Abstract
ישנם מספר יתרונות שספקטרוסקופיה הפונקציונלית קרוב אינפרא אדום (fNIRS) מציגה במחקרה של הבקרה העצבית של תנועה אנושית. זה הוא יחסית גמיש ביחס למיצוב משתתף ומאפשר לכמה תנועות ראש במהלך משימות. בנוסף, הוא זול, קל משקל, ונייד, עם מעט מאוד התוויות נגד לשימוש בו. זה מהווה הזדמנות ייחודית ללמוד את פעילות מוח תפקודית במטלות מוטוריות באנשים שבדרך כלל מתפתחים, כמו גם אלה עם הפרעות תנועה, כגון שיתוק מוחין. תמורה נוספת כאשר לומדים הפרעות תנועה, עם זאת, היא באיכות של תנועות בפועל בוצעו ואת הפוטנציאל לתנועות נוספות, בלתי צפויות. לכן, ניטור בו-זמני של שני זרימת דם השינויים במוח ובתנועות ממשיות של הגוף במהלך הבדיקה דרוש לפרשנות ראויה של תוצאות fNIRS. כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשילוב של fNIRS עםשריר וניטור kinematic במהלך משימות מוטוריות. אנו חוקרים הליכה, תנועה חד-צדדית רב משותפת (רכיבה על אופניים), ושתי תנועות החד-צדדיות חד-משותפות (dorsiflexion מבודד את הקרסול, ויד סחיטה מבודדת). הטכניקות שהוצגו יכולות להיות שימושיות בלימוד שתי שליטה טיפוסית ולא טיפוסית המוטורית, ויכולות להיות שונה כדי לחקור מגוון רחב של משימות ושאלות מדעיות.
Introduction
הדמיה עצבית במהלך משימות פונקציונליות הפכה להיות יותר ניידת וחסכונית באמצעות ספקטרוסקופיה לא פולשנית הפונקציונלית הקרובה אינפרא אדום (fNIRS) כדי לזהות אזורים של פעילות המוח על ידי מדידת זרימת דם דינמיקה בקליפת המוח. הניידות של fNIRS שימושית במיוחד במחקר של משימות זקופות ופונקציונליות כגון הליכת 1, דבר שאינה אפשרי עם טכנולוגיות אחרות, כגון הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI). יכולת זו היא קריטית בתחומי הנוירולוגיה ומדעי המוח, ויכולה לספק תובנות חדשות על מנגנוני הפרעות תנועה בילדים ומבוגרים עם שיתוק המוחין (CP) ותנאי נוירולוגיות אחרים המשפיעים על שליטה מוטורית. הבנת מנגנונים משפרת את היכולת לתכנן התערבויות יעילות למקד את מקור ליקויים ומגבלות פעילות.
מחקרי fNIRS רב של מטלות מוטוריות עד כה היו עם אוכלוסייה בריאה של מבוגרים שבו חלקicipants מונחים לבצע משימה מסוימת וניטור של ביצועי משימה מוגבל לבדיקה ויזואלית. זה יכול להיות מספיק עבור אלה עם תנועות אופייניות ורמה גבוהה של מעורבות, אבל לא מקובל כאשר לומדים משתתפים עם הפרעות תנועה או מי שיש להם קושי במחנה למשימה לתקופות זמן ארוך, כוללים ילדים בדרך כלל מתפתחים. על מנת ליידע את הניתוח של הפעלת המוח במקרים אלה, נדרש ניטור בו-זמני של הדפוס המוטורי שהושלם למעשה.
סקירות מקיפות במערכות fNIRS ושימושים הוצגו בספרות 2-5 המנחה את השימוש ולעזור כדי להדגים את הדיוק ורגישות של מערכות אלה, אבל בעיות טכניות באיסוף, העיבוד ופרשנות של fNIRS נתונים עדיין יישארו. צבע ועובי השיער משפיעים על איכות של האות האופטי, עם שיער עבה כהה סיכוי הטוב ביותר כדי לחסום או לעוות transmi האופטיssion 3,6. זה רלוונטי במיוחד כאשר בוחן את האזורים הסנסורית ממוקמים באזור הכתר של הראש שבי צפיפות זקיקי שיער היא הגדולה ביותר, וחלק מהמחקרים דיווחו שלא הגיב 6,7. המערכת המבוססת היטב 10/20 הבינלאומי יכולה לשמש עבור מיקום של optodes, אבל במיוחד במקרה של אלה עם אנטומיית מוח לא טיפוסית, שיתוף רישום של מיקום optode לMRI האנטומי של משתתף היא מאוד שימושי אם לא חיוני לפרש בצורה מדויקת תוצאות.
