Abstract
Ci sono diversi vantaggi che funzionale spettroscopia vicino infrarosso (fNIRS) presenta nello studio del controllo neurale del movimento umano. È relativamente flessibile rispetto al posizionamento partecipante e consente per alcuni movimenti della testa durante compiti. Inoltre, è poco costoso, leggero, e portatile, con pochissime controindicazioni al suo utilizzo. Ciò rappresenta un'opportunità unica per studiare l'attività cerebrale funzionale durante compiti motori in individui che sono in genere sviluppando, così come quelli con disturbi del movimento, come la paralisi cerebrale. Un'ulteriore considerazione quando si studia disturbi del movimento, tuttavia, è la qualità dei movimenti eseguiti effettivi e il potenziale di ulteriori movimenti indesiderati. Pertanto, è necessario il monitoraggio simultaneo di entrambe le modifiche del flusso di sangue nel cervello e dei movimenti reali del corpo durante il test per l'interpretazione appropriata della fNIRS risultati. Qui vi mostriamo un protocollo per la combinazione di fNIRS conmuscolare e monitoraggio cinematica durante compiti motori. Esploriamo andatura, un movimento unilaterale multi-articolare (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (flessione dorsale della tibiotarsica isolato, e isolato mano spremitura). Le tecniche presentate possono essere utili per lo studio sia di controllo tipico e atipico del motore, e può essere modificato per indagare su una vasta gamma di attività e questioni scientifiche.
Introduction
L'imaging neurale durante compiti funzionali è diventato più portatile e conveniente utilizzando non invasiva spettroscopia nel vicino infrarosso funzionale (fNIRS) per identificare le aree di attività cerebrale misurando dinamica del flusso di sangue al corteccia. La portabilità dei fNIRS è particolarmente utile nello studio dei compiti verticali e funzionali tali andatura 1, che non è possibile con altre tecnologie, come la risonanza magnetica (fMRI). Questa capacità è fondamentale nel campo della neurologia e neuroscienze, e potrebbe fornire nuove informazioni sui meccanismi sottostanti disturbi del movimento nei bambini e negli adulti con paralisi cerebrale (CP) e di altre condizioni neurologiche che colpiscono il controllo motorio. Comprendere i meccanismi migliora la capacità di progettare interventi efficaci per indirizzare la fonte di svalutazioni e limitazioni di attività.
Molti fNIRS studi di compiti motori ad oggi sono stati con una popolazione sana di adulti in cui una parteicipants sono incaricati di eseguire una determinata attività e il monitoraggio delle prestazioni dell'attività è limitata a controllo visivo. Questo può essere sufficiente per coloro con i movimenti tipici e un alto livello di impegno, ma non è accettabile quando si studia partecipanti con disturbi del movimento o coloro che hanno difficoltà a partecipare ad un compito per lunghi periodi di tempo, compresi i bambini con sviluppo tipico. Al fine di informare l'analisi di attivazione cerebrale in questi casi, è necessario il monitoraggio simultaneo del modello del motore che viene effettivamente completato.
Recensioni complete di sistemi fNIRS e costumi sono stati presentati in letteratura 2-5 che guida l'uso e contribuire a dimostrare la precisione e la sensibilità di questi sistemi, ma problemi tecnici della raccolta, l'elaborazione e l'interpretazione dei dati fNIRS rimangono. Colore e spessore dei capelli incidono sulla qualità del segnale ottico, con capelli spessi scuri più probabile per bloccare o falsare trasmettitore di otticafissione 3,6. Questo è particolarmente rilevante quando si studiano le aree senso-motori situati nella zona superiore della testa dove la densità del follicolo pilifero è il più grande, e alcuni studi riferire non-responder 6,7. Il ben noto sistema internazionale 10/20 può essere utilizzato per il posizionamento dei optodes, ma in particolare nel caso di quelli con anatomia cerebrale atipica, co-registrazione di posizione optode per MRI anatomica di un partecipante è molto utile se non indispensabile interpretare accuratamente la risultati.
