Abstract
Há várias vantagens que a espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) apresenta no estudo do controlo de movimento neural humana. É relativamente flexível no que diz respeito ao posicionamento participante e permite alguns movimentos de cabeça durante as tarefas. Além disso, é de baixo custo, peso leve, portátil e, com muito poucas contra-indicações para a sua utilização. Isto representa uma oportunidade única para estudar a atividade cerebral funcional durante tarefas motoras em indivíduos com desenvolvimento típico, bem como aqueles com distúrbios do movimento, como a paralisia cerebral. Uma consideração adicional quando se estuda distúrbios do movimento, no entanto, é a qualidade dos movimentos reais executadas eo potencial para movimentos adicionais, não intencionais. Portanto, o monitoramento simultâneo de ambas as alterações de fluxo sanguíneo no cérebro e movimentos reais do corpo durante o teste é necessário para a interpretação adequada de fNIRS resultados. Aqui, nós mostramos um protocolo para a combinação de fNIRS commuscular e monitoramento cinemática durante tarefas motoras. Nós exploramos a marcha, um movimento unilateral multi-articular (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão apertar). As técnicas apresentadas pode ser útil no estudo de controlo, tanto típicos e atípicos do motor, e podem ser modificados para investigar uma variedade de tarefas e perguntas científicas.
Introduction
Imaging Neural durante tarefas funcionais tornou-se mais portáteis e custo-eficiente usando espectroscopia no infravermelho próximo funcional não invasiva (fNIRS) para identificar áreas de atividade cerebral medindo dinâmica do fluxo sanguíneo no córtex. A portabilidade de fNIRS é especialmente útil para o estudo das funções na posição vertical e funcionais, tais como marcha 1, o que não é possível com outras tecnologias, tais como imagem de ressonância magnética (RMF). Esta capacidade é fundamental nas áreas de neurologia e neurociências, e poderia fornecer novos insights sobre os mecanismos subjacentes distúrbios do movimento em crianças e adultos com paralisia cerebral (PC) e outras condições neurológicas que afetam o controle motor. Compreender os mecanismos de melhora a capacidade de projetar intervenções eficazes para atingir a fonte de deficiências e limitações de atividade.
Muitos fNIRS estudos de tarefas motoras até à data foram com uma população saudável de adultos onde parteicipants são instruídos a executar uma determinada tarefa e monitoramento do desempenho da tarefa se limita à inspecção visual. Isso pode ser suficiente para aqueles com movimentos típicos e um alto nível de engajamento, mas não é aceitável quando se estuda os participantes com distúrbios do movimento ou aqueles que têm dificuldade em participar de uma tarefa por longos períodos de tempo, incluindo crianças com desenvolvimento típico. A fim de informar a análise de activação cerebral nestes casos, é necessária a monitorização simultânea do padrão motor que está realmente completa.
Revisões completas de sistemas fNIRS e usos têm sido apresentados na literatura 2-5 que orientam o uso e ajudar a demonstrar a precisão e sensibilidade desses sistemas, mas problemas técnicos na coleta, processamento e interpretação de dados fNIRS ainda permanecem. Cor e espessura do cabelo afetar a qualidade do sinal óptico, com cabelo escuro e espesso mais provável para bloquear ou distorcer transmi ópticassion 3,6. Isto é especialmente relevante quando se estudam as áreas sensório-motores localizados na área da coroa da cabeça, onde a densidade folículo piloso é o maior, e alguns estudos relatam que não responderam 6,7. O sistema internacional 10/20 bem estabelecida pode ser utilizado para a colocação dos optodes, mas em particular no caso das pessoas com a anatomia do cérebro atípico, co-registro de localização optode para MRI anatômica de um participante é muito útil se não essencial para interpretar com precisão o resultados.