השימוש בfNIRS להעריך הפעלת מוח בפגיעה מוחית ילדות הופעה הוא חדש יחסית, אך צובר תאוצה בתחום 6,8,9 שיתוק מוחין החד-צדדיים. בתמורה לאתגרים הנ"ל, פרוטוקול זה משלב fNIRS, לכידת תנועה, וניטור electromyographic (EMG) במספר המשימות, כוללים משימות חד-משותפות פשוטות, כמו גם תנועות גוף מלא מורכבות יותר. הדרכה חזותית ושמיעתית היאed כדי לשפר את תשומת לב ומשימת ביצועים על פני גילים מרובים משתתפים. המטרה של הפרוטוקול היא לזהות הבדלים בדפוסי פעילות מוח בחולים עם פגיעה מוחית ילדות הופעה חד-צדדית ודו-צדדית בהשוואה לאלו שבדרך כלל מתפתחים. אנו חוקרים תנועת גוף מלאה (הליכה), תנועה הדו-צדדית בגפיים התחתונים רב משותפת (רכיבה על אופניים), ושתי תנועות חד-חד-צדדיות משותפות (dorsiflexion קרסול מבודד, ויד סחיטה מבודדת) כדי להמחיש את מגוון רחב של יישומים של השיטות. יכולים לשמש זהה או פרוטוקול דומה מאוד ללמוד הפרעות חושיות או תנועה אחרות או משימות אחרות של עניין.
גל מתמשך ליד אור אינפרא אדום היה נפלטת וזוהה ב690 nm 830 ננומטר ומעל הקורטקס הסנסורי-המוטורי באמצעות מערכת fNIRS בשיעור של 50 הרץ, שימוש בתצורת מקור-גלאי מעוצב בהתאמה אישית. הנתונים נאספו באופן אלחוטי EMG בתדר של 1000 הרץ. מקומות 3-D סמן רעיוני היושנאסף על ידי מערכת לכידת תנועה אופטית בקצב של 100 הרץ. שני מחשבים שונים טיפלו רכישת נתונים, אחד לfNIRS ואחר ללכידת התנועה וEMG. הנתונים שסונכרנו באמצעות דופק הדק ממחשב שלישי שמתאים ללחצו על לחצן עכבר כדי להתחיל את האנימציה הוראה לכל משימה. לכל המשימות חוץ מהליכה, אנימציות הוראה נועדו לתקנן ביצועי משתתף באמצעות הדרכה חזותית של קצב משימה (1 הרץ), המיוצגים על ידי קפיצת קריקטורה בעלי חיים או בעיטות, כמו גם אות שמיעתית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: פרוטוקול זה אושר על ידי דירקטוריון הסקירה המוסדית של המכונים הלאומי לבריאות (מזהה ClinicalTrials.gov: NCT01829724). הם ניתנים לכל משתתפי ההזדמנות לשאול שאלות ולתת הסכמה מדעת לפני השתתפותם. בתמורה לשינויים בתגובה המודינמית שנגרמה על ידי השימוש האחרון של מרחיבי כלי דם וvasoconstrictors, משתתפים מתבקשים להימנע מאלכוהול וקפאין למשך 24 שעות לפני הניסוי 3 סרטוני האנימציה .These נעשו מותאמים אישית במעבדה שלנו, אבל יכולים להיות מוקלט עם אחרים נשמע או תמונות ספציפיות לשאלות מחקר חלופיות.
1. הגדר את החדר לפני הגעתו של המשתתף.
- כייל את תנועת מצלמות ללכוד ביחס לקואורדינטות של מעבדה בהתאם לתהליך הספציפי של יצרן לכידת התנועה. ודא שמיקומי מצלמה יאפשר הקלטה של כל הסמנים בשני הגוףוראשו של המשתתף במשימות שתיבחנה. תהליך הכיול מבטיח דיוק של מערכת לכידת התנועה ומקובל לכל מעבדה תנועה. השתמש במערכת עשר מצלמה, עם נפח של כ 17 מ '3 שבו סמנים רעיוני יכולים להיות מזוהים באופן מהימן.
- חבר את ההדק ממחשב ההוראה לתשומות BNC 'מחשבי לכידת התנועה וfNIRS. ודא שההדק מחובר ללחצן עכבר, ולחיצה על העכבר משלים את המעגל ושולח דופק בו-זמנית ללכידת תנועה / לוח רכישת נתונים EMG ולרכישת נתונים fNIRS הלוח כauxillary כניסות אנלוגיות.
- חבר העכבר הזה דרך יציאת ה- USB למחשב שפועלים בסרטוני אנימציה הוראה, כך שהחל מהווידאו יגרום לשינוי מתח בו זמנית בשני מערכות האיסוף וניתוח הנתונים.