L'uso di fNIRS per valutare l'attivazione del cervello in danno cerebrale ad esordio infantile è piuttosto recente, ma guadagnando la trazione nel settore delle unilaterale cerebrale 6,8,9 paralisi. In considerazione delle sfide di cui sopra, questo protocollo unisce fNIRS, motion capture, e elettromiografico (EMG) il monitoraggio nel corso di una serie di attività, tra cui semplici operazioni single-comuni, nonché i movimenti di tutto il corpo più complesse. Guida visiva e uditiva è noied a migliorare le prestazioni e l'attenzione compiti su più età dei partecipanti. L'obiettivo del protocollo è quello di individuare le differenze nei pattern di attivazione cerebrale nei pazienti con esordio infantile lesioni cerebrali unilaterali e bilaterali rispetto a coloro che sono in genere in via di sviluppo. Esploriamo un movimento tutto il corpo (andatura), una estremità inferiore movimento multi-articolare bilaterale (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (isolato flessione dorsale della caviglia, e isolato mano spremitura) per illustrare la varietà di applicazioni dei metodi. Lo stesso o un protocollo molto simile potrebbe essere utilizzato per studiare altri disturbi sensoriali o movimento o ad altre attività di interesse.
Onda continua pressi luce infrarossa è stata emessa e rilevata a 690 nm e 830 nm su cortecce sensori utilizzando il sistema fNIRS ad una velocità di 50 Hz, utilizzando una configurazione personalizzata progettata sorgente-detector. Dati EMG sono stati raccolti in modalità wireless ad una frequenza di 1000 Hz. Marcatori riflettenti posizioni 3-D sono statiraccolte da un sistema di cattura motion ottica ad una velocità di 100 Hz. Due computer diversi trattati di acquisizione dati, una per i fNIRS e un altro per il motion capture e EMG. I dati sono stati sincronizzati con un impulso di scatto da un terzo computer che corrisponde ad un pulsante del mouse per avviare l'animazione didattica per ogni attività. Per tutte le attività, ad eccezione andatura, animazioni didattiche sono stati progettati per standardizzare le prestazioni dei partecipanti utilizzando una guida visiva di ritmo di un compito (1 Hz), rappresentato da un cartone animato animale saltare o di calcio, così come un spunto uditivo.
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Protocol
NOTA: Questo protocollo è stato approvato dal Consiglio Institutional Review del National Institutes of Health (identificatore ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tutti i partecipanti hanno la possibilità di porre domande e fornire il consenso informato prima della loro partecipazione. In considerazione delle modifiche alla risposta emodinamica causata dalla recente uso di vasodilatatori e vasocostrittori, i partecipanti sono invitati ad astenersi da alcol e caffeina per 24 ore prima dell'esperimento 3 video di animazione .Questi sono stati realizzati su misura nel nostro laboratorio, ma possono essere registrati con altri suoni o immagini specifiche a domande di ricerca alternativi.
1. Impostare la camera Prima del Partecipante arrivo.
- Calibrare il movimento telecamere di bloccaggio riguardante le coordinate di un laboratorio in base al processo specifico del costruttore motion capture. Assicurarsi che le posizioni della telecamera permetterà la registrazione di tutti gli indicatori sia sul corpoe capo del partecipante durante i compiti che saranno testati. Il processo di calibrazione assicura la precisione del sistema di motion capture ed è prassi standard per qualsiasi laboratorio di movimento. Utilizzare un sistema di dieci telecamera, con un volume di circa 17 m 3 in cui i marcatori riflettenti possono essere identificati in modo affidabile.
- Collegare il grilletto dal computer istruzione agli ingressi BNC i motion capture e fNIRS computer. Assicurarsi che il grilletto è collegato ad un pulsante del mouse e cliccando con il mouse completa il circuito e invia un impulso simultaneamente al motion capture / EMG scheda di acquisizione dati e alla scheda di acquisizione dati fNIRS come ausiliari ingressi analogici.
- Collegare questo mouse tramite la porta USB al computer che gestisce i video di animazione di istruzioni, tale che a partire il video causerà un cambiamento di tensione contemporaneamente su entrambi i sistemi di acquisizione dati.
NOTA: segnali EMG sono sincronizzati automaticamente e salvate dal software motion capture, così Additnon è necessario ional sincronizzazione del sistema EMG. - Impostare lo schermo e proiettore per le istruzioni per essere visualizzata al partecipante. Rimuovere eventuali oggetti inutili che potrebbero essere distrattori. Posizionare il treppiede e videocamera digitale dove avranno piena vista dei movimenti del partecipante.
