la peau, du crâne et du cerveau, avec des profils de sensibilité pour toutes les paires source-détecteur sont projetées à la surface du cortex et toutes affichée simultanément dans ce chiffre. La carte de la couleur sur la surface du cerveau cortical représente la sensibilité de la sonde; en d'autres termes le nombre de photons simulées qui atteignent le circonvolutions et sillons situé sous les sources et de détecteurs (couleurs plus chaudes indiquent plus de photons que les couleurs froides, avec une gamme de deux ordres de grandeur sur une échelle log 10).
montre un exemple d'arrangement source-détecteur utilisé dans ce protocole, et comment elle est liée à des structures neuroanatomiques sous-jacents sur un atlas du cerveau. La figure 2 décrit la conception de bloc utilisée dans ce protocole, ainsi que des captures d'écrandes vidéos d'instruction. Les tâches sont effectuées dans une conception de bloc, avec huit blocs de tâches 15 sec entrecoupées de longueur aléatoire périodes de repos de 20 à 30 sec. Animaux de bande dessinée ont été spécifiquement choisis pour être non humain comme pour ne pas engager le système de neurones miroir 11, et des signaux sonores ont été montré pour améliorer l'exécution des tâches dans d'autres expériences de conception de bloc 10. La tâche de la marche ne avait qu'un signal auditif, et on a demandé de se concentrer sur un petit cercle noir projetée sur un écran en face d'eux des participants.
Figure 2. Schéma de chaque essai. De collecte de données pour chaque type de tâche dure environ 6 min. Il ya des périodes de repos variable (comprise entre 20 et 30 secondes dans la durée), avec 15 blocs de sec d'activité (la marche, le vélo, la flexion dorsale, ou pressage). Vidéos pédagogiques ont été créésavec des repères visuels et auditifs pour le participant de se reposer ou se déplacer. Les images de pingouins sont prises à partir de l'une des vidéos d'instructions indiquées au patient. Il reste sur le terrain pendant les périodes de repos, et saute dans l'air une fois par seconde pendant les périodes de travail. Il ya aussi la musique fournie pour chaque condition, un jeu d'air de détente pendant le repos et un accord avec un rythme soutenu de 60 bpm pendant les blocs de tâches.
La figure 3 est un exemple des signaux optiques durant l'exécution de la tâche. Les données sont automatiquement enregistrées dans un fichier avec un .nirs extension * et plus tard transférés de l'ordinateur d'acquisition de données pour un traitement ultérieur. La figure 4 montre un exemple du modèle squelette reconstitué, avec angle de l'articulation et des mesures EMG pour une tâche cheville flexion dorsale. Le modèle squelettique et les angles des articulations sont créées et calculées à l'aide des logiciels Nexus et Visual3D. Ces données, ainsi que l'EMG ont pas été transformés et coULD contient les artefacts de mouvement ou d'autres bruits qui pourraient bénéficier de techniques de filtrage.
Il ya un large éventail de techniques d'analyse et de logiciels disponibles pour interpréter les données recueillies. Un exemple est de terminer la reconstruction de l'image fNIRS utilisant un emballage ouvert de logiciel de source appelé Homer 14. Un exemple de la carte est crée est représenté sur la figure 5 pour montrer le type d'information d'activation qui peut être interprété à partir des signaux de densité optiques recueillies.
Figure 3. Exemple d'enregistrements de densité optique. Cette capture d'écran est à partir du logiciel d'acquisition de données d'un type de machine fNIRS. Il comprend des informations sur les fNIRS sonder arrangement (en haut à droite), capacité de transformer des sources laser individuelles sur et en dehors (en bas à gauche), et options pour modifier le gain de chaque cellule de détection (en bas au centre). Dans la fenêtre de visualisation de données (en haut à gauche), la ligne rose vertical représente le début d'un bloc de l'activité. Couleurs des traces correspondent aux couleurs des canaux indiqués dans l'agencement de la sonde sur la droite. A noter que tous les signaux sont au-dessus de 80 dB, et le rythme cardiaque est clairement visible, même dans le signal d'intensité lumineuse.