הערה: אותות EMG באופן אוטומטי synched ונשמרו על ידי התוכנה ללכידה תנועה, כך additsynching ional של מערכת EMG אינו נחוץ. - להגדיר את המסך ומקרן להוראות שיוצג למשתתף. הסר את כל פריטים מיותרים שיכול להיות distracters. הנח את החצובה והמצלמה וידאו דיגיטלית שבו תהיה להם תצוגה מלאה של תנועותיו של המשתתף.
- ודא שסמני מהורהר מחוברים היטב לחלק העליון של כל optode בבדיקה.
- להרכיב את כל המסמכים הדרושים: עותקי הסכמה והסכמה, גיליונות בדיקה קליניים, וגיליונות הערה ניסיוניים, למשל.
2. אמצעים בסיסיים
- לאחר שסיים את תהליך ההסכמה מהדעת, למדוד והגובה, המשקל, גיל, והיקף הראש של משתתף השיא.
- לנהל אדינבורו Handedness מלאי 10 ובדיקות קליניות אחרות כפי שצוין. שיא משתתף דיווח סוגי שיער ועור.
- הנח סמנים רעיוני על קוצי הכסל מעולים האחוריים (PSIS) דו-צדדי. יש לי ההליכה המשתתף בקצב הנוח שלהם על פני המעבדה 3 - 5 פעמים, וממוצע המהירות על פני ניסויים להעריך קצב ההליכה נבחר העצמי שלהם.
3. קרוב פונקציונלי אינפרא אדום ספקטרוסקופיה Setup (fNIRS)
הערה: זה יכול להסתיים בו זמנית עם ההתקנה של לכידת EMG ותנועה, אם יש מספיק נסיינים או צוות המחקר כדי לסייע, ואם המשתתף מרגיש בנוח עם כמה אנשים שקרובים אליהם באותו הזמן.
- מדוד את המרחק בין nasion (NZ) והזיז (איז), ובין נקודות קדם-תנוכים בצד הימין (Ar) והאוזניים שמאלה (אל). הצומת של נקודת האמצע של שני אמצעים אלה היא Cz, אשר מסומן על הקרקפת באמצעות סמן רחיץ.
- אם המשתתף יש שיער ארוך, חלק ממנות קטנות של השיער באמצעות צמות או קוקיות במטרה לחשוף את הקרקפת שבי optodes תוצב.
- הנח את fNIRS לחקור על tהוא ראשו של המשתתף, מקפיד ליישר עם Cz, Ar. לאחר מכן להעביר את השיער מתחת כל optode כפי שהוא הניח אותו על הקרקפת. לבסוף, לצרף רצועות ולקרו להחזיק היטב optodes במקום.
הערה: בפרוטוקול זה, להשתמש בכובע שיש לו רצועה אחת שהולכת מאחורי הראש, אחד שהולך לרוחב המצח, ואחד שהולך מתחת לסנטר. Optodes מעוגן לכובע הזה עם סקוטש בטבעת פלסטיק גמיש המקיפה את האוזן.- אם המשתתף יש שיער קצר (באורך של פחות מכ 2 סנטימטר), לשלוף את השיער בין optodes עם מקל קטן דק או בסוף הפלסטיק של מסרק.
- ודא שכל כבלי optode משקרים שטוחים, וכי optodes כ הניצב לפני השטח של עור הקרקפת.
- במידת צורך, הנח פיסת הקצף דקה תחת הקבוצה של כבלי optode לקדם יישור ניצב של optodes.
- בדוק עם המשתתף על נוחות של הבדיקות, ולהתאים במידת הצורך. להורות להם לספר את הנסיינים אם הנוחות שלהם פוחתת בכל נקודה במהלך הניסוי.
- הפעל מקורות ולבדוק את האותות.
- במערכת זו, להבטיח אות שיש עוצמה של לפחות 80 dB ודופק נראה בבירור בdeltaOD (השינוי בצפיפות אופטית) אות, בשני אורכי גל 690 nm ו830. כאשר יש לי ערוצים אותות שאינם עומדים בקריטריונים אלה, לאשר שיער שאינו חוסם את optode (ים) ולאחר מכן להתאים רווחי גלאים בהתאם לצורך למקסם את עוצמת האות. ודא שמצלמות ללכוד תנועה כבויות בתקופה זו.
הערה: מכונות fNIRS אחר עשויים לפעול באורכי גל שונים ול690 830 nm; במקרה זה, לבדוק את אורכי הגל המתאימים ביותר למכונה בשימוש.
- במערכת זו, להבטיח אות שיש עוצמה של לפחות 80 dB ודופק נראה בבירור בdeltaOD (השינוי בצפיפות אופטית) אות, בשני אורכי גל 690 nm ו830. כאשר יש לי ערוצים אותות שאינם עומדים בקריטריונים אלה, לאשר שיער שאינו חוסם את optode (ים) ולאחר מכן להתאים רווחי גלאים בהתאם לצורך למקסם את עוצמת האות. ודא שמצלמות ללכוד תנועה כבויות בתקופה זו.