- Verificare che i marcatori riflettenti siano fissati saldamente alla parte superiore di ogni optode nella sonda.
- Montare tutti i documenti necessari: il consenso e l'assenso copie, fogli di esame clinico, e fogli di nota sperimentali, per esempio.
2. Le misure di base
- Dopo aver completato il processo di consenso informato, la misura e l'altezza, il peso, l'età, e la circonferenza della testa del partecipante record.
- Somministrare Edinburgh Chiralità inventario 10 e altri esami clinici, come indicato. Tipi di capelli e di pelle Record partecipante ha riferito.
- Posizionare marcatori riflettenti sulle spine iliache posteriori superiori (PSIS) bilateralmente. Avere la passeggiata partecipante al loro ritmo confortevole attraverso il laboratorio 3 - 5 volte, e la velocità media in tutti gli studi per valutare la loro auto selezionata passo d'uomo.
3. Vicino funzionale Infrared Spectroscopy (fNIRS) Setup
NOTA: Questo può essere completato in contemporanea con la messa a punto di EMG e motion capture, se ci sono abbastanza sperimentatori o personale di ricerca per aiutare, e se il partecipante è comodo con più persone di essere vicino a loro, allo stesso tempo.
- Misurare la distanza tra il nasion (Nz) e la inion (Iz), e tra i punti pre-auricolari a destra (Ar) e sinistro (Al) orecchie. L'intersezione del punto medio di queste due misure è Cz, che è segnato sul cuoio capelluto con un pennarello lavabile.
- Se il partecipante ha i capelli lunghi, la sezione off piccole porzioni di capelli con trecce o code di cavallo, al fine di esporre il cuoio capelluto in cui saranno collocati optodes.
- Posizionare i fNIRS sonda su tegli la testa del partecipante, facendo attenzione ad allineare con Cz, Ar. Quindi spostare i capelli dal sotto ogni optode come viene posizionato sul cuoio capelluto. Infine, collegare le cinghie in velcro per tenere saldamente le optodes in luogo.
NOTA: In questo protocollo, utilizzare un tappo che ha una cinghia che va dietro la testa, che attraversa la fronte, e uno che va sotto il mento. Optodes sono ancorati a questo tappo con Velcro su un anello di plastica flessibile che circonda l'orecchio.- Se il partecipante ha i capelli corti (meno di circa 2 cm di lunghezza), tirare fuori i capelli tra optodes con un piccolo bastone sottile o alla fine di plastica di un pettine.
- Verificare che tutti i cavi optode sono distesi e che optodes sono approssimativamente perpendicolare alla superficie del cuoio capelluto.
- Se necessario, inserire un sottile pezzo di schiuma sotto il gruppo di cavi optode per promuovere l'allineamento ortogonale delle optodes.
- Verificare con il partecipante sul comfort delle sonde, eapportare le modifiche necessarie. Chiedere loro di raccontare le sperimentatori se il comfort diminuisce in qualsiasi momento durante l'esperimento.
- Accendere fonti e controllare i segnali.
- In questo sistema, garantire un segnale che ha un'intensità di almeno 80 dB e un battito cardiaco chiaramente visibile nel deltaOD (variazione di densità ottica) del segnale, ad entrambe le lunghezze d'onda 690 e 830 nm. Quando i canali sono segnali che non soddisfano questi criteri, verificare che i capelli non blocchi il optode (s) e quindi regolare guadagni rivelatore come necessario per massimizzare l'intensità del segnale. Assicurarsi che le telecamere motion capture sono fuori durante questo periodo.
NOTA: Altre macchine fNIRS possono operare a lunghezze d'onda differenti a 690 e 830 nm; in questo caso, controllare le lunghezze d'onda più appropriate per la macchina in uso.
- In questo sistema, garantire un segnale che ha un'intensità di almeno 80 dB e un battito cardiaco chiaramente visibile nel deltaOD (variazione di densità ottica) del segnale, ad entrambe le lunghezze d'onda 690 e 830 nm. Quando i canali sono segnali che non soddisfano questi criteri, verificare che i capelli non blocchi il optode (s) e quindi regolare guadagni rivelatore come necessario per massimizzare l'intensità del segnale. Assicurarsi che le telecamere motion capture sono fuori durante questo periodo.
