मोटर कार्य के दौरान एक साथ विज्ञान सम्बन्धी और EMG निगरानी के साथ संवेदी और मोटर मस्तिष्क क्षेत्रों के कार्यात्मक पास इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी
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
कार्यात्मक लगभग अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (fNIRS) मानव आंदोलन के तंत्रिका नियंत्रण के अध्ययन में प्रस्तुत करता है कि कई फायदे हैं। यह प्रतिभागी स्थिति के संबंध में अपेक्षाकृत लचीला है और कार्य के दौरान कुछ सिर आंदोलनों के लिए अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, यह इसके उपयोग करने के लिए बहुत कुछ मतभेद के साथ, सस्ती, हल्के वजन, और पोर्टेबल है। यह आमतौर पर के रूप में अच्छी तरह से इस तरह के मस्तिष्क पक्षाघात के रूप में आंदोलन विकारों के साथ उन लोगों के रूप में विकसित कर रहे हैं जो व्यक्तियों में मोटर कार्यों के दौरान कार्यात्मक मस्तिष्क की गतिविधियों का अध्ययन करने के लिए एक अनूठा अवसर प्रस्तुत करता है। आंदोलन विकारों का अध्ययन करते समय एक अतिरिक्त विचार है, तथापि, प्रदर्शन वास्तविक आंदोलनों की गुणवत्ता और अतिरिक्त, अनायास ही आंदोलनों के लिए संभावित है। इसलिए, दोनों रक्त का प्रवाह मस्तिष्क में परिवर्तन और परीक्षण के दौरान शरीर की वास्तविक आंदोलनों की समवर्ती निगरानी fNIRS परिणामों की उचित व्याख्या के लिए आवश्यक है। यहाँ, हम fNIRS के संयोजन के साथ के लिए एक प्रोटोकॉल दिखानेमांसपेशियों और मोटर कार्यों के दौरान विज्ञान सम्बन्धी निगरानी। हम चाल का पता लगाने, एक एकतरफा बहु संयुक्त आंदोलन (साइकिल), और दो एकतरफा एकल संयुक्त आंदोलनों (पृथक टखने पीछे की ओर मुडना, और पृथक हाथ फैलाएंगे)। प्रस्तुत तकनीक दोनों ठेठ और atypical मोटर नियंत्रण का अध्ययन करने में उपयोगी हो सकता है, और कार्यों और वैज्ञानिक सवालों की एक व्यापक रेंज की जांच करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।
Introduction
कार्यात्मक कार्य के दौरान तंत्रिका इमेजिंग कोर्टेक्स में रक्त प्रवाह की गतिशीलता को मापने के द्वारा मस्तिष्क की गतिविधियों के क्षेत्रों की पहचान करने के लिए गैर इनवेसिव कार्यात्मक लगभग अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (fNIRS) का उपयोग कर अधिक पोर्टेबल और लागत प्रभावी हो गया है। fNIRS के पोर्टेबिलिटी ऐसे कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (fMRI) के रूप में इस तरह के अन्य प्रौद्योगिकियों के साथ संभव नहीं है जो चाल एक, के रूप में ईमानदार और कार्यात्मक कार्य के अध्ययन में विशेष रूप से उपयोगी है। यह क्षमता तंत्रिका विज्ञान और तंत्रिका विज्ञान के क्षेत्र में महत्वपूर्ण है, और सेरेब्रल पाल्सी (सीपी) और मोटर नियंत्रण को प्रभावित करने वाले अन्य स्नायविक शर्तों के साथ बच्चों और वयस्कों में आंदोलन विकारों अंतर्निहित तंत्र में नए अंतर्दृष्टि प्रदान कर सके। तंत्र को समझना impairments और गतिविधि सीमाओं के स्रोत को लक्षित करने के लिए प्रभावी हस्तक्षेप डिजाइन करने की क्षमता में सुधार।
मोटर कार्यों के कई fNIRS पढ़ाई तिथि करने के लिए वयस्कों के लिए एक स्वस्थ आबादी जहां भाग के साथ किया गया हैicipants एक निश्चित कार्य और कार्य प्रदर्शन की निगरानी दृश्य निरीक्षण के लिए सीमित है प्रदर्शन करने के निर्देश दिए हैं। यह ठेठ आंदोलनों और सगाई के एक उच्च स्तर के साथ उन लोगों के लिए पर्याप्त हो सकता है, लेकिन आंदोलन विकारों या कठिनाई आम तौर पर विकासशील बच्चों सहित समय की विस्तारित अवधि के लिए एक कार्य करने के लिए भाग लेने के लिए है, जो उन लोगों के साथ प्रतिभागियों का अध्ययन जब स्वीकार्य नहीं है सकते हैं। इन मामलों में मस्तिष्क सक्रियण के विश्लेषण के बारे में सूचित करने के लिए, वास्तव में पूरा हो गया है कि मोटर पद्धति का समवर्ती निगरानी की आवश्यकता है।
