Funksjonell i nærheten av infrarød spektroskopi av de sensoriske og motoriske hjerneregioner med samtidig Kinetisk og EMG Overvåking Under Motor Oppgaver

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

Det er flere fordeler som funksjonelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) oppviser i studiet av det nevrale kontroll av menneskelig bevegelse. Det er relativt fleksibel med hensyn til deltaker posisjonering og gir rom for noen hodebevegelser under oppgaver. I tillegg er det billig, lav vekt, og bærbar, med svært få kontraindikasjoner til bruken. Dette gir en unik mulighet til å studere funksjonelle hjerneaktivitet under motor oppgaver i individer som er typisk utviklet, så vel som de med bevegelsesforstyrrelser, slik som cerebral parese. En ekstra hensyn når studere bevegelsesforstyrrelser, derimot, er kvaliteten på selve bevegelsene som utføres og potensialet for ytterligere, utilsiktede bevegelser. Derfor er samtidig overvåking av både blodstrømsendringer i hjernen og faktiske bevegelser av kroppen under testing er nødvendig for riktig tolkning av fNIRS resultater. Her viser vi en protokoll for kombinasjonen av fNIRS medmuskel og kinematisk overvåking under motoriske oppgaver. Vi utforsker gangart, en ensidig multi-joint bevegelser (sykling), og to ensidige én felles bevegelser (isolert ankel dorsiflexion, og isolert hånd klemme). Teknikkene som presenteres kan være nyttig i å studere både typisk og atypisk motorisk kontroll, og kan bli endret for å undersøke et bredt spekter av oppgaver og faglige spørsmål.

Introduction

Neural avbildning under funksjonelle oppgaver er blitt mer portabel og kostnadseffektiv bruk av ikke-invasiv funksjonelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) for å identifisere områder av hjerneaktivitet ved å måle blodstrømningsdynamikken i cortex. Portabilitet av fNIRS er spesielt nyttig i studiet av oppreist og funksjonelle oppgaver som gangart ^en, som ikke er mulig med andre teknologier som funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI). Denne funksjonen er kritisk innen nevrologi og nevrovitenskap, og kunne gi ny innsikt i mekanismene bak bevegelsesforstyrrelser hos barn og voksne med cerebral parese (CP) og andre nevrologiske tilstander som påvirker motorisk kontroll. Forstå mekanismene forbedrer evnen til å utforme effektive tiltak for å målrette kilden til nedskrivninger og fysisk funksjonshemmede.

Mange fNIRS studier av motoriske oppgaver som hittil har vært med en god bestand av voksne, der en delicipants blir bedt om å utføre en bestemt oppgave og overvåking ved utføring av oppgaver er begrenset til visuell inspeksjon. Dette kan være tilstrekkelig for de med typiske bevegelser og et høyt nivå av engasjement, men er ikke akseptabelt når studere deltakere med bevegelsesforstyrrelser eller de som har problemer med å delta på en oppgave for lengre perioder, herunder typisk utviklings barn. For å informere analyse av hjerneaktivitet i disse tilfeller er samtidig overvåkning av motor mønster som faktisk er ferdig pålagt.

Omfattende vurderinger av fNIRS systemer og bruksområder har blitt presentert i litteraturen ^2-5 som styrer bruk og bidra til å demonstrere nøyaktighet og følsomhet av disse systemene, men tekniske problemer i innsamling, bearbeiding og tolkning av fNIRS data fortsatt. Farge og tykkelse av hår påvirke kvaliteten av det optiske signal, med mørkt tykt hår mest sannsynlig til å blokkere eller forvrenge optisk transmitterssion ^3,6. Dette er spesielt relevant når man studerer sensorimotor områder som ligger på kronen området av hodet der hårsekken tettheten er størst, og enkelte studier rapporterer ikke-respondere ^6,7. Den veletablerte International 10/20 systemet kan brukes for plassering av optodes, men særlig i tilfelle av de med atypisk hjernen anatomi, samtidig registrering av Optode beliggenhet til en deltaker anatomiske MRI er meget nyttig hvis det ikke nødvendig å nøyaktig tolke resultater.