- Aggiungere marcatori riflettenti per Nz, Iz, Ar, e Al. Chiedere al partecipante di tenere ancora e raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture per questi e marcatori delle fNIRS optode. Verificare chetutti gli indicatori sono stati registrati, e raccogliere prove supplementari, se necessario. Si può richiedere il partecipante di cambiare la posizione della testa per migliorare la linea di vista tra le telecamere e gli indicatori. Utilizzare questi raccolti tre posizioni tridimensionali durante l'analisi per la registrazione probabilistica dei singoli MRI strutturale di un partecipante, se disponibile.
- Aggiungere un coperchio con diversi strati di feltro nero o altro materiale otticamente assorbente sopra le fNIRS optodes per proteggere rivelatori di interferenze o di saturazione dalle telecamere motion capture. Assicurarsi che i cavi e il pannello frontale dell'unità fNIRS sono anche ben schermati utilizzando lo stesso materiale otticamente assorbente.
4. superficie elettromiografia (EMG) Setup
- Individuare il ventre muscolare di ogni muscolo mirata utilizzando punti di repere anatomici, palpazione durante la contrazione muscolare, e posizionamento degli elettrodi guida 11.
NOTA: I muscoli mirati in questo protocollo sono bilateral gastrocnemio mediale, tibiale anteriore, retto femorale, vasto laterale, bicipite femorale, estensore radiale del carpo e flessore radiale del carpo. - Prepararsi per EMG posizionamento degli elettrodi sul ventre muscolare dalla rasatura, eliminando le cellule morte della pelle con del nastro adesivo, e poi la pulizia con un panno imbevuto di alcol isopropilico, come raccomandato da SENIAM 12 e attendere che la pelle si asciughi.
- Inserire EMG elettrodo orientato alla direzione delle fibre muscolari.
- Avvolgere comodamente con un auto involucro aderente.
- Controllare i segnali muscolari sul computer durante l'esecuzione di test muscolare manuale per garantire il corretto posizionamento degli elettrodi, e chiara la visualizzazione del cambiamento di segnale quando il muscolo è attivo.
Setup Capture 5. Movimento
- Posizionare i marcatori riflettenti a punti di riferimento comuni. Questi includono mediale e malleolo laterale, mediale e laterale del ginocchio congiunta, anteriore superiore spina iliaca (ASIS), iliaca posteriore superiore della colonna vertebrale (PSIS), stiloide radiale, Syloid ulnare, medial epicondyl omerale, e laterale omerale epicondyl.
- Mettere 3 o più marcatori, o un gruppo corpo rigido di marcatori, su ogni segmento di interesse, tra cui il piede, la zampa, coscia, mano e avambraccio.
- Raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture, mentre il partecipante è in piedi ancora in una posizione standard, come ad esempio in piedi con le braccia a 90 ° di flessione della spalla e 90 ° flessione del gomito. Assicurarsi che tutti i marcatori sono ben visibili alle telecamere.
6. Gait Task
- Avere il trasferimento partecipante al tapis roulant. Assisterli sostenendo cavi i fNIRS optode e poi fissare i cavi al supporto soffitto dopo che il paziente è in posizione. Se il paziente è ad alto rischio di cadute, utilizzare un supporto imbracatura di peso corporeo per la sicurezza durante questo compito.
- Avviare il tapis roulant, lentamente costruendo per sé selezionato velocità misurata a piedi per raggiungere il partecipante agio con le condizioni previste. Poi lentamente fino a fermarsinuovo.
- Impostare il file di animazione con il feedback uditivo che cue il partecipante a uno riposare o spostare. Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di "riposo" e per camminare alla velocità impostata del tapis roulant durante il periodo di "compito", mentre ci si concentra la loro attenzione al piccolo cerchio nero sullo schermo per la durata di acquisizione dati.
- Abbassare le luci, e iniziare l'acquisizione dei dati sul computer motion capture e il computer fNIRS. Iniziare la registrazione sul videocamera.