- הוספת סמנים רעיוני לניו זילנד, איז, Ar, ואל. שאל את המשתתף לעמוד בשקט ולאסוף כ 2 שניות של נתונים ללכוד תנועה לאלה וסמני optode fNIRS. ודא שכל הסמנים נרשמו, ולאסוף ניסויים נוספים במידת צורך. זה עשוי לדרוש המשתתף לשנות את עמדת הראש כדי לשפר את קו הראיה בין המצלמות והסמנים. השתמש בשלושת מקומות ממדיים שנאספו אלה במהלך ניתוח לרישום הסתברותי של MRI המבני הבודד של משתתף אם הוא זמין.
- הוספת כריכה עם כמה שכבות של לבד שחורים או חומר סופג אחר אופטי על גבי optodes fNIRS להגן גלאים מהפרעות או רוויה מהמצלמות ללכוד תנועה. ודא שהכבלים והפנל קדמי של מכשיר fNIRS גם כן מוגנים באמצעות אותו החומר אופטי הסופג.
Electromyography Setup 4. Surface (EMG)
- אתר את שריר הבטן של כל שריר ממוקד באמצעות ציוני דרך אנטומי, מישוש במהלך התכווצות שרירים, ומיקום האלקטרודה מנחה 11.
הערה: השרירים ממוקדים בפרוטוקול זה כוללים bilהגסטרוקנמיוס המדיאלי ateral, tibialis קדמי, femoris rectus, lateralis vastus, femoris שרירי, radialis קארפי פושטי, וradialis קארפי המכופף. - היכונו למיקום האלקטרודה EMG על בטן השריר על ידי גילוח, הסרת תאי עור מתים עם קלטת, ולאחר מכן לנקות עם כרית אלכוהול איזופרופיל, כפי שהומלץ על ידי 12 SENIAM ולחכות לעור יבש.
- מניחים אלקטרודה EMG המכוונת לכיוון של סיבי השריר.
- לעטוף בנוחות עם לעטוף חסיד עצמי.
- בדקו אותות שריר במחשב בעת ביצוע בדיקות שרירים ידניים על מנת להבטיח מיקום נכון אלקטרודה, ויזואליזציה ברורה של שינוי אות כאשר השריר הוא פעיל.
הגדרת לכידת 5. Motion
- הנח סמנים רעיוני בציוני דרך משותפות. אלה כוללים המדיאלי וmalleolus לרוחב, המדיאלי ומפרק הברך לרוחב, קדמיים עמוד השדרה מעולה הכסל (ASIS), עמוד השדרה הכסל מעולה אחורי (PSIS), styloid רדיאלי, syloid גמדי, Mediepicondyl אל humeral, וepicondyl humeral לרוחב.
- מניחים 3 או יותר סמנים, או אשכול גוף נוקשה של סמנים, על כל קטע של עניין, כולל הרגל, שוק, ירך, יד, והזרוע.
- לאסוף כ 2 שניות של נתונים ללכוד תנועה בזמן המשתתף עומד עדיין במצב סטנדרטי, כגון עמידה בזרועות בכיפוף 90 מעלות כתף ומרפק 90 מעלות כיפוף. ודא שכל הסמנים גלויים לעין למצלמות.
6. הליכה משימה
- יש לי העברת המשתתף להליכון. לסייע להם על ידי תמיכה בכבלי optode fNIRS ולאחר מכן לאבטח את הכבלים לתמיכת התקרה לאחר שהמטופל נמצא במצב. אם החולה נמצא בסיכון גבוה לנפילות, להשתמש לרתום תמיכת משקל גוף לבטיחות במשימה זו.
- התחל הליכון, בנייה לאט למהירות הליכה נבחר עצמית שנמדדה כדי לקבל את המשתתף בנוח עם התנאים מוגדרים. אז איטי עד לעצירהשוב.
- הגדר את קובץ האנימציה עם המשוב השמיעתי שרמיזת המשתתף או לנוח או לזוז. הוראות משימת סקירה עם המשתתף, ואמר להם להישאר שקט ורגוע ככל האפשר בתקופות "לנוח" וללכת במהירות הסט של הליכון בתקופת "המשימה", תוך התמקדות תשומת לבם לעיגול השחור הקטן על המסך ל משך רכישת נתונים.
- לעמעם את האורות, ולהתחיל רכישת נתונים במחשב לכידת תנועה ומחשב fNIRS. להתחיל בהקלטה במצלמת הווידאו.
- באמצעות הדק העכבר, ללחוץ על כפתור ההפעלה בקובץ האנימציה הקשורים למשימה זו. ודא שעל ההדק התקבל על ידי שתי לכידת התנועה ומערכות NIRS.