FNIRS प्रणालियों और usages के व्यापक समीक्षा साहित्य के उपयोग के लिए गाइड और डेटा अभी भी बने हुए हैं fNIRS की सटीकता और इन प्रणालियों की संवेदनशीलता, लेकिन संग्रह, प्रसंस्करण में तकनीकी मुद्दों और व्याख्या प्रदर्शित करने के लिए मदद कि 2-5 में प्रस्तुत किया गया है। रंग और बालों की मोटाई को ब्लॉक या ऑप्टिकल transmi के विकृत करने के लिए सबसे अधिक संभावना अंधेरे घने बाल के साथ, ऑप्टिकल संकेत की गुणवत्ता को प्रभावितssion 3,6। बाल कूप घनत्व सबसे बड़ा है, जहां सिर का ताज क्षेत्र पर स्थित ज्ञानेन्द्रिय क्षेत्रों का अध्ययन, और कुछ अध्ययनों गैर responders 6,7 रिपोर्ट जब यह विशेष रूप से प्रासंगिक है। अच्छी तरह से स्थापित अंतरराष्ट्रीय 10/20 प्रणाली optodes की नियुक्ति के लिए प्रयोग किया जाता है, लेकिन विशेष रूप से एक भागीदार के संरचनात्मक एमआरआई के लिए optode स्थान की असामान्य मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान, सह पंजीकरण के साथ उन लोगों के मामले में सही रूप में आवश्यक व्याख्या करने के लिए यदि नहीं, तो बहुत उपयोगी है किया जा सकता है परिणाम।
बचपन शुरुआत मस्तिष्क की चोट में मस्तिष्क सक्रियण का आकलन करने के fNIRS का उपयोग काफी हाल है, लेकिन एकतरफा सेरेब्रल पाल्सी 6,8,9 के क्षेत्र में कर्षण प्राप्त। इस aforementioned चुनौतियों के विचार में, इस प्रोटोकॉल सरल एकल संयुक्त कार्यों के साथ-साथ और अधिक जटिल पूरे शरीर गतियों सहित कार्यों के एक नंबर, के दौरान fNIRS, प्रस्ताव पर कब्जा है, और electromyographic (ईएमजी) की निगरानी को जोड़ती है। दृश्य और श्रवण मार्गदर्शन हमें हैएड प्रतिभागियों की कई उम्र भर का ध्यान और काम के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए। प्रोटोकॉल के लक्ष्य को आम तौर पर विकसित कर रहे हैं जो उन लोगों की तुलना में एकतरफा और द्विपक्षीय बचपन शुरुआत मस्तिष्क की चोट के साथ उन लोगों में मस्तिष्क सक्रियण पैटर्न में मतभेद की पहचान है। हम विधियों के आवेदनों की विविधता को वर्णन करने के लिए एक पूरा शरीर आंदोलन (चाल), एक द्विपक्षीय निचले छोर बहु संयुक्त आंदोलन (साइकिल), और दो एकतरफा एकल संयुक्त आंदोलनों (पृथक टखने पीछे की ओर मुडना, और पृथक हाथ फैलाएंगे) का पता लगाएं। एक ही है या एक बहुत ही इसी तरह के प्रोटोकॉल अन्य संवेदी या आंदोलन विकारों या हित के अन्य कार्यों का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
अवरक्त प्रकाश के पास निरंतर तरंग उत्सर्जित और एक कस्टम डिजाइन स्रोत डिटेक्टर विन्यास का उपयोग कर, 690 एनएम और 50 हर्ट्ज की दर से fNIRS प्रणाली का उपयोग कर ज्ञानेन्द्रिय cortices से अधिक 830 एनएम का पता चला था। EMG डेटा 1000 हर्ट्ज की एक आवृत्ति पर wirelessly के एकत्र किए गए थे। चिंतनशील मार्कर 3-डी स्थानों थे100 हर्ट्ज की दर से एक ऑप्टिकल गति पकड़ने प्रणाली द्वारा एकत्र की। दो अलग अलग कंप्यूटर डाटा अधिग्रहण, गति पकड़ने और EMG के लिए fNIRS के लिए एक और एक अन्य संभाला। डाटा प्रत्येक कार्य के लिए अनुदेशात्मक एनीमेशन शुरू करने के लिए एक माउस बटन प्रेस करने के लिए मेल खाती है कि एक तिहाई कंप्यूटर से एक ट्रिगर नाड़ी का उपयोग कर synced किया गया। चाल को छोड़कर सभी कार्यों के लिए, अनुदेशात्मक एनिमेशन एक कार्टून पशु कूदते या लात मार रहा है, साथ ही एक श्रवण क्यू द्वारा प्रतिनिधित्व एक कार्य (1 हर्ट्ज), की गति के दृश्य मार्गदर्शन का उपयोग करते हुए प्रतिभागी प्रदर्शन मानकीकृत करने के लिए डिजाइन किए गए थे।
Protocol
Representative Results
Discussion
कॉर्टेक्स के लक्षित क्षेत्रों और एक व्यक्ति को आंदोलन विकारों के साथ उन लोगों के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एक आम तौर पर विकसित करने की आबादी में दोनों, आंदोलन के तंत्रिका नियंत्रण के बारे में हमार?…
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 |
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