- Utilizzando il grilletto mouse, fare clic sul pulsante di riproduzione sul file di animazione associato a questo compito. Assicurarsi che il grilletto è stato ricevuto sia dalla motion capture e sistemi NIRS.
- Passare l'immagine di un punto nero situato in linea del partecipante di vista, in modo che abbiano un punto focale per la durata della prova.
NOTA: Lo schema quadro per ogniprocesso è illustrato nella figura 2.
- Passare l'immagine di un punto nero situato in linea del partecipante di vista, in modo che abbiano un punto focale per la durata della prova.
- Monitorare le prestazioni dei partecipanti e fornire un feedback sulla velocità, o movimenti volontari estranei, se necessario.
- Alla fine dell'animazione didattico, arrestare la registrazione sul motion capture, EMG, e sistemi fNIRS, nonché la videocamera. Dare al partecipante la possibilità di riposare o cambiare posizione, se necessario.
7. bilaterale arto inferiore Ciclismo Task
- Hanno la transizione partecipante ad uno zoccolo con mobile con supporto per le gambe, avendo cura di sostenere i cavi fNIRS optode e per non urtare o rimuovere i marcatori di motion capture o elettrodi EMG. Avere un posto schiuma cuscino per migliorare il comfort durante l'esperimento.
- Sollevare il telaio ciclo in posizione e fissarlo al basamento con una cinghia.
- Fissare i piedi sui pedali e regolare la posizione del ciclo come necessario promuovere una distanza confortevole e naturale ai pedali. Ail punto più lontano del ciclo, mantengono il ginocchio di circa 10 ° di flessione.
NOTA: A questo punto, il partecipante sarà in una posizione semi-reclinata, che fornisce un supporto tronco e facilita il rilassamento durante il periodo di riposo. - Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di "riposo" e per passare a circa 60 giri durante il periodo di "compito".
- Ripetere i passaggi 6,4-6,7. Invece di passare a una immagine di un punto, il progetto di animazione del fumetto che cue il partecipante a uno riposare o passare attraverso il feedback visivo e uditivo. Massimizzare la finestra filmato in modo che il partecipante non è in grado di monitorare il tempo trascorso, o è rimasto, nel processo in corso.
8. mano Spremitura Task
- Dopo aver rimosso i piedi dal ciclo e il ciclo stesso, collocare un tavolo letto di fronte del partecipante, making Assicurarsi che le braccia di partecipanti sono supportati sul tavolo in una posizione comoda.
- Istruire partecipante di spremere un oggetto morbido circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di "compito", e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di "riposo".
- Ripetere il punto 7.5.
9. caviglia dorsiflessione Task
- Rimuovere il comodino, e aumentare la quota resto piedi del basamento fino a portare i piedi in vista del partecipante.
- Rimuovere scarpa del partecipante e calzino, e sostituire i marcatori piede in posizioni adeguate. Sostenere il vitello appena sopra la caviglia con un tappetino in gomma per consentire caviglia movimento articolare.
- Istruire il partecipante al dorsiflex loro caviglia circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di "compito", e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di "riposo".
- Ripetere il punto 7.5.
10. Conclusione del ProProtocollo
- Togliere il tappo e controllare la pelle per le zone di pressione o arrossamenti.
- Rimuovere tutti i marcatori riflettenti e unità EMG.
- Ringrazio il partecipante per il loro tempo e invitare il loro contributo circa l'esperienza soggettiva del protocollo. Questo può essere un questionario formale (usati per Garvey e colleghi per la stimolazione magnetica transcranica 13), o una discussione informale per individuare le fonti più comuni di disagio che potrebbero essere migliorati in futuro.
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Representative Results
Questo protocollo coordina contestuale acquisizione di 3 modalità di catturare il flusso di sangue al cervello, attività muscolare elettrica, e il movimento cinematico di articolazioni mentre un partecipante esegue compiti motori (Figura 1).