Bruken av fNIRS å vurdere hjerneaktivitet i barndommen-utbruddet hjerneskade er ganske nylig, men få trekkraft i området av unilateral cerebral parese ^6,8,9. I betraktning av de nevnte utfordringene, og kombinerer denne protokollen fNIRS, motion capture, og elektromyografi (EMG) overvåking under en rekke oppgaver, inkludert enkle én felles oppgaver samt mer komplekse full kroppsbevegelser. Visuell og auditiv veiledning er ossed å forbedre oppmerksomhet og utføring av oppgaver på tvers av flere aldersgrupper av deltakerne. Målet med protokollen er å identifisere forskjeller i hjernens aktiveringsmønstre i de med unilateral og bilateral barndom-utbruddet hjerneskade forhold til de som er typisk utvikling. Vi utforsker en full kroppsbevegelse (gangart), en bilateral underekstremitetene multi-joint bevegelser (sykling), og to ensidige enkelt felles bevegelser (isolert ankel dorsiflexion, og isolert hånd klemme) for å illustrere ulike anvendelser av metodene. Den samme eller en lignende protokoll kan anvendes for å studere andre sensoriske eller bevegelsesforstyrrelser eller andre oppgaver av interesse.

Kontinuerlig bølge i nærheten av infrarødt lys som sendes ut, og ble påvist ved 690 nm og 830 nm i løpet av sensorimotor cortex ved hjelp av fNIRS systemet med en hastighet på 50 Hz, ved hjelp av en spesialdesignet kilde-detektor-konfigurasjon. EMG-data ble oppsamlet trådløst med en frekvens på 1000 Hz. Reflekterende markør 3-D stedene varoppsamlet ved et optisk system bevegelsesopptak med en hastighet på 100 Hz. To forskjellige datamaskiner håndtert datainnsamling, en for fNIRS og en annen for motion capture og EMG. Data ble synkronisert ved hjelp av en triggerpuls fra en tredje datamaskin som tilsvarer en museknapp trykk for å starte instruksjons animasjon for hver oppgave. For alle oppgaver unntatt gangart, ble instruksjons animasjoner laget for å standardisere deltaker ytelsen ved hjelp av visuell veiledning av tempoet i en oppgave (1 Hz), representert ved en tegneserie dyr hopping eller sparker, samt en auditiv kø.

Protocol

MERK: Denne protokollen ble godkjent av Institutional Review Board of National Institutes of Health (ClinicalTrials.gov identifier: NCT01829724). Alle deltakerne får mulighet til å stille spørsmål og gi informert samtykke før sin deltakelse. Av hensyn til endringer i hemodynamiske respons forårsaket av nyere bruk av vasodilatorer og vasoconstrictors, er deltakerne bedt om å avstå fra alkohol og koffein for 24 timer før forsøket 3 .Disse animasjonsvideoer var tilpasset laget i vårt laboratorium, men…

Representative Results

Denne protokollen koordinerer samtidig oppkjøp av tre modaliteter å fange hjernen blodstrøm, elektrisk muskelaktivitet, og kinematisk bevegelse av ledd, mens en deltaker utfører motoriske oppgaver (figur 1). Figur 1. Probe plassering. Den venstre delen av denne figuren viser den omtrentlige plasseringen av de sensoriske områder (i blå, Br…

Discussion

Samtidig samling av hjernens aktivitet fra målrettede områder av hjernebarken og kvantitative data om hvordan en person beveger presenterer et enormt potensial for å forbedre vår forståelse av det nevrale kontroll av bevegelse, både i en typisk utvikling befolkning så vel som de med bevegelsesforstyrrelser. Det er også bred anvendelse når det gjelder alder og bevegelsesoppgaver som kan være ferdig, som deltakerne ikke er begrenset til en liggende posisjon som de ville være for en funksjonell MRI. De spesifikk…

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