O uso de fNIRS para avaliar a ativação do cérebro em lesão cerebral de início na infância é relativamente recente, mas ganhando força na área de unilateral 6,8,9 paralisia cerebral. Em consideração aos desafios acima mencionados, este protocolo combina fNIRS, captura de movimento, e eletromiografia (EMG) de monitoramento durante uma série de tarefas, incluindo as tarefas de single-conjuntos simples, bem como mais complexos movimentos de corpo inteiro. Orientação visual e auditiva é-nosed para melhorar o desempenho de atenção e de tarefas através de múltiplas idades dos participantes. O objetivo do protocolo é o de identificar as diferenças nos padrões de ativação cerebral em pessoas com a infância de início lesão cerebral unilateral e bilateral em comparação com aqueles que são tipicamente em desenvolvimento. Nós exploramos um movimento de corpo inteiro (marcha), uma extremidade inferior movimento multi-articular bilateral (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão espremendo) para ilustrar a variedade de aplicações dos métodos. O mesmo ou um protocolo muito semelhante pode ser utilizada para estudar outras distúrbios sensoriais ou do movimento ou outras tarefas de interesse.
Onda contínua perto de luz infravermelha emitida e foi detectada a 690 nm e 830 nm ao longo dos córtices sensório-motores que utilizam o sistema fNIRS a uma velocidade de 50 Hz, utilizando uma configuração personalizada da fonte eo detector. Dados EMG foram coletados sem fio a uma frequência de 1.000 Hz. Marcadoras Reflective locais 3-D foramrecolhido por um sistema de captura de movimento óptico a uma velocidade de 100 Hz. Dois computadores diferentes tratadas de aquisição de dados, um para os fNIRS e outro para a captura de movimento e EMG. Os dados foram sincronizados usando um pulso de disparo de um terceiro computador que corresponde a um botão do mouse prima para iniciar a animação de instrução para cada tarefa. Para todas as tarefas, com exceção da marcha, animações instrucionais foram projetados para padronizar desempenho dos participantes usando a orientação visual do ritmo de uma tarefa (1 Hz), representado por um animal do salto ou chutar, bem como um sinal sonoro.
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Protocol
NOTA: Este protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Instituto Nacional de Saúde (identificador ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Todos os participantes têm a oportunidade de fazer perguntas e dar seu consentimento informado antes de sua participação. Em consideração de alterações à resposta hemodinâmica causada pelo uso recente de vasodilatadores e vasoconstritores, os participantes são convidados a abster-se de álcool e cafeína durante 24 horas antes do experimento 3 vídeos de animação .Estes foram personalizado feito em nosso laboratório, mas poderia ser gravadas com outro sons ou imagens específicas para questões de pesquisa alternativos.
1. Configurar o ambiente antes da chegada do Participante.
- Calibrar o câmeras de captura de movimento em relação às coordenadas de um laboratório de acordo com processo específico do fabricante captura o movimento. Certifique-se de que as posições de câmera irá permitir a gravação de todos os marcadores, tanto no corpoe chefe do participante durante as tarefas que serão testadas. O processo de calibração garante a precisão do sistema de captura de movimento e é uma prática comum em qualquer laboratório de movimento. Use um sistema de dez câmera, com um volume aproximado de 17 m 3, onde marcadores reflexivos puderam ser identificados de forma confiável.
- Conecte o gatilho do computador instrução para entradas BNC a captura e fNIRS movimento dos computadores. Certifique-se de que o gatilho é conectado a um botão do mouse e clicar com o mouse completa o circuito e envia um pulso simultaneamente ao EMG placa de captura de movimento / aquisição de dados e à placa de aquisição de dados fNIRS como auxiliares entradas analógicas.
- Conecte este rato através da porta USB para o computador que executa instruções vídeos de animação, de tal forma que a partir do vídeo irá provocar uma mudança de tensão simultaneamente em ambos os sistemas de aquisição de dados.
NOTA: sinais EMG são automaticamente sincronizados e salvos pelo software de captura de movimento, de modo additional sincronização do sistema de EMG não é necessário. - Configure a tela e projetor para obter instruções para ser mostrado para o participante. Remova todos os itens desnecessários que poderiam ser distracters. Coloque o tripé e câmera de vídeo digital, onde terão visão completa dos movimentos dos participantes.
