Abstract
Det finns flera fördelar som funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) presenterar i studien av neurala kontrollen av mänsklig rörelse. Det är relativt flexibel med avseende på deltagare positionering och möjliggör vissa huvudrörelser under arbetsuppgifter. Dessutom är det billigt, lätt vikt, och portabel, med mycket få kontraindikationer för dess användning. Detta innebär en unik möjlighet att studera funktionell hjärnaktivitet under motor uppgifter på personer som typiskt utvecklade, liksom de med rörelsestörningar, såsom cerebral pares. En tilläggsköpeskilling vid studier rörelsestörningar är dock kvaliteten på de faktiska rörelser utförda och potentialen för ytterligare, oavsiktliga rörelser. Därför krävs samtidig övervakning av både blodflödet förändringar i hjärnan och faktiska kroppsrörelser under testning för lämplig tolkning av fNIRS resultat. Här visar vi ett protokoll för kombinationen av fNIRS medmuskler och kinematisk övervakning under motoruppgifter. Vi utforskar gång, en ensidig fler gemensam rörelse (cykling), och två ensidiga enda gemensamma rörelser (isolerad fotled dorsalflexion och isolerade handen pressning). De tekniker som presenteras kan vara användbart för att studera både typisk och atypisk motorstyrning, och kan modifieras för att undersöka ett brett spektrum av arbetsuppgifter och vetenskapliga frågor.
Introduction
Neural avbildning under funktionella uppgifter har blivit mer portabel och kostnadseffektiv användning av icke-invasiv funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) att identifiera områden med hjärnaktivitet genom att mäta blodflödesdynamik på cortex. Att överföra fNIRS är särskilt användbar i studiet av upprätt och funktionella uppgifter såsom gång 1, vilket inte är möjligt med andra tekniker såsom funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Denna förmåga är avgörande inom neurologi och neurovetenskap, och kan ge nya insikter i mekanismerna bakom rörelsestörningar hos barn och vuxna med cerebral pares (CP) och andra neurologiska tillstånd som påverkar motorstyrning. Förstå mekanismer förbättrar förmågan att utforma effektiva interventioner för att rikta källan till nedskrivningar och aktivitetsbegränsningar.
Många fNIRS studier av motoriska uppgifter hittills har varit med en frisk population av vuxna där en delicipants instrueras att utföra en viss uppgift och övervakning av uppgiften prestanda är begränsad till visuell inspektion. Detta kan vara tillräckligt för dem med typiska rörelser och ett stort engagemang, men är inte acceptabelt när man studerar deltagarna med rörelsestörningar eller de som har svårt att sköta en uppgift för en längre tid, även normalutvecklade barn. För att informera analysen av hjärnaktivering i dessa fall, erfordras samtidig övervakning av motormönster som faktiskt är avslutad.
Omfattande recensioner av fNIRS system och sedvänjor har presenterats i litteraturen 2-5 som vägleder användning och bidra till att visa noggrannhet och känslighet i dessa system, men tekniska problem i det insamling, bearbetning och tolkning av fNIRS uppgifter fortfarande. Färg och tjocklek av hår påverkar kvaliteten hos den optiska signalen, med mörkt tjockt hår mest sannolikt att blockera eller förvränga optisk Utsändssion 3,6. Detta är särskilt relevant när man studerar de sensomotoriska områden som ligger på överdelen av huvudet där hårsäcken tätheten är störst, och vissa studier rapporterar icke-responders 6,7. Den väletablerade International 10/20 systemet kan användas för placering av optodes, men särskilt när det gäller personer med atypiska hjärnans anatomi, co-registrering av optode plats till en deltagares anatomiska MRT är mycket användbart om inte nödvändigt att exakt tolka resultat.
Användningen av fNIRS att bedöma hjärnaktivering i barndomen debut hjärnskada är ganska nyligen, men få dragkraft inom ensidiga cerebral pares 6,8,9. Med hänsyn till de ovannämnda utmaningarna, kombinerar detta protokoll fNIRS, motion capture, och elektromyografisk (EMG) övervakning under ett antal uppgifter, inklusive enkla enda gemensamma uppgifter samt mer komplexa fullkroppsrörelser. Visuella och auditiva vägledning ossed att förbättra uppmärksamhet och uppgift prestanda över flera åldrar deltagare. Målet med protokollet är att identifiera skillnader i hjärnaktiveringsmönster hos personer med unilateral och bilateral barndom debut hjärnskada jämfört med dem som vanligtvis utvecklas. Vi utforskar en full kroppsrörelse (gång), ett bilateralt nedre extremitet fler gemensam rörelse (cykling), och två ensidiga enda gemensamma rörelser (isolerad fotled dorsalflexion, och isolerade handen klämma) för att illustrera olika tillämpningar av metoderna. Samma eller en mycket liknande protokoll kan användas för att studera andra sensoriska eller rörelserubbningar eller andra uppgifter av intresse.