Figura 1. posizione della sonda. La parte sinistra di questa figura mostra la posizione approssimativa delle aree sensoriali (in blu, aree di Brodmann 1,2,3), l'area motoria primaria (in verde, zona Brodmann 4), e l'area premotoria (in arancione, zona Brodmann 6). La parte destra di questa cifra è stata generata utilizzando AtlasViewerGUI (disponibile per il download open source dal MGH Optics Division 15) e le sue funzioni associate. In breve, questo motivo sonda è stata registrata alla superficie del Colin47 Atlas utilizzando la disposizione spaziale delle sorgenti, rivelatori, e anatopunti di riferimento MICAL (fonti sono rappresentate da cerchi rossi e rilevatori di cerchi blu). Una migrazione fotone modello avanti Monte Carlo è stato eseguito per lanciare 1 x 10 8 fotoni di luce attraverso il materiale della pelle, del cranio e cervello, con i profili di sensibilità per tutte le coppie sorgente-rivelatore sono proiettate sulla superficie della corteccia e tutti visualizzati simultaneamente in questa figura. La mappa di colore sulla superficie del cervello rappresenta la sensibilità corticale della sonda; in altre parole il numero di fotoni simulati che raggiungono le circonvoluzioni e solchi trovi sotto le sorgenti e rivelatori (colori più caldi indicare più fotoni di colori più freddi, con un intervallo di 2 ordini di grandezza su scala log 10).
mostra un esempio di accordo di sorgente-detector utilizzato in questo protocollo, e in che modo è legato a strutture sottostanti neuroanatomici su un atlante del cervello. La Figura 2 delinea il disegno a blocchi utilizzato in questo protocollo, così come schermatedei video di istruzioni. Le attività vengono svolte in un disegno a blocchi, con otto blocchi di attività 15 sec intervallati da periodi di riposo di lunghezza casuale di 20 - 30 sec. Cartoon animali sono stati appositamente scelti per essere non umano come in modo da non impegnare il sistema dei neuroni specchio 11, e segnali audio hanno dimostrato di migliorare le prestazioni dell'attività in altri esperimenti di design del blocco 10. Il compito andatura aveva solo uno spunto uditivo, ed i partecipanti sono stati invitati a concentrarsi su un piccolo cerchio nero proiettato su uno schermo di fronte a loro.
Figura 2. Schema di ogni prova. La raccolta dei dati per ogni tipo di attività dura circa 6 minuti. Ci sono periodi di riposo variabile (che varia tra 20 e 30 secondi di durata), con 15 secondi blocchi di attività (andatura, ciclismo, flessione dorsale, o spremitura). Video didattici sono stati creaticon segnali visivi e uditivi per il partecipante per riposare o spostare. Le immagini pinguino sono prese da uno dei video istruzioni mostrate al paziente. Rimane a terra durante i periodi di riposo, e salta in 1 ora d'aria per sec durante i periodi di attività. C'è anche la musica previsto per ogni condizione, un rilassante gioco melodia durante il riposo e una melodia con un forte ritmo di 60 bpm durante i blocchi di attività.
Figura 3 è un esempio dei segnali ottici durante l'esecuzione compito. I dati vengono salvati automaticamente in un file con estensione .nirs * e successivamente trasferiti dal computer di acquisizione dati per l'ulteriore elaborazione. La Figura 4 mostra un esempio del modello scheletrico ricostruito, insieme con angolo di giunzione e misure EMG per un'attività dorsiflessione della caviglia. Il modello scheletrico e angoli articolari vengono creati e calcolati utilizzando pacchetti software Nexus e Visual3D. Questi dati, così come l'EMG non sono stati elaborati, e coULD contengono artefatti di movimento o altro rumore che potrebbero beneficiare di tecniche di filtraggio.
Ci sono una vasta gamma di tecniche di analisi e pacchetti software disponibili per interpretare i dati raccolti. Un esempio sta completando la ricostruzione dell'immagine fNIRS utilizzando un pacchetto software open source chiamato HOMER 14. Un esempio di una mappa creata è mostrato in Figura 5 per dimostrare il tipo di informazioni di attivazione che può essere interpretato dai segnali di densità ottica raccolti.