Figure 4. Exemple de reconstruction squelettique, les angles des articulations et EMG pour une tâche de flexion dorsale gauche. La période de la tâche au cours de la période représentée commence à environ 4,5 sec, et se poursuit jusqu'à 19,5 sec. Dans cet individu développement typique (13 ans), il ya un mouvement très limité au niveau des articulations autres que la cheville gauche ciblée. En outre, d'autres muscles que l'entreprise fournissant le mouvement (jambier antérieur) unre général de repos au cours de la tâche ainsi que les périodes de repos. TA = jambier antérieur; MG = jumeau interne; RF = fémoral droit antérieur; VL = vaste externe; MH = ischio-jambiers médial.
Figure 5. Exemple de fNIRS carte d'activation pendant une tâche serrant droitier La boîte bleue en haut du cerveau. Décrit la superficie approximative échantillonnée par cette conception de la sonde (voir aussi la figure 1). Ce participant était âgé de 13 ans, et avait une circonférence de la tête de 56 cm). La partie droite de la figure montre la réponse moyenne hémoglobine oxygénée (HBO) pendant la période de 5 à 10 secondes suivant le début du mouvement d'un adolescent qui développe généralement de presser une balle avec leur main droite. Ces données sur cette figure sont générés à partir Homer 14, puis évaluée en utilisant un modèle linéaire général. La couleur bleues représentent pas d'activation, tandis que les régions rouges domaines d'indication de l'augmentation HbO pendant les périodes de travail. Ce est une méthode d'analyse et de visualisation que les chercheurs utilisent pour identifier les zones de plus grands changements dans les flux de sang oxygéné et / ou désoxygéné.
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Discussion
Le cumul de l'activité cérébrale des zones ciblées du cortex et des données quantitatives sur la façon dont une personne se déplace présente un énorme potentiel pour améliorer notre compréhension du contrôle du mouvement, à la fois dans une population généralement le développement ainsi que ceux qui ont des troubles du mouvement. Il ya aussi une large application en termes d'âges et les tâches de mouvement qui pourrait être complété, en tant que participants ne sont pas limités à une position couchée comme ils le seraient pour une IRM fonctionnelle. Les équipements spécifiques ne sont pas limitées à celles proposées dans la liste des matériaux - il existe plusieurs systèmes de capture et de mouvement mouvement quantification, les systèmes EMG, et des systèmes de fNIRS disponibles sur le marché, et ils pourraient être utilisés à la place de celles suggérées ici. En outre, si un système de capture de mouvement choisie ne dispose pas des volumes suffisants de mesure pour localiser des marqueurs sur le corps et la technologie de tête ou non optique est utilisé, une 3-D suivi de positionstylet peut être utilisé à la place pour localiser les optodes par rapport à des repères anatomiques dans un système de coordonnées commun. Enfin, se il est possible de recueillir des données supplémentaires physiologiques tels que la fréquence cardiaque et la pression artérielle, cette information serait utile d'informer analyse de HBO et HbR séries chronologiques.
L'ensemble du protocole peut être complété en environ 2 h, avec près de la moitié de ce temps consacré à l'installation. Pour les participants de sexe masculin avec les cheveux courts, le temps d'installation peut être moins parce que moins de temps est nécessaire pour préparer les cheveux. Il est important pour les enquêteurs de recruter sans préjugés de toutes les ethnies et les types de cheveux, et de faire rapport se il ya des individus où les signaux utiles ne pourraient pas être obtenus 3. Selon l'âge et la durée d'attention de la personne testée, des tâches supplémentaires ou des blocs supplémentaires de collecte de données peuvent être facilement ajoutés. Il est important de noter, cependant, certaines limites de la technologie fNIRS dans son état actuel. Malgré careful préparation et de soins pour réduire les parasites de cheveux, il peut y avoir certains participants où la teneur en mélanine de leur cheveux et la peau se oppose à la collecte des signaux avec une intensité appropriée. Même chez les personnes ayant une intensité suffisante, il y aura des variations de la clarté de la réponse hémodynamique observé. Ces questions doivent être traitées lors de l'analyse de données, avec des rapports clairs de la façon dont les non-répondeurs ont été identifiées et la divulgation du nombre de participants testés dont les données ne pouvaient pas être utilisé 2-5.