Kontinuerlig våg nära infrarött ljus som avges och detekteras vid 690 nm och 830 nm över sensomotoriska cortex använder fNIRS systemet med en hastighet av 50 Hz, med hjälp av en specialdesignad källa-detektor konfiguration. EMG uppgifterna samlades in trådlöst med en frekvens på 1000 Hz. Reflekterande markör 3-D platser varsamlas in av ett optiskt motion capture-system med en hastighet av 100 Hz. Två olika datorer hanteras datainsamling, en för fNIRS och en annan för motion capture och EMG. Data samlades synkroniseras med hjälp av en triggpuls från en tredje dator som motsvarar en musknapp tryck för att starta instruktions animation för varje uppgift. För alla uppgifter utom gång, var instruktions animationer utformade för att standardisera deltagaren prestanda när du använder visuella ledning av takten i en uppgift (1 Hz), företrädd av en tecknad djur hoppning eller sparkar, samt en auditiv kö.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: Detta protokoll godkändes av Institutional Review Board för National Institutes of Health (ClinicalTrials.gov identifierare: NCT01829724). Alla deltagare ges möjlighet att ställa frågor och ge informerat samtycke innan de deltar. Med hänsyn till ändringar i hemodynamiska svaret orsakats av nyligen genomförd behandling med vasodilaterare och kärlsammandragande, är deltagarna uppmanas att avstå från alkohol och koffein under 24 h före försöket 3 .Dessa animation filmer var skräddarsydd i vårt laboratorium, men kunde registreras med andra ljud eller bilder som är specifika för alternativa forskningsfrågor.
1. Ställ upp rummet Före deltagarens ankomst.
- Kalibrera motion capture-kameror i förhållande till en laboratoriets koordinater enligt motion capture tillverkarens specifik process. Se till att kamerapositioner kommer att tillåta registrering av alla markörer på både kroppenoch chef för deltagare under de uppgifter som kommer att testas. Kalibreringen säkerställer noggrannheten i motion capture-systemet och är praxis för någon rörelse laboratorium. Använd en tio kamerasystem, med en ungefärlig volym på 17 m 3, där reflekterande markörer kunde identifieras på ett tillförlitligt sätt.
- Anslut trigger från instruktions datorn till motion capture och fNIRS datorers BNC ingångar. Se till att avtryckaren är förbunden med en musknapp, och klicka med musen sluter kretsen och sänder en puls samtidigt till motion capture / EMG dataupptagningskortet och till fNIRS dataupptagningskortet som Aux analoga ingångar.
- Anslut denna mus via USB-porten till datorn som kör instruktions animation filmer, så att starta videon kommer att orsaka en spänningsförändring samtidigt på båda datainsamlingssystem.
OBS: EMG-signaler automatiskt synkroniseras och sparas av motion capture program, så Additbehövs inte ional synkronisering av EMG-systemet. - Ställ in skärmen och projektorn för instruktioner som ska visas för deltagaren. Ta bort alla onödiga saker som kan vara distraktorerna. Placera stativet och digital videokamera där de kommer att ha full utsikt över deltagarens rörelser.
- Kontrollera att reflekterande markörer är ordentligt fäst på toppen av varje optode i sonden.
- Montera alla nödvändiga dokument: samtycke och samtyckes kopior, kliniska undersöknings lakan och experimentella anteckningsblad, till exempel.
2. Grundläggande åtgärder
- Efter genomgången informerat samtycke processen, mäta och registrera deltagarens längd, vikt, ålder, och huvudomfång.
- Administrera Edinburgh handedness Inventory 10 och andra kliniska undersökningar som anges. Record deltagare rapporterade hår och hudtyper.
- Placera reflekterande markörer på de bakre överlägsna iliaca spines (PSIS) bilateralt. Har deltagaren promenad i sin bekväma tempo över lab 3 - 5 gånger, och i genomsnitt hastigheten i studierna för att uppskatta deras själv valt promenadtakt.