- Verifique se marcadores reflexivos estão bem presos ao topo de cada optode na sonda.
- Reúna todos os documentos necessários: cópias de consentimento e de parecer favorável, folhas de exame clínico e folhas da nota experimentais, por exemplo.
2. Medidas básicas
- Depois de completar o processo de consentimento informado, medir e altura, peso, idade e circunferência da cabeça do participante registro.
- Administrar Manual de Edimburgo Inventory 10 e outros exames clínicos, como indicado. Grave-participante relatou cabelo e pele tipos.
- Coloque marcadores reflexivos sobre as espinhas ilíacas posteriores superiores (EIPS) bilateralmente. Já a caminhada participante em seu ritmo confortável através do laboratório de 3-5 vezes, e, em média, a velocidade entre os ensaios para estimar a sua auto-selecionado ritmo de passeio.
3. Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho (fNIRS) Setup
NOTA: Este pode ser concluído em simultâneo com a instalação do EMG e motion capture, se houver experimentadores suficientes ou pessoal de investigação para ajudar, e se o participante é confortável com várias pessoas estarem próximos a eles ao mesmo tempo.
- Medir a distância entre o násio (Nz) e ínion (Iz), e entre os pontos pré-auricular na (Al) OD (Ar) e. A intersecção do ponto médio das duas medidas é Cz, o qual está marcado sobre o couro cabeludo com um marcador lavável.
- Se o participante tem cabelo comprido, seção off pequenas porções do cabelo com tranças ou rabos de cavalo, a fim de expor o couro cabeludo onde optodes será colocado.
- Coloque as fNIRS sondar sobre tele cabeça do participante, tendo o cuidado de alinhar com Cz, Ar. Em seguida, mova o cabelo longe do âmbito de cada optode como este é colocado no couro cabeludo. Por último, coloque tiras de velcro para prender firmemente os optodes no lugar.
NOTA: Neste protocolo, use um boné que tem uma alça que vai atrás da cabeça, um que vai através da testa, e que passa por baixo do queixo. Optodes são ancoradas a este tampão com velcro em um anel de plástico flexível que circunda a orelha.- Se o participante tem o cabelo curto (menos de cerca de 2 centímetros de comprimento), puxe o cabelo entre optodes com uma vara fina pequeno ou final de plástico de um pente.
- Verificar se todos os cabos são optode deitado, e que são optodes aproximadamente perpendicular à superfície do couro cabeludo.
- Se necessário, coloque um pequeno pedaço de espuma sob o grupo de cabos optode para promover o alinhamento perpendicular das optodes.
- Verifique com o participante sobre o conforto das sondas, eajustar, se necessário. Instruí-los para contar os experimentadores se o seu conforto diminui em qualquer momento durante o experimento.
- Ligue fontes e verificar os sinais.
- Neste sistema, garantir um sinal que tem uma intensidade de, pelo menos, 80 dB e uma pulsação claramente visível na deltaOD (mudança de densidade óptica) de sinal, em ambos os comprimentos de onda de 690 e 830 nm. Quando os canais têm sinais que não cumpram estes critérios, confirmar que o cabelo não está bloqueando o optode (s) e depois ajustar os ganhos detector conforme necessário para maximizar a intensidade do sinal. Certifique-se de que as câmeras de captura de movimento estão desligados durante este tempo.
NOTA: Outras máquinas fNIRS pode operar em comprimentos de onda diferentes para 690 e 830 nm; neste caso, verificar os comprimentos de onda mais adequados para a máquina a ser utilizada.
- Neste sistema, garantir um sinal que tem uma intensidade de, pelo menos, 80 dB e uma pulsação claramente visível na deltaOD (mudança de densidade óptica) de sinal, em ambos os comprimentos de onda de 690 e 830 nm. Quando os canais têm sinais que não cumpram estes critérios, confirmar que o cabelo não está bloqueando o optode (s) e depois ajustar os ganhos detector conforme necessário para maximizar a intensidade do sinal. Certifique-se de que as câmeras de captura de movimento estão desligados durante este tempo.