Figura 3. Esempio di registrazioni ottiche densità. Questa schermata è dal software di acquisizione dei dati di un tipo di macchina fNIRS. Esso include informazioni sulle fNIRS sondare accordo (in alto a destra), la capacità di trasformare le singole sorgenti laser e spegnimento (in basso a sinistra), e options per modificare il guadagno di ciascuna dectector (in basso al centro). Nella finestra di visualizzazione dei dati (in alto a sinistra), la rosa linea verticale rappresenta l'inizio di un blocco di attività. I colori delle tracce corrispondono ai colori dei canali mostrati nella disposizione sonda sulla destra. Si noti che tutti i segnali sono al di sopra di 80 dB, e il ritmo cardiaco è chiaramente visibile, anche nel segnale intensità luminosa.
Figura 4. Esempio ricostruzione scheletrica, angoli articolari e EMG per un compito flessione dorsale sinistro. Il periodo di attività durante il periodo rappresentato inizia a circa 4,5 secondi, e continua fino 19,5 sec. In questo individuo tipicamente sviluppo (13 anni), c'è un movimento molto limitato ai giunti diversi dalla caviglia sinistra mirata. Inoltre, muscoli diversi da quello che fornisce il moto (tibiale anteriore) unri generalmente quiescente durante il compito e periodi di riposo. TA = tibiale anteriore; MG = gastrocnemio mediale; Femorale RF = retto; VL = vasto laterale; MH = femorali mediale.
Figura 5. Esempio di fNIRS mappa attivazione durante un'operazione spremitura mano destra. La scatola blu sopra cervello delinea l'area approssimativa campionata mediante questo motivo sonda (vedi anche Figura 1). Questo partecipante aveva 13 anni, e aveva una circonferenza della testa di 56 cm). La parte destra della figura mostra la risposta media di emoglobina ossigenata (HBO) nel periodo 5-10 sec movimento successivo insorgere di una adolescente sviluppo tipico stringendo una palla con la mano destra. Questi dati in questa cifra sono generati da Omero 14, e quindi valutati usando un modello lineare generale. Il colore blus rappresentano nessuna attivazione, mentre i rossi regioni indicazione aree di maggiore HbO durante i periodi di attività. Questo è un metodo di analisi e di visualizzazione che i ricercatori usano per identificare le aree di maggiori cambiamenti nella ossigenata e / o il flusso di sangue ossigenato.
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Discussion
Collezione contemporanea di attività cerebrale dalle zone mirate della corteccia e dei dati quantitativi su come una persona si muove presenta un enorme potenziale per migliorare la nostra comprensione del controllo neurale del movimento, sia in una popolazione in genere in via di sviluppo, così come quelli con disturbi del movimento. C'è anche una vasta applicazione in termini di età e di attività di spostamento che potrebbero essere completati, in quanto i partecipanti non si limitano ad una posizione supina come sarebbero per una risonanza magnetica funzionale. Le voci di attrezzature specifiche non si limitano a quelli proposti nella lista dei materiali - ci sono diversi sistemi di motion capture e motion quantificazione, sistemi EMG e sistemi fNIRS disponibili sul mercato, e che potrebbero essere utilizzati al posto di quelli proposti qui. Inoltre, se un sistema di cattura di movimento scelto non ha sufficienti volumi di misurazione per localizzare marcatori sia sul corpo e la tecnologia testa o non ottico viene utilizzato, un inseguimento di posizione 3-Dstilo può essere utilizzato invece per individuare le optodes rispetto ai punti di riferimento anatomici in un sistema di coordinate comune. Infine, se è possibile, di raccogliere anche i dati fisiologici come la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna, queste informazioni sarebbe utile informare l'analisi delle serie storiche HBO e HbR.
L'intero protocollo può essere completato in circa 2 ore, con quasi la metà del tempo dedicato alla messa a punto. Per i partecipanti di sesso maschile con i capelli corti, il tempo di installazione può essere meno perché è necessario meno tempo per preparare i capelli. E 'importante per gli investigatori di reclutare senza pregiudizi da tutte le etnie e tipi di capelli, e di segnalare se ci sono persone in cui i segnali utili non potevano essere ottenuti 3. A seconda della fascia d'età e l'attenzione della persona che in fase di test, attività aggiuntive o blocchi aggiuntivi di raccolta dati potrebbero essere facilmente aggiunti. È importante notare, tuttavia, alcune limitazioni della tecnologia fNIRS nel suo stato attuale. Nonostante cpreparazione e cura areful per ridurre le interferenze dei capelli, ci possono essere alcuni partecipanti in cui il contenuto di melanina dei loro capelli e la pelle osta raccolta di segnali di intensità adeguata. Anche tra quelli con intensità sufficiente, ci sarà la variabilità nella chiarezza della risposta emodinamica osservata. Tali questioni devono essere affrontate durante l'analisi dei dati, con una chiara segnalazione di come sono stati individuati i non-responder e la divulgazione del numero dei partecipanti esaminati i cui dati non potrebbero essere utilizzati 2-5.