3. Funktions nära infraröd spektroskopi (fNIRS) Setup
OBS: Detta kan genomföras samtidigt med installationen av EMG och motion capture, om det finns tillräckligt praktiker eller forskare för att hjälpa, och om deltagaren är bekväm med flera personer att vara nära dem samtidigt.
- Mät avståndet mellan nasion (Nz) och Inion (Iz), och mellan de förut auricular punkter på höger (Ar) och vänster (Al) öron. Skärningspunkten mellan mittpunkten av dessa två åtgärder är Cz, vilket markeras på hårbotten med hjälp av en tvättbart markör.
- Om deltagaren har långt hår, avsnittet bort små delar av håret med hjälp av flätor eller hästsvansar för att exponera hårbotten där optodes kommer att placeras.
- Placera fNIRS sond på tHan deltagarens huvud, noga med att anpassa med Cz, Ar. Flytta sedan håret ifrån under varje optode som det placerade den i hårbotten. Slutligen, fäst kardborrband för att säkert hålla optodes på plats.
OBS: I detta protokoll använder en kåpa som har en rem som går bakom huvudet, ett som går över pannan, och en som går under hakan. Optodes är förankrade till denna keps med kardborreband på en flexibel plastring som omsluter örat.- Om deltagaren har kort hår (mindre än ca 2 inches i längd), dra ut håret mellan optodes med en liten tunn pinne eller plast änden av en kam.
- Kontrollera att alla optode kablar ligger platt, och att optodes är approximativt vinkelrätt mot ytan av hårbotten.
- Om det behövs, placera en tunn bit skum under grupp optode kablar för att främja vinkelrät inriktning av optodes.
- Kontrollera med deltagaren om komfort av sonderna, ochjustera vid behov. Instruera dem att berätta experimentatorerna om deras komfort minskar när som helst under experimentet.
- Slå på källor och kontrollera signalerna.
- I detta system, se till en signal som har en intensitet av minst 80 dB och ett hjärtslag klart synliga på deltaOD (förändringen i optisk täthet) signalen, vid både 690 och 830 nm våglängder. När kanalerna har signaler som inte uppfyller dessa kriterier, bekräfta att håret inte blockerar optode (s) och sedan justera detektorvinster som behövs för att maximera signalstyrkan. Se till att motion capture kameror är under denna tid.
OBS: Andra fNIRS maskiner kan arbeta vid våglängder olika till 690 och 830 nm; i det här fallet, kontrollera våglängder mest lämpliga till maskinen används.
- I detta system, se till en signal som har en intensitet av minst 80 dB och ett hjärtslag klart synliga på deltaOD (förändringen i optisk täthet) signalen, vid både 690 och 830 nm våglängder. När kanalerna har signaler som inte uppfyller dessa kriterier, bekräfta att håret inte blockerar optode (s) och sedan justera detektorvinster som behövs för att maximera signalstyrkan. Se till att motion capture kameror är under denna tid.
- Lägg reflekterande markörer till Nz, Iz, Ar, och Al. Be deltagaren att hålla stilla och samla ca 2 sek av motion capture data för dessa och fNIRS optode markörer. Verifiera attalla markörer har registrerats, och samla in ytterligare studier som behövs. Det kan kräva deltagaren att ändra huvudets position för att förbättra siktlinje mellan kamerorna och markörerna. Använd dessa insamlade tredimensionella platser under analysen för probabilistiska registrering av en deltagares individuella strukturella MRI om det finns.
- Lägg ett lock med flera lager av svart filt eller annat optiskt absorberande material ovanpå de fNIRS optodes att skydda detektorer från störningar eller mättnad från motion capture-kameror. Kontrollera att kablarna och frontpanel fNIRS enheten också väl är avskärmade använder samma optiskt absorberande material.
4. Surface Elektromyografi (EMG) Setup
- Leta muskeln magen varje målinriktad muskel använder anatomiska landmärken, palpation under muskelkontraktion, och elektrodplacering guider 11.
OBS: Musklerna riktade i detta protokoll inkluderar bilateral mediala gastrocnemius, tibialis anterior, rectus femoris, vastus lateralis, biceps femoris, extensor carpi radialis och flexor carpi radialis. - Förbered för EMG elektrodplacering över muskeln magen genom rakning, ta bort döda hudceller med tejp, och därefter rengöring med en isopropylalkohol, som rekommenderas av SENIAM 12 och vänta på huden torka.