- Adicionar marcadores reflexivos para Nz, Iz, Ar, e Al. Pergunte ao participante para prender ainda e recolher cerca de 2 segundos de dados de captura de movimento para estes e os marcadores fNIRS optode. Verifique setodos os marcadores foram registrados, e recolher ensaios adicionais, conforme necessário. Ela pode exigir que o participante para mudar a posição da cabeça para melhorar a linha de visão entre as câmeras e os marcadores. Use esses recolhidos três locais dimensionais durante a análise para registro probabilística de ressonância magnética estrutural individual de um participante, se estiver disponível.
- Adicionar uma cobertura com várias camadas de feltro preto ou outro material opticamente absorvente em cima dos optodes fNIRS para proteger detectores de interferência ou a saturação das câmeras de captura de movimento. Certifique-se de que os cabos e o painel frontal da unidade fNIRS são também bem blindado usando o mesmo material opticamente absorvente.
A eletromiografia (EMG) Setup 4. Superfície
- Localize o ventre muscular de cada músculo alvo usando marcos anatômicos, palpação durante a contração muscular, e colocação de eletrodos orienta 11.
NOTA: Os músculos alvo neste protocolo incluem bilgastrocnêmio medial ateral, tibial anterior, reto femoral, vasto lateral, bíceps femoral, extensor radial do carpo e flexor radial do carpo. - Prepare-se para a colocação do eletrodo EMG sobre o ventre muscular pelo barbear, removendo as células mortas da pele com fita adesiva, e, em seguida, limpar com uma compressa embebida em álcool isopropílico, como recomendado pelo SENIAM 12 e esperar para a pele para secar.
- Coloque eléctrodo EMG orientado para a direcção das fibras musculares.
- Enrole firmemente com um envoltório aderente self.
- Verifique sinais musculares no computador enquanto a realização de testes de força muscular para assegurar a colocação adequada do eletrodo, e clara visualização de mudança de sinal quando o músculo está ativo.
5. Proposta de configuração de captação
- Coloque marcadores reflexivos em marcos conjuntas. Estes incluem medial e do maléolo lateral, medial e articulação do joelho lateral, anterior superior espinha ilíaca (ASIS), ilíaca superior posterior da coluna (PSIS), estilóide radial, syloid ulnar, medial epicondyl humeral, e epicondyl humeral lateral.
- Coloque 3 ou mais marcadores, ou um cluster de corpo rígido de marcadores, em cada segmento de interesse, incluindo o pé, pernil, coxa, mão e antebraço.
- Recolha de aproximadamente 2 segundos de dados de captura de movimento, enquanto o participante ainda está de pé em uma posição padronizada, como está com os braços a 90 ° de flexão de ombro e 90 ° de flexão do cotovelo. Assegurar que todos os marcadores são claramente visíveis para as câmeras.
6. Gait Task
- Já a transferência participante para a esteira. Ajudá-los, apoiando os cabos fNIRS optode e fixe os cabos ao apoio teto depois que o paciente está em posição. Se o paciente é de alto risco para quedas, use um cinto de suporte de peso corporal para a segurança durante esta tarefa.
- Comece a esteira, construindo lentamente até a auto selecionado velocidade de caminhada medida para obter o participante confortável com as condições estabelecidas. Então lento até pararnovamente.
- Configure o arquivo de animação com o feedback auditivo que irá sinalizar que o participante quer descansar ou se mover. Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de "descanso" e para andar na velocidade conjunto da esteira durante o período de "tarefa", ao focalizar a sua atenção para o pequeno círculo preto na tela para a duração de aquisição de dados.
- Apague as luzes, e começar a aquisição de dados no computador de captura de movimento e o computador fNIRS. Comece a gravação na câmera de vídeo.
- Usando o gatilho do mouse, clique no botão de reprodução do arquivo de animação associado a esta tarefa. Certifique-se de que o gatilho foi recebido tanto pela captura de movimento e os sistemas de NIRS.