Questo particolare protocollo può essere adattato in vari modi per un'applicazione di domande di ricerca specifiche. L'orientamento delle sorgenti e rivelatori ha infinite possibilità in termini di posizioni e disposizioni, che forniscono la flessibilità per campionare altre aree della corteccia, creare una sonda più denso con ulteriori sovrapposizione canale per facilitare una maggiore risoluzione, o una disposizione più rada a coprire aree più grandi delsuperficie corticale. La risoluzione spaziale complessiva di fNIRS rimane inferiore rispetto a risonanza magnetica, ma questa limitazione può essere compensato dalla possibilità di utilizzare fNIRS in un ambiente meno confinato per molte applicazioni di ricerca, soprattutto quando si studia attività di spostamento. Inoltre, un numero qualsiasi di motori, sensoriali, o attività di immaginazione potrebbe essere fattivamente incorporato nel design a blocchi presentato comprese le sequenze più complesse o altre semplici movimenti articolari singoli. In considerazione dei compiti arti inferiori, tuttavia pensiero deve essere data alla posizione della rappresentazione estremità inferiore distale dell'homunculus motore come potrebbe non essere possibile ottenere che profondo con un approccio basato superficie, come fNIRS. In aggiunta, ci sono studi che utilizzano anche un paradigma evento correlati 16,17, che può essere facilmente integrato alterando le animazioni e le istruzioni ai partecipanti. Questi paradigmi richiedono un maggior numero di blocchi di movimento, ma possono essere completati con meno riposo tra so il tempo totale di acquisizione dei dati non può differire in modo significativo dai paradigmi blocco presentati.
Dati cinematici ed EMG possono essere utilizzati in diversi modi. Qualitativamente, fornisce un utile conferma che il partecipante stava completando un compito secondo le istruzioni. In particolare nei casi in cui i movimenti non sono quelli previsti, a causa della ridotta attenzione o la presenza di un disturbo del movimento, questi segnali possono essere molto utile come metodi quantitativi di rimozione blocchi di dati, o come regressori in un modello lineare generale (GLM) analisi i dati, come mostrato da Hervey et al. 18. Determinazione delle coordinate di fNIRS optodes e punti di riferimento anatomici è necessario per co-registrazione a individuo MRI strutturale di un partecipante. Co-registrazione delle posizioni optode rappresenta un passo importante per aumentare l'affidabilità e la neuro-anatomica pertinenza dei fNIRS risultati, soprattutto nelle popolazioni con lesioni cerebrali. Infine, si potrebbe considerare l'aggiuntatracciamento del movimento cavo come un ulteriore passo per tenere conto di artefatti da movimento all'interno dei dati registrati.
Infanzia-insorgenza lesioni cerebrali come la paralisi cerebrale sono noti per causare una serie di sintomi periferici come la spasticità, debolezza muscolare, e riducono il controllo motorio selettivo 19. Passivi tecniche di imaging elettrofisiologiche o cerebrali, come la stimolazione magnetica transcranica 20,21 e la diffusione del tensore di imaging 22,23 hanno dimostrato alterazioni dell'organizzazione corticale. fMRI è stato utile nel rilevare differenze di attivazione in piccoli movimenti isolati 24-26, ma il monitoraggio delle prestazioni compito può essere una sfida per l'ambiente MRI, e anche piccolo movimento della testa può causare grandi manufatti. In questa popolazione, in particolare, complementare o concomitante utilizzo di modalità di neuroimaging quali fNIRS o elettroencefalografia (EEG) presenta l'opportunità di acquisire una maggiore comprensione circa la fonte sottostantedi problemi di movimento, e un ulteriore strumento per monitorare i progressi relativi a interventi a motore.
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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 |
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