- Placera EMG elektrod orienterad mot riktningen för muskelfibrerna.
- Wrap tätt med en själv vidhäftande wrap.
- Kontrollera muskelsignaler på datorn medan du utför manuell muskeltestning för att säkerställa korrekt elektrodplacering, och tydlig visualisering av signalförändringar när muskeln är aktiv.
5. Motion Capture Setup
- Placera reflekterande markörer vid gemensamma landmärken. Dessa inkluderar mediala och laterala fotknölen, mediala och laterala knäled, anterior superior iliaca ryggraden (ASIS), bakre superior iliaca ryggraden (PSIS), radial styloid, ulnar Syloid, medial humeral epicondyl, och lateral humeral epicondyl.
- Placera 3 eller fler markörer, eller en stel kropp kluster av markörer, på varje segment av intresse, inklusive fot, lägg, lår, hand och underarm.
- Samla ca 2 sek av motion capture data medan deltagaren står stilla på ett standardiserat ställning, till exempel står med armarna vid 90 ° skuldra böjning och 90 ° vinkel böjning. Se till att alla markörer är klart synlig för kamerorna.
6. Gait Task
- Har deltagaren överföring till löpbandet. Hjälpa dem genom att stödja fNIRS optode kablar och sedan fästa kablarna i taket stöd efter det att patienten är i position. Om patienten är hög risk för fall, använd en kroppsvikt stöd sele för säkerheten under denna uppgift.
- Starta löpbandet, långsamt bygga upp till den uppmätta själv valda gånghastighet för att få deltagaren bekväm med de inrätta villkor. Sedan långsamt till ett stoppigen.
- Ställ upp animeringen fil med hörsel återkoppling som kommer cue deltagaren att antingen vila eller flytta. Recension uppgift instruktioner med deltagaren, berättar dem att stanna kvar så stilla och avslappnad som möjligt under "vila" perioder och att gå på löpbandet: s inställda hastigheten under "uppgift" period, samtidigt som fokuserar sin uppmärksamhet på den lilla svarta cirkeln på skärmen för varaktigheten av datainsamling.
- Dämpa belysningen, och börja datainsamling på motion capture datorn och fNIRS datorn. Börja inspelning på videokameran.
- Använda musen trigger, klicka på play-knappen på animeringsfilen associerad med denna uppgift. Se till att avtryckaren togs emot av både motion capture och NIRS systemen.
- Växla till en bild av en svart prick placerad i deltagarens siktlinje, så att de har en fokuspunkt för varaktigheten av försöket.
OBS: Den översikt schema för varjeprov visas i figur 2.
- Växla till en bild av en svart prick placerad i deltagarens siktlinje, så att de har en fokuspunkt för varaktigheten av försöket.
- Övervaka deltagaren prestanda och ge feedback om hastighet, eller ovidkommande frivilliga rörelser som behövs.
- I slutet av den instruktions animation, stoppa inspelningen på motion capture, EMG, och fNIRS system, samt videokameran. Ge deltagaren en möjlighet att vila eller skifta positioner efter behov.
7. Bilateral Nedre extremitet Cykling Task
- Har deltagaren övergången till en sockel med rörlig rygg och benstöd, var noga med att stödja de fNIRS optode kablar och inte stöta eller rubba de motion capture markörer eller EMG elektroder. Ha en sittdyna skum för att förbättra komforten under experimentet.
- Lyft cykeln ramen på plats och fäst den sockeln med en rem.
- Fäst fötterna i pedalerna och justera positionen av cykeln efter behov för att främja en bekväm och naturlig avståndet till pedalerna. Vidlängst punkt i cykeln, behålla sitt knä i ca 10 ° flexion.
OBS: Vid denna punkt, kommer deltagaren att vara i en halvliggande ställning, vilket ger viss bålstöd och underlättar avkoppling under viloperioden. - Recension uppgift instruktioner med deltagaren, berättar dem att stanna kvar så stilla och avslappnad som möjligt under "vila" perioder och att cykla vid ca 60 rpm under "uppgift" period.
- Upprepa steg 6,4-6,7. Istället för att byta till en bild av en prick, projekt den tecknade animationen som kommer cue deltagaren att antingen vila eller röra sig genom visuell och auditiv återkoppling. Maximera filmfönstret så att deltagaren inte möjlighet att övervaka den tid som har gått, eller är kvar i den pågående rättegången.