- Mudar para uma imagem de um ponto preto localizado na linha do participante de visão, de modo que eles têm um ponto de focagem para a duração do ensaio.
NOTA: O esquema geral para cadaexperimentação é mostrado na Figura 2.
- Mudar para uma imagem de um ponto preto localizado na linha do participante de visão, de modo que eles têm um ponto de focagem para a duração do ensaio.
- Monitorar o desempenho do participante e fornecer feedback sobre a velocidade, ou movimentos voluntários externos quando necessário.
- No final da animação de instrução, parar a gravação sobre a captura de movimento, EMG, e sistemas fNIRS, bem como a câmara de vídeo. Dê ao participante a oportunidade de descansar ou trocar de posição, se necessário.
7. Bilateral Lower Extremity Ciclismo Task
- Já a transição participante para um plinto com volta móveis e apoio para as pernas, tendo o cuidado de apoiar os cabos fNIRS optode e para não bater ou desalojar os marcadores de captura de movimento ou eletrodos EMG. Tenha um assento almofada de espuma para melhorar o conforto durante o experimento.
- Levante o quadro da bicicleta para a posição e fixá-lo ao pedestal com uma cinta.
- Fixar os pés nos pedais e ajustar a posição do ciclo, conforme necessário para promover uma distância confortável e natural aos pedais. Emo ponto mais distante do ciclo, manter o seu joelho em aproximadamente 10 ° de flexão.
NOTA: Neste ponto, o participante estará numa posição semi-deitada, que proporciona algum suporte do tronco e facilita o relaxamento durante o período de repouso. - Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de "descanso" e para o ciclo de aproximadamente 60 rpm durante o período de "missão".
- Repita os passos de 6,4-6,7. Em vez de mudar para uma imagem de um ponto, projeto da animação dos desenhos animados que vai sinalizar que o participante quer descansar ou se mover através de feedback visual e auditiva. Maximizar a janela do filme de modo que o participante não é capaz de monitorar o tempo que passou ou que resta, no ensaio actual.
8. Mão que espreme Task
- Depois de retirar os pés do ciclo e do próprio ciclo, colocar uma tabela cama em frente do participante, fazendog certeza de que os braços do participante são suportadas na mesa em uma posição confortável.
- Instrua participante para espremer um objeto macio aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de "missão", e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de "descanso".
- Repita o passo 7.5.
9. Ankle Dorsiflexão Task
- Remover a tabela de cama, e aumentar a porção pé resto do plinto para trazer os pés à vista do participante.
- Remover sapato ea meia do participante, e substituir marcadores pé em posições adequadas. Apoiar o bezerro apenas acima de sua articulação do tornozelo com uma almofada de espuma para permitir tornozelo movimento articular.
- Instrua o participante a dorsiflex seu tornozelo aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de "missão", e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de "descanso".
- Repita o passo 7.5.
10. Conclusão do Protocol
- Retire a tampa e inspecionar pele para áreas de pressão ou vermelhidão.
- Remova todos os marcadores refletivos e unidades de EMG.
- Obrigado o participante para o seu tempo e convidar os seus contributos sobre a experiência subjetiva do protocolo. Isso pode ser um questionário formais (como o usado por Garvey e colegas para a estimulação magnética transcraniana 13), ou uma discussão informal para identificar fontes comuns de desconforto que podem ser melhorados no futuro.
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Representative Results
Este protocolo coordena aquisição simultânea de três modalidades para capturar o fluxo de sangue do cérebro, a atividade elétrica muscular e cinemática do movimento das articulações, enquanto um participante executa tarefas motoras (Figura 1).