- לעבור לתמונה של נקודה שחורה הממוקמת בקו של המשתתף מן העין, כך שיש להם נקודת מיקוד למשך המשפט.
הערה: סכמטי הסקירה עבור כלניסוי שמוצג באיור 2.
- לעבור לתמונה של נקודה שחורה הממוקמת בקו של המשתתף מן העין, כך שיש להם נקודת מיקוד למשך המשפט.
- לפקח על ביצועים של משתתף ולספק משוב על מהירות, או תנועות רצוניות זרות בהתאם לצורך.
- בסופו של האנימציה ההדרכה, לעצור את ההקלטה על לכידת התנועה, EMG, ומערכות fNIRS, כמו גם מצלמת הווידאו. תן משתתף הזדמנות לנוח או להעביר עמדות בהתאם לצורך.
7. דו-צדדיים תחתון גפי רכיבה על אופניים המשימות
- יש לי מעבר המשתתף למסד עם גב מטלטלין ותמיכת רגל, מקפיד לתמוך בכבלי optode fNIRS ולא להיתקל או לעקור את סמני לכידת תנועה או אלקטרודות EMG. יש כרית מושב קצף כדי לשפר את הנוחות במהלך הניסוי.
- הרם את מסגרת המחזור למקום ולאבטח אותו למסד עם רצועה.
- אבטח את הרגליים לדוושות ולהתאים את המיקום של המחזור כנדרש כדי לקדם את מרחק נוח וטבעי לדוושות. בהנקודה הרחוקה ביותר במחזור, לשמור על הברך בכ 10 מעלות של כיפוף.
הערה: בשלב זה, המשתתף יהיה בתנוחה שכיבה למחצה, המספקת תמיכה מסוימת תא מטען ומאפשרת הרפיה במהלך תקופת המנוחה. - הוראות משימת סקירה עם המשתתף, ואמרו להם להישאר שקט ורגועים ככל האפשר בתקופות "לנוח" ולמחזור בכ -60 סל"ד במהלך התקופה "המשימה".
- חזור על שלבים 6.4-6.7. במקום לעבור לתמונה של נקודה, פרויקט האנימציה המצוירת שרמיזת המשתתף או לנוח או להעביר באמצעות משוב חזותי ושמיעתי. להגדיל את חלון הסרט, כך שהמשתתף אינו מסוגל לעקוב אחר הזמן שחלף, או שנותר, במשפט הנוכחי.
8. יד לוחץ משימה
- לאחר הסרת מטר מהמחזור והמחזור עצמו, למקם את שולחן מיטה מול המשתתף, המציאg בטוח שזרועותיו של המשתתף נתמכות על השולחן בתנוחה נוחה.
- להורות משתתף להקפיץ את אובייקט רך בערך אחת לשנייה (Hz 1) בתקופת "המשימה", ולהישאר רגועים ככל האפשר בתקופות "מנוחה".
- חזור על שלב 7.5.
9. קרסול dorsiflexion משימה
- הסר את שולחן המיטה, ולהעלות את החלק שאר רגל של המסד עד להביא את הרגליים לדעתו של המשתתף.
- הסר את הנעל של המשתתף וגרב, ולהחליף את סמני רגל בתפקידים מתאימים. תמיכה העגל בדיוק מעל מפרק הקרסול שלהם עם משטח קצף כדי לאפשר תנועת מפרק קרסול.
- הדריכו את המשתתף לdorsiflex הקרסול שלהם בערך אחת לשנייה (Hz 1) בתקופת "המשימה", ולהישאר רגועים ככל האפשר בתקופות "מנוחה".
- חזור על שלב 7.5.
10. מסקנה של Protocol
- הסר את המכסה ולבדוק את עור באזורים של לחץ או אדמומיות.
- הסר את כל הסמנים רעיוני ויחידות EMG.
- תודה המשתתף עבור הזמן שלהם ומזמינים אותם הקלט על החוויה הסובייקטיבית של הפרוטוקול. זה יכול להיות שאלון רשמי (כפי שגארווי ועמיתים לגירוי מגנטי transcranial 13), או דיון בלתי פורמלי לזהות מקורות נפוצים של אי נוחות שיכולה להיות שיפור בעתיד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
פרוטוקול זה מרכז את הרכישה במקביל של 3 שיטות כדי ללכוד זרימת דם במוח, פעילות שרירים חשמלית, ותנועה של מפרקי kinematic בעוד משתתף מבצע מטלות מוטוריות (איור 1).