8. Hand Klämma Task
- Efter avlägsnande fötterna från cykeln och cykeln själv, placera en säng bord framför deltagaren, Making till att deltagarens armar stöds på bordet vid en bekväm ställning.
- Instruera deltagaren att trycka in en mjukt föremål ungefär en gång per sekund (1 Hz) under "uppgift" period, och förblir så avslappnad som möjligt under "vila" perioder.
- Upprepa steg 7.5.
9. Ankel Dorsal flexion Task
- Ta bort sängbordet, och höja fotstödet delen av sockeln för att sätta fötterna i deltagarens uppfattning.
- Ta deltagarens skon och strumpan, och ersätta fot markörer i lämpliga lägen. Stöd kalven strax ovanför deras fotleden med en skum pad för att tillåta fotleden rörelse.
- Instruera deltagaren att dorsiflex sin vrist ungefär en gång per sekund (1 Hz) under "uppgift" period, och förblir så avslappnad som möjligt under "vila" perioder.
- Upprepa steg 7.5.
10. Avslutande av Protokol
- Ta av locket och inspektera huden för områden med tryck eller rodnad.
- Ta bort alla reflekterande markörer och EMG-enheter.
- Tack deltagaren för sin tid och bjuda sina bidrag om den subjektiva upplevelsen av protokollet. Detta kan vara en formell frågeformulär (som används av Garvey och kolleger för transkraniell magnetisk stimulering 13), eller en informell diskussion för att identifiera gemensamma källor obehag som kan förbättras i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Detta protokoll samordnar samtidig förvärv av 3 modaliteter för att fånga hjärnans blodflöde, elektriska muskelaktivitet, och kinematisk rörelse i lederna medan en deltagare utför motoruppgifter (Figur 1).
Figur 1. Probe plats. Den vänstra delen av denna figur visar de ungefärliga placeringen av sensoriska områden (i blått, Brodmann områden 1,2,3), den primära motorområdet (i grönt, Brodmannarea 4), och premotoriska området (i orange, Brodmannarea 6). Den högra delen av denna siffra genererades med hjälp AtlasViewerGUI (tillgänglig för öppen källkod nedladdning från MGH Optics Division 15) och dess tillhörande funktioner. I korthet var detta prob utformning registrerad till ytan av Colin47 Atlas använder den rumsliga arrangemanget av källor, detektorer, och anatoMical landmärken (källor representeras av röda cirklar och detektorer av blå cirklar). A Monte Carlo fotonmigrering framtida modellen kördes för att lansera en x 10 8 fotoner av ljus genom materialen i hud, skalle, och hjärna, med de känslighetsprofiler för alla källa-detektorpar projiceras på ytan av cortex och alla visas samtidigt i denna figur. Färgen kartan på hjärnans yta representerar kortikala känslighet sonden; med andra ord antalet simulerade fotoner som når gyri och sulci sitter under källorna och detektorer (varmare färger indikerar fler fotoner än kallare färger, med en räckvidd på 2 tiopotenser på en stock 10 skala).
visar ett exempel på källdetektorarrangemang används i detta protokoll, och hur det är relaterat till underliggande neuroanatomiska strukturer på en hjärnatlas. Figur 2 beskriver blocket designen som används i detta protokoll, samt skärmdumparav instruktionsvideor. Uppgifter utförs i ett block design, med åtta 15 sek uppgift block varvat med slumpmässig längd viloperioder på 20 - 30 sek. Tecknad djuren särskilt utvalda för att vara icke människa som så att inte engagera spegelneuron systemet 11, och ljudsignaler har visat sig förbättra uppgiften prestanda i andra blocket designexperiment 10. Den gångart Uppgiften hade bara en auditiv kö, och deltagarna ombads att fokusera på en liten svart cirkel projiceras på en skärm framför sig.
Figur 2. Schematisk av varje prövning. Datainsamling för varje uppgift varar ca 6 min. Det finns perioder av variabla vila (mellan 20 och 30 sekunder i längd), med 15 sek block av aktivitet (gång, cykling, dorsalflexion, eller pressning). Instruktionsfilmer skapadesmed visuella och auditiva ledtrådar för deltagaren att vila eller flytta. De pingvinbilder är tagna från en av de instruktionsvideor som visas till patienten. Han blir kvar på marken under de viloperioder, och hoppar i luften 1 gång per sekund under uppgiftsperioder. Det finns också musik för varje tillstånd, en avkopplande melodi spelar under vila och en låt med en stark 60 bpm takt under uppgiften blocken.