Figura 1. Localização da Sonda. A parte esquerda desta figura mostra as localizações aproximadas das áreas sensoriais (em azul, áreas de Brodmann 1,2,3), a área motora primária (em verde, área de Brodmann 4), e na área do pré-motora (em laranja, área de Brodmann 6). A parte direita da figura foi gerada usando AtlasViewerGUI (disponível para download de código aberto do MGH Optics Division 15) e suas funções associadas. Em breve, este design sonda foi registada para a superfície do Colin47 Atlas usando o arranjo espacial das fontes, detectores, e anatomarcos Mical (fontes são representadas por círculos e detectores por círculos azuis vermelhas). A migração fóton modelo para a frente Monte Carlo foi executado para o lançamento de 1 x 10 8 fótons de luz através dos materiais da pele, crânio e cérebro, com os perfis de sensibilidade para todos os pares fonte-detector são projetadas para a superfície do córtex e todos exibidos simultaneamente nesta figura. O mapa de cor na superfície do cérebro representa a sensibilidade cortical da sonda; em outras palavras, o número de fótons que atingem o simulados giros e sulcos localizado sob as fontes e detectores (cores mais quentes indicam mais fótons do que cores mais frias, com um intervalo de duas ordens de magnitude em escala log 10).
mostra um exemplo de arranjo de fonte-detector utilizado neste protocolo, e como ela está relacionada a estruturas neuroanatômicas subjacentes sobre um atlas do cérebro. Figura 2 descreve o delineamento de blocos utilizados no presente protocolo, bem como capturas de telados vídeos de instrução. As tarefas são realizadas em um delineamento em blocos, com oito blocos de tarefas de 15 segundos intercalados com comprimento aleatório períodos de descanso de 20 - 30 sec. Animais dos desenhos animados foram escolhidos especificamente para ser não humano como para não envolver o sistema de neurônios-espelho 11, e pistas de áudio foram mostrados para melhorar o desempenho de tarefas em outros experimentos em blocos 10. A tarefa de marcha tinha apenas um sinal sonoro, e os participantes foram convidados a se concentrar em um pequeno círculo preto projetada em uma tela na frente deles.
Figura 2. Esquema de cada julgamento. A coleta de dados para cada tipo de tarefa dura cerca de 6 min. Há períodos de descanso variável (que varia entre 20 e 30 segundos de duração), com 15 blocos seg de actividade (marcha, ciclismo, flexão dorsal, ou apertar). Vídeos instrucionais foram criadoscom pistas visuais e auditivas para o participante para descansar ou se mover. As imagens pinguim são tomadas a partir de um dos vídeos de instrução apresentados para o paciente. Ele permanece no chão durante os períodos de descanso, e salta no ar uma vez por segundo durante os períodos das tarefas. Há também música fornecido para cada condição, um jogo música relaxante durante o repouso e uma melodia com um forte ritmo de 60 bpm durante os blocos de tarefas.
A Figura 3 é um exemplo dos sinais ópticos registadas durante a execução da tarefa. Os dados são automaticamente salvos em um arquivo com uma extensão .nirs * e, posteriormente, transferido do computador de aquisição de dados para posterior processamento. A Figura 4 mostra um exemplo do modelo do esqueleto reconstruído, juntamente com o ângulo da articulação e medidas de EMG para uma tarefa de dorsiflexão do tornozelo. O modelo esquelético e ângulos articulares são criados e calculada usando pacotes de software Nexus e Visual3D. Estes dados, assim como o EMG não foram processadas, e coULD conter artefatos de movimento ou outro ruído que poderiam se beneficiar de técnicas de filtragem.
Há uma grande variedade de técnicas de análise e pacotes de software disponíveis para interpretar os dados coletados. Um exemplo é a conclusão de reconstrução de imagem fNIRS usando um pacote de software de código aberto chamado Homer 14. Um exemplo de mapa criado é mostrado na Figura 5 para demonstrar o tipo de informação de activação que pode ser interpretado a partir dos sinais de densidade óptica obtidos.
Figura 3. Exemplo de gravações de densidade óptica. Esta tela é a partir do software de aquisição de dados de um tipo de máquina fNIRS. Ele inclui informações sobre os fNIRS sondar arranjo (canto superior direito), capacidade de transformar fontes de laser individuais on e off (inferior esquerdo), e Options para modificar o ganho de cada dectector (parte inferior central). Na janela de visualização de dados (superior esquerdo), a linha de rosa vertical representa o início de um bloco de actividade. Cores dos traços correspondem às cores dos canais mostrados na disposição da sonda à direita. Note-se que todos os sinais são acima de 80 dB, e o ritmo cardíaco é claramente visível, mesmo no sinal de intensidade de luz.