מיקום איור 1. בדיקה. החלק השמאלי של נתון זה מראה את המיקום המשוער של האזורים החושיים (באזורים הכחולים, Brodmann 1,2,3), האזור המוטורי העיקרי (בירוק, אזור Brodmann 4), ובאזור הקדם-המוטורי (בכתום, אזור Brodmann 6). החלק הימני של נתון זה נוצר באמצעות AtlasViewerGUI (זמין להורדה קוד פתוחה מאופטיקה MGH 15 החטיבה) והפונקציות הקשורות בה. בקיצור, עיצוב בדיקה זו נרשם על פני השטח של אטלס Colin47 באמצעות הסידור המרחבי של המקורות, גלאים, וanatoציוני דרך יכל (מקורות מיוצגים על ידי חוגים וגלאים ידי עיגולים כחולים אדומים). מודל קדימה הגירת פוטון מונטה קרלו היה לרוץ לשיגור 1 x 10 8 פוטונים של אור דרך החומרים של העור, גולגולת, והמוח, עם פרופילי רגישות לכל זוגות המקור-גלאם מוקרנים על פני השטח של קליפת המוח ואת כל מוצג בו-זמנית בנתון זה. מפת הצבע על פני השטח של המוח מייצגת את רגישות קליפת המוח של החללית; במילים אחרות מספר הפוטונים מדומים שיגיעו gyri וsulci הממוקם מתחת למקורות והגלאים (צבעים חמים יותר מצביעים יותר פוטונים מאשר צבעים קרירים, עם טווח של 2 סדרי הגודל ביומן 10 בקנה מידה).
מציג דוגמא של הסדר המקור-גלאי שימוש בפרוטוקול זה, ואיך זה קשור למבני neuroanatomical הבסיסיים על אטלס מוח. איור 2 מתארים את עיצוב בלוק שימוש בפרוטוקול זה, כמו גם צילומי מסךשל סרטוני ההדרכה. משימות מבוצעות בעיצוב בלוק, עם שמונה בלוקים משימה 15 שניות וביניהם תקופות מנוחת אורך האקראי של 20 - 30 שניות. חיות מצוירות נבחרו במיוחד כדי להיות אדם שאינו כמו כדי לא לעסוק במערכת נוירון מראה 11, ורמזי אודיו הוכחו כדי לשפר את ביצועי משימה בניסויי עיצוב בלוק אחרים 10. הייתה משימת ההליכה רק אות שמיעתית, ומשתתפים התבקשו להתמקד בעיגול שחור קטן שהוקרן על מסך מולם.
איור 2. סכמטי של כל ניסוי. איסוף נתונים לכל סוג משימה נמשך כ -6 דקות. יש תקופות של מנוחה משתנה (הנעה בין 20 ל 30 שניות בזמן), עם 15 בלוקים שניות של פעילות (הליכה, רכיבה על אופניים, dorsiflexion, או סחיטה). הדרכה סרטוני וידאו נוצרועם רמזים חזותיים ושמיעתיים למשתתף לנוח או לזוז. תמונות הפינגווין נלקחות מאחד מסרטוני ההדרכה הראו למטופל. הוא נשאר על הקרקע במהלך תקופות מנוחה, וקופץ באוויר הזמן 1 לשנייה בתקופות המשימה. יש גם מוסיקה שנקבעה לכל מצב, משחק מנגינה מרגיע בזמן מנוחה והרמוניה עם קצב פעימות לדקה 60 חזק בלוקי המשימה.
איור 3 הוא דוגמא לאותות האופטיים שנרשמו במהלך ביצוע משימה. הנתונים נשמרים באופן אוטומטי לקובץ עם סיומת .nirs * ולאחר מכן הועברו ממחשב נתונים הרכישה לעיבוד נוסף. איור 4 מראה דוגמא של מודל השלד המשוחזר, יחד עם זווית משותפת ואמצעי EMG למשימת dorsiflexion קרסול. מודל השלד ומפרקי זוויות נוצרים ומחושבים באמצעות חבילות תוכנת Nexus וVisual3D. נתונים אלה, כמו גם את EMG לא עבר עיבוד, ושיתוףuld מכיל ממצא תנועה או רעש אחר שיכולים להפיק תועלת מטכניקות סינון.
יש מגוון רחב של טכניקות ניתוח וחבילות תוכנה זמינות לפרש את הנתונים שנאספו. דוגמא אחת היא השלימה שחזור תמונת fNIRS באמצעות חבילת תוכנת קוד פתוחה בשם 14 הומר. דוגמא של המפה שנוצרה מוצגת באיור 5 כדי להדגים את סוג מידע הפעלה שיכול להתפרש מאותות הצפיפות האופטיים שנאספו.