Ce protocole particulier peut être adaptée dans un certain nombre de moyens pour l'application à des questions de recherche spécifiques. L'orientation des sources et des détecteurs a des possibilités infinies en termes de lieux et arrangements, qui offrent la possibilité de déguster d'autres zones du cortex, de créer une sonde plus dense avec un chevauchement de canal supplémentaire afin de faciliter une plus grande résolution, ou un arrangement plus clairsemée à couvrir de plus grandes zones de lasurface corticale. La résolution spatiale globale de fNIRS reste faible par rapport à l'IRMf, mais cette limitation peut être compensé par la possibilité d'utiliser fNIRS dans un environnement moins confiné pour de nombreuses applications de recherche, en particulier lorsque l'on étudie les tâches de mouvement. En outre, un certain nombre de moteurs, ou les tâches d'imagerie sensoriels pourrait être faisable incorporée dans la conception du bloc présenté y compris plusieurs séquences complexes ou d'autres mouvements articulaires simples simples. En contrepartie des tâches des membres inférieurs, cependant, il faut réfléchir à l'emplacement de la représentation distale du membre inférieur sur l'homonculus moteur comme il peut ne pas être possible d'obtenir que profonde avec une approche basée sur surface comme fNIRS. En outre, il ya des études qui utilisent également un paradigme lié à l'événement 16,17, qui pourrait facilement être intégré en modifiant les animations et les instructions aux participants. Ces paradigmes exigent un plus grand nombre de blocs de mouvement, mais ils peuvent être complétés avec moins de repos entre les deux so le temps d'acquisition de données totale ne peut différer de manière significative des paradigmes de bloc présentés.
Les données cinématiques et EMG peuvent être utilisés dans un certain nombre de façons. Qualitativement, il fournit une confirmation utile que le participant achevait une tâche selon les instructions. Particulièrement dans les cas où les mouvements ne sont pas comme prévu, en raison de la baisse d'attention ou de la présence d'un trouble du mouvement, ces signaux peuvent être très utiles que les méthodes quantitatives de retirer des blocs de données, ou comme variables explicatives dans un modèle linéaire général (GLM) analyse des les données, comme le montre Hervey et al. 18. Déterminer les coordonnées de fNIRS optodes et repères anatomiques est nécessaire pour co-enregistrement à l'IRM structurelle individuelle d'un participant. Co-enregistrement d'emplacements de Optode représente une étape importante pour accroître la fiabilité et la pertinence de neuro-anatomique des résultats de fNIRS, surtout dans les populations ayant des lésions cérébrales. Enfin, on pourrait envisager d'ajoutersuivi de mouvement de câble comme une étape supplémentaire pour tenir compte des artefacts de mouvement dans les données enregistrées.
Lésions cérébrales infantiles apparition comme la paralysie cérébrale sont connus pour causer un certain nombre de symptômes périphériques comme la spasticité, la faiblesse musculaire, et réduit le contrôle moteur sélective 19. Techniques d'imagerie électrophysiologiques ou du cerveau passives telles que la stimulation magnétique transcrânienne 20,21 et 22,23 imagerie du tenseur de diffusion ont montré des altérations de l'organisation corticale. IRMf a été utile dans la détection de différences dans l'activation en petits mouvements isolés 24-26, mais le suivi des performances de la tâche peut être un défi dans l'environnement IRM, et même petit mouvement de la tête peuvent causer de grands artefacts. Dans cette population en particulier, complémentaire ou concurrente utilisation de méthodes de neuroimagerie telles que fNIRS ou électroencéphalographie (EEG) présente une occasion d'acquérir une meilleure compréhension sur la source sous-jacentedes problèmes de circulation, et un outil supplémentaire pour suivre les progrès liés aux interventions de moteur.
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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
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