Figura 4. Exemplo de reconstrução do esqueleto, ângulos articulares e EMG para uma tarefa dorsiflexion esquerda. O período de tarefa durante o período representado começa em cerca de 4,5 segundos, e continua até 19,5 seg. Neste indivíduo tipicamente em desenvolvimento (13 anos de idade), há um movimento muito limitado exceptuando o tornozelo esquerdo alvo articulações. Além disso, outros daquele que assegura o movimento músculos (tibial anterior) umare geralmente em repouso durante a tarefa, bem como os períodos de descanso. TA = tibial anterior; MG = gastrocnêmio medial; Femoral RF = reto; VL = vasto lateral; MH = isquiotibiais medial.
Figura 5. Exemplo de fNIRS mapa de ativação durante uma tarefa de apertar a mão direita. A caixa azul na parte superior do cérebro delineia a área aproximada amostrados por este projeto da sonda (ver também Figura 1). Este participante tinha 13 anos, e teve um perímetro cefálico de 56 cm). A parte direita da figura mostra a resposta média hemoglobina oxigenada (HBO) durante o período de 5 - 10 seg após o início dos movimentos de um adolescente com desenvolvimento típico apertar uma bola com a mão direita. Estes dados nesta figura são gerados a partir de Homer 14, e, em seguida, avaliadas por meio de um modelo linear geral. A cor azuls não representam a ativação, enquanto as regiões áreas de indicação vermelho de aumento HbO durante os períodos das tarefas. Este é um método de análise e visualização que os pesquisadores utilizam para identificar as áreas de maiores mudanças no fluxo de sangue oxigenado e / ou pobre em oxigênio.
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Discussion
Coleta simultânea de atividade cerebral a partir de áreas específicas do córtex e dados quantitativos sobre a forma como a pessoa está se movendo apresenta um enorme potencial para melhorar a nossa compreensão do controle neural do movimento, tanto em uma população com desenvolvimento normal, bem como aqueles com distúrbios do movimento. Há também uma ampla aplicação em termos de idades e tarefas de movimento que poderiam ser concluídas, como os participantes não são restritos a uma posição supina como seriam para uma ressonância magnética funcional. Os itens de equipamento específicos não estão limitados a aqueles sugeridos na lista de materiais - existem vários sistemas de captura de movimento e de movimento de quantificação, sistemas de EMG e sistemas fNIRS disponíveis no mercado, e que pudessem ser usados em lugar de os aqui propostos. Além disso, se um sistema de captura de movimento escolhido não tem volume suficiente de medição para localizar marcadores, tanto sobre o corpo e a tecnologia de cabeça ou não-óptico é usado, um sistema de acompanhamento posição 3-Dstylus pode ser usado em vez de localizar os optodes com relação a marcos anatômicos em um sistema de coordenadas comum. Finalmente, se é possível coletar também dados fisiológicos, tais como freqüência cardíaca e pressão arterial, esta informação seria útil para informar a análise da HBO e HBR série temporal.
Todo o protocolo pode ser concluído em cerca de 2 horas, com quase metade desse tempo dedicado a configuração. Para os participantes do sexo masculino com cabelo curto, o tempo de preparação pode ser menor, porque é necessário menos tempo para preparar o cabelo. É importante para os investigadores a recrutar sem viés de todas as etnias e tipos de cabelo, e para relatar se há indivíduos onde os sinais úteis não poderiam ser obtidos 3. Dependendo da idade e da capacidade de concentração da pessoa que está sendo testado, tarefas adicionais ou blocos adicionais de coleta de dados pode ser facilmente adicionados. É importante notar, no entanto, algumas limitações da tecnologia fNIRS em seu estado atual. Apesar cpreparação e cuidados areful para reduzir a interferência de cabelo, pode haver alguns participantes, onde o teor de melanina da pele e os cabelos se opõe a recolha de sinais com a intensidade apropriada. Mesmo entre aqueles com intensidade suficiente, haverá variação na clareza da resposta observada hemodinâmica. Estas questões devem ser abordadas durante a análise de dados, com informações claras de como não-respondedores foram identificados e divulgação do número de participantes testados cujos dados não puderam ser utilizados 2-5.