דוגמא איור 3. הקלטות צפיפות אופטיות. צילום מסך זה הוא מהתוכנה רכישת נתונים של סוג אחד של fNIRS מכונה. הוא כולל מידע על fNIRS לחקור הסדר (ימני עליון), יכולת להפוך מקורות לייזר בודדים לסירוגין (למטה משמאל), וOPTIOns לשינוי הרווח של כל dectector (באמצע למטה). בחלון נתונים להדמיה (למעלה משמאל), הקו הוורוד האנכי מייצג את תחילתו של בלוק של פעילות. צבעים של העקבות מתאימות לצבעים של הערוצים מוצגים בהסדר הבדיקה בצד הימין. שים לב כי כל האותות הם מעל 80 dB, וקצב הלב הוא ברור לעין, אפילו באות עוצמת האור.
שחזור איור 4. דוגמא שלד, מפרקים וזוויות EMG למשימה dorsiflexion שמאל. תקופת המשימה בתקופה המיוצגת מתחילים בכ -4.5 שניות, וממשיך עד 19.5 שניות. באדם זה בדרך כלל מתפתח (בן 13), שיש תנועה מוגבלת מאוד במפרקים אחרים מאשר קרסול השמאל הממוקד. בנוסף, שרירים אחרים מזו שמספקת את התנועה (tibialis anterior)מחדש, בדרך כלל שקט במהלך המשימה, כמו גם תקופות מנוחה. קדמי = tibialis ת"א; MG = הגסטרוקנמיוס המדיאלי; femoris RF = rectus; VL = lateralis vastus; MH = hamstrings המדיאלי.
איור 5. דוגמא של מפת הפעלת fNIRS במהלך משימה לוחצת ידיים נכונה. הקופסה הכחולה בחלק העליון של המוח מתאר את האזור המשוער שנדגמו על ידי עיצוב בדיקה זו (ראה גם איור 1). משתתף זה היה בן 13, והיה לו היקף ראש של 56 סנטימטרים). החלק הימני של איור מציג את תגובת המוגלובין מחומצן (HBO) הממוצעת בתקופה של 5 - 10 שניות הבאות תחילת תנועה של אחד מתבגר בדרך כלל מתפתח לסחוט כדור עם יד הימין שלהם. הנתונים בנתון זה נוצרים מ -14 הומר, ולאחר מכן הוערכו באמצעות מודל ליניארי כללי. הצבע הכחולים לא מייצג אף הפעלה, ואילו אזורי האינדיקציה אזורים האדומים של HBO עלה במהלך תקופות המשימה. זוהי שיטה של ניתוח והדמיה אחד שחוקרים להשתמש בו כדי לזהות אזורים של שינויים גדולים יותר בזרימת דם מחומצן ו / או deoxygenated.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אוסף בו זמנית של פעילות המוח באזורים ממוקדים של קליפת המוח ונתונים כמותיים על איך אדם נע פוטנציאל אדיר מתנות לשיפור ההבנה של השליטה העצבית של תנועה שלנו, הן באוכלוסייה בדרך כלל מתפתחת, כמו גם אלה עם הפרעות תנועה. יש גם יישום רחב במונחים של גילים ומשימות תנועה שניתן היה להשלים, כמשתתפים אינם מוגבלים למצב שכיבה כפי שהם יהיו עבור MRI תפקודי. פריטי ציוד מסוימים אינם מוגבלים לאלה שהוצעו ברשימת החומרים - יש כמה מערכות לכידת תנועה ותנועת כימות, מערכות EMG, ומערכות fNIRS זמינות בשוק, והם יכולים לשמש במקום של אלה שהציעו כאן. בנוסף, אם מערכת לכידת תנועה שנבחרה אין כמויות מספיקות של מדידה למקם סמנים בשני טכנולוגיות הראש או אי-אופטי הגוף ומשמשת, מעקב עמדה 3-Dעט ניתן להשתמש במקום לאתר optodes ביחס לציוני דרך אנטומיים במערכת קואורדינטות משותפת. לבסוף, אם זה אפשרי כדי לאסוף נתונים בנוסף פיסיולוגיים כגון קצב לב ולחץ דם, המידע הזה יהיה שימושי כדי ליידע את ניתוח סדרת זמן HBO וHBR של.
כל הפרוטוקול יכול להסתיים בכ 2 שעות, עם כמעט חצי מזה הזמן המוקדש להתקנה. למשתתפי גברים עם שיער קצר, זמן ההתקנה עשוי להיות פחות כי יש צורך בפחות זמן כדי להכין את השיער. זה חשוב לחוקרים לגייס ללא משוא פנים מכל העדות וסוגי שיער, ולדווח אם יש אנשים שבו לא ניתן היה להשיג אותות שימושיים 3. בהתאם לגיל ותשומת לב פרק הזמן של האדם נבדק, משימות נוספות או בלוקים נוספים של איסוף הנתונים ניתן להוסיף בקלות. חשוב לציין, עם זאת, יש מספר מגבלות של טכנולוגית fNIRS במצבו הנוכחי. למרות גהכנה וטיפול areful כדי להפחית הפרעות שיער, ייתכן שיש כמה משתתפים שבו תוכן המלנין בשיער ובעור שלהם מונע אוסף של אותות בעוצמה מתאימה. אפילו בקרב בעלי העצמה מספקת, יהיו שונות בבהירות של התגובה המודינמית נצפתה. נושאים אלה צריכים להיות עסקו בבמהלך ניתוח הנתונים, עם דיווח ברור של איך שלא הגיב זוהו וגילוי של מספר המשתתפים נבדקו שנתונים לא יכול לשמש 2-5.