Figur 3 är ett exempel på de optiska signalerna som registrerats under uppgiftsutförande. Data sparas automatiskt till en fil med en * .nirs förlängning och senare överföras från datainsamling dator för vidare bearbetning. Figur 4 visar ett exempel på den rekonstruerade skelett modellen, tillsammans med gemensam vinkel och EMG åtgärder för en fotled dorsalflexion uppgift. Skelett modell och ledvinklar skapas och beräknas med Nexus och Visual3D programpaket. Dessa uppgifter, liksom EMG har inte bearbetats, samt could innehåller rörelseartefakter eller andra störningar som kan dra nytta av filtreringstekniker.
Det finns ett brett utbud av analystekniker och programvarupaket tillgängliga att tolka de insamlade uppgifterna. Ett exempel är att slutföra fNIRS bildrekonstruktion med hjälp av en öppen källkod paket som kallas Homer 14. Ett exempel på kartan som skapats visas i figur 5 för att visa den typ av aktiveringsinformation som kan tolkas från de uppsamlade optiska signalerna densitet.
Figur 3. Exempel på optiska densitet inspelningar. Detta är skärmdump från datainsamling programvara för en typ av fNIRS maskin. Den innehåller information om fNIRS sond arrangemang (uppe till höger), förmåga att omvandla enskilda laserkällor på och av (nere till vänster), och options för modifiering förstärkningen av varje dectector (nedre mitten). I fönstret datavisualisering (överst till vänster), den vertikala rosa linjen representerar början på ett block av aktivitet. Färger av spåren motsvarar färgerna på kanalerna som visas i sondarrangemanget till höger. Observera att alla signaler är över 80 dB, och hjärtrytmen är klart synliga, även i Ijusintensitetssignalen.
Figur 4. Exempel skelettuppbyggnaden, ledvinklar och EMG för en vänster dorsalflexion uppgift. Uppgiften period under perioden representerade börjar vid ca 4,5 sek, och fortsätter fram till 19,5 sek. I detta normalt utvecklar individen (13 år gammal), det finns mycket begränsade rörelser på andra än den riktade vänster fotled lederna. Dessutom kan andra än den som ger rörelsen muskler (tibialis anterior) are generellt vilande under uppgiften samt viloperioder. TA = tibialis anterior; MG = medial gastrocnemius; RF = rectus femoris; VL = vastus lateralis; MH = mediala hamstrings.
Figur 5. Exempel på fNIRS aktiverings kartan under en högerhänt klämma uppgift. Den blå rutan på toppen av hjärnan beskriver den ungefärliga området samplas av denna sond utformning (se även figur 1). Denna deltagare var 13 år gammal, och hade en huvudomfång på 56 cm). Den högra delen av figuren visar den genomsnittliga syresatt hemoglobin (HbO) svar under perioden 5-10 sek efter rörelse uppkomsten av en typiskt utveckla ungdomars klämma en boll med sin högra hand. Dessa data i denna figur genereras från Homer 14, och utvärderades sedan med användning av en generell linjär modell. Den blå färgens representerar ingen aktivering, medan de röda områden indikationsområden med ökad HbO under uppgiftsperioder. Detta är en metod för analys och visualisering som forskare använder för att identifiera områden med större förändringar i syresatt och / eller deoxygenated blodflöde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samtidig samling av hjärnaktivitet från riktade områden i hjärnbarken och kvantitativa data om hur en person rör sig presenter enorm potential för att förbättra vår förståelse av det neurala kontroll av förflyttningar, både i en typisk utveckling befolkning samt de med rörelsestörningar. Det finns också ett brett program i termer av åldrar och uppgifter rörelse som skulle fyllas, eftersom deltagarna inte är begränsade till ryggläge som de skulle vara för en funktionell MRI. De specifika objekt utrustning är inte begränsade till dem som föreslås i listan material - det finns flera motion capture och rörelse kvantifiering system, EMG system samt fNIRS system som finns på marknaden, och de skulle kunna användas i stället för dem som föreslås här. Dessutom, om en vald motion capture system inte har tillräckliga volymer mätning att lokalisera markörer på både kroppen och huvudet eller icke-optisk teknik används, en 3-D-läget spårningpennan kan användas i stället för att lokalisera de optodes med avseende på anatomiska riktmärken i ett gemensamt koordinatsystem. Slutligen, om det är möjligt att ytterligare samla fysiologiska data såsom hjärtfrekvens och blodtryck, skulle denna information vara användbar för att informera analys av HBO och HBR tidsserier.