Este protocolo em particular podem ser adaptados em um número de maneiras para aplicação a questões específicas de pesquisa. A orientação das fontes e dos detectores tem infinitas possibilidades em termos de locais e arranjos, que fornecem a flexibilidade para experimentar outras áreas do córtex, criar um teste mais denso com sobreposição canal adicional, a fim de facilitar uma maior resolução, ou um arranjo mais escasso para cobrir áreas maiores dosuperfície cortical. A resolução espacial global de fNIRS permanece mais baixa em comparação com fMRI, mas esta limitação pode ser compensada pela capacidade de usar fNIRS em um ambiente menos confinado para muitas aplicações de pesquisa, em especial quando se estuda tarefas de movimento. Além disso, qualquer número de motores, sensoriais ou tarefas de imagens poderia ser viável incorporado no projeto de blocos apresentado incluindo sequências mais complexas ou outros movimentos articulares único e simples. Em consideração das tarefas dos membros inferiores, no entanto, o pensamento deve ser dada para o local da representação distal extremidade inferior no homúnculo do motor, uma vez que não pode ser possível obter essa profunda com uma abordagem baseada em superfície, como fNIRS. Além disso, há estudos que também usam um paradigma relacionado a eventos 16,17, o que pode ser facilmente integrado alterando as animações e as instruções aos participantes. Estes paradigmas requerem um maior número de blocos de movimento, mas pode ser preenchido com menos de descanso entre so tempo total de aquisição de dados não pode diferir significativamente dos paradigmas bloco apresentados.
Dados cinemáticos e EMG pode ser usado em um número de maneiras. Qualitativamente, ele fornece uma confirmação útil que o participante estava completando uma tarefa como instruído. Particularmente nos casos em que os movimentos não são esperados como, devido à diminuição da atenção ou da presença de uma desordem de movimento, estes sinais podem ser muito valioso como métodos quantitativos de remoção de blocos de dados, ou como regressores em um modelo linear geral (MLG) da análise os dados, como mostrado por Hervey et ai. 18. Determinar coordenadas de fNIRS optodes e marcos anatômicos é necessário para co-registro para MRI estrutural individual de um participante. Co-registro de locais optode representa um passo importante no aumento da confiabilidade e relevância neuro-anatômica de fNIRS resultados, especialmente em populações com lesões cerebrais. Finalmente, pode-se considerar a adição derastreamento de movimento cabo como um passo adicional para explicar artefatos de movimento dentro dos dados gravados.
Lesões cerebrais com início na infância, como a paralisia cerebral são conhecidos por causar uma série de sintomas periféricos, tais como espasticidade, fraqueza muscular, e reduziu o controle motor seletivo 19. Técnicas de imagem cerebrais eletrofisiológicos ou passivos, tais como a estimulação magnética transcraniana 20,21 e tensor de difusão de imagem 22,23 têm demonstrado alterações na organização cortical. fMRI tem sido útil na detecção de diferenças na ativação em pequenos movimentos isolados 24-26, mas o acompanhamento do desempenho de tarefas pode ser um desafio no ambiente de ressonância magnética, e até mesmo pequeno movimento da cabeça pode causar grandes artefatos. Nesta população, em particular, complementar ou concorrente uso de modalidades de neuroimagem, como fNIRS ou eletroencefalografia (EEG) apresenta uma oportunidade para obter uma maior compreensão sobre a origem subjacentede problemas de movimento, e uma ferramenta adicional para monitoramento do progresso relacionadas a intervenções motoras.
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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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