פרוטוקול מסוים זה יכול להיות מותאם במספר הדרכים ליישום לשאלות מחקר ספציפיים. האורינטציה של המקורות וגלאים יש אינסוף אפשרויות במונחי מקומות והסדרים, המספקים את הגמישות לדגום אזורים אחרים בקליפת המוח של, ליצור בדיקה צפופה עם חפיפה ערוץ נוספת על מנת להקל על רזולוציה גבוהה יותר, או הסדר דליל יותר ל לכסות שטחים גדולים יותר שלמשטח קליפת המוח. הרזולוציה מרחבית הכוללת של fNIRS עדיין נמוכה בהשוואה לfMRI, אך מגבלה זו עשויה להיות עולה על היכולת להשתמש בfNIRS בסביבה פחות מוגבלת ליישומי מחקר רבים, במיוחד כאשר לומדים משימות תנועה. יתר על כן, כל מספר של מנוע, או משימות חושיות, דימויים יכול להיות משולב יתכן לעיצוב הבלוק הוצג כוללים יותר רצפים מורכבים או תנועות משותפות אחת פשוטות אחרות. בתמורה למשימות גפיים התחתונות, לעומת זאת, מחשבה יש לתת למיקומו של ייצוג הגפיים התחתון דיסטלי על ננס המנוע כפי שהוא לא יכול להיות אפשרי לקבל את זה עמוק בגישה מבוססת משטח כגון fNIRS. בנוסף, ישנם מחקרים שמשתמשים גם בפרדיגמה הקשור לאירוע 16,17, אשר יכול בקלות להיות משולבת על ידי שינוי האנימציות והוראות למשתתפים. פרדיגמות אלה דורשים מספר גדול יותר של בלוקים תנועה, אבל הם יכולים להסתיים עם פחות מנוחה בין יםo הכוללת זמן רכישת נתונים לא שונה באופן משמעותי מפרדיגמות הבלוק הציגו.
נתונים Kinematic וEMG ניתן להשתמש במספר הדרכים. איכותי, שהיא מספקת אישור שימושי שהמשתתף שסיים את משימה כפי שהורה. במיוחד במקרים בהם תנועות לא כצפוי, בשל תשומת לב ירד או הנוכחות של הפרעת תנועה, אותות אלה יכולים להיות מאוד יקרים כמו שיטות כמותיות של הסרת בלוקים של נתונים, או כregressors במודל ליניארי כללי ניתוח (GLM) של הנתונים, כפי שמוצג על ידי et al Hervey. 18. קביעת קואורדינטות של optodes fNIRS וציוני דרך אנטומי היא הכרחית לשיתוף רישום לMRI המבני הבודד של משתתף. שיתוף רישום של מקומות optode מייצג צעד חשוב בהגברת האמינות ואת הרלוונטיות של נוירו-אנטומי של ממצאי fNIRS, במיוחד באוכלוסיות עם פגיעות במוח. לבסוף, אפשר לשקול הוספהמעקב של תנועת כבל כצעד נוסף כדי להסביר את ממצאי תנועה בתוך הנתונים שנרשמו.
פגיעות מוח ילדות הופעה כגון שיתוק מוחין ידועות כגורמות למספר סימפטומים ההיקפיים כגון ספסטיות, חולשת שרירים, והפחיתו את השליטה מוטורית סלקטיבית 19. טכניקות הדמיה פסיביות אלקטרו או מוח כגון גירוי מגנטי transcranial 20,21 והדמיה מותח דיפוזי 22,23 הראו שינויים בארגון בקליפת המוח. fMRI היה שימושי בזיהוי הבדלים בהפעלה בתנועות קטנות ומבודדות 24-26, אבל ניטור ביצועי משימה יכול להיות אתגר בסביבת MRI, ואפילו תנועה קטנה של הראש יכול לגרום לחפצים גדולים. באוכלוסייה זו בשימוש מסוים, משלימים או במקביל של שיטות הדמייה כגון fNIRS או electroencephalography (EEG) מציגה הזדמנות להשיג הבנה טובה יותר על המקור הבסיסיבעיות תנועה, וכלי נוסף למעקב אחר התקדמות הקשורים להתערבויות מנוע.
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. Anatomic guide for the electromyographer--the limbs. , 2nd edn, Thomas. (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. , 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).