Hela protokollet kan fyllas i cirka 2 timmar, med nästan hälften av den tiden ägnas åt inställningar. För manliga deltagare med kort hår, kan installationstiden vara mindre eftersom det krävs mindre tid för att förbereda håret. Det är viktigt för utredarna att rekrytera utan bias från alla etniciteter och hårtyper, och att rapportera om det finns individer där nyttiga signaler inte kunde erhållas 3. Beroende på ålder och uppmärksam på den person som testas, kan ytterligare uppgifter eller ytterligare block av datainsamling enkelt läggas. Det är viktigt att notera dock vissa begränsningar av fNIRS teknik i dess nuvarande skick. Trots careful förberedelser och omsorg för att minska hår störningar, kan det finnas vissa deltagare där innehållet i deras hår och hud melanin utesluter samling av signaler med lämplig intensitet. Även bland de med tillräcklig styrka, kommer det att finnas variationer i klarheten hos den hemodynamiska respons som observeras. Dessa frågor måste behandlas under dataanalys, med tydlig redovisning av hur icke-responders identifierades och utlämnande av antalet deltagare testade vars uppgifter inte kunde användas 2-5.
Denna särskilda protokoll kan anpassas på ett antal olika sätt för ansökan till specifika forskningsfrågor. Orienteringen av källorna och detektorer har oändliga möjligheter när det gäller platser och arrangemang, som ger flexibilitet att prova andra områden i hjärnbarken, skapa en tätare sond med ytterligare kanal överlappning för att underlätta större upplösning, eller en mer gles arrangemang till täcka större områden avkortikala ytan. Det övergripande rumsliga upplösningen i fNIRS fortfarande lägre jämfört med fMRI, men denna begränsning kan uppvägas av förmågan att använda fNIRS i en mindre begränsad miljö för många forskningsansökningar, särskilt när man studerar uppgifter rörelse. Dessutom kan valfritt antal motoriska, sensoriska eller bildspråk arbetsuppgifter rimligen införlivas i presenterade blocket designen inklusive mer komplexa sekvenser eller andra enkla enstaka gemensamma rörelser. Med hänsyn till nedre extremiteterna arbetsuppgifter, dock tanken måste ges till platsen för den distala nedre extremiteten representation på motor homunculus som det kanske inte är möjligt att få det djup med en yta baserat tillvägagångssätt som fNIRS. Dessutom finns det studier som också använder en händelserelaterad paradigm 16,17, vilket lätt kan integreras genom att ändra animationer och instruktioner till deltagarna. Dessa paradigm kräver ett större antal rörelseblock, men de kan kompletteras med mindre vila mellan so den totala datainsamling tiden får inte avvika väsentligt från de presenterade blocket paradigm.
Kinematiska och EMG-data kan användas på flera olika sätt. Kvalitativt, ger det en nyttig bekräftelse på att deltagaren var slutföra en uppgift enligt anvisningarna. Särskilt i de fall där rörelserna inte som förväntat, på grund av minskad uppmärksamhet eller närvaron av en rörelsestörning, kan dessa signaler vara mycket värdefull som kvantitativa metoder för att avlägsna block av data, eller som regressorerna i en generell linjär modell (GLM) analys av data, vilket framgår av Hervey et al. 18. Bestämma koordinaterna för fNIRS optodes och anatomiska landmärken är nödvändig för co-registrering till en deltagares individuella strukturella MRI. Samtidig registrering av optode platser är ett viktigt steg för att öka tillförlitligheten och neuro anatomiska relevans fNIRS fynd, särskilt i befolkningar med hjärnskador. Slutligen kan man överväga att läggaspårning av kabelrörelsen som ett ytterligare steg för att redovisa rörelseartefakter inom de registrerade uppgifterna.
Barndoms debut hjärnskador såsom cerebral pares är kända för att orsaka ett antal perifera symtom som spasticitet, muskelsvaghet och minskad selektiv motorstyrning 19. Passiva elektrofysiologiska eller hjärnavbildningstekniker såsom transkraniell magnetisk stimulering 20,21 och diffusion tensor imaging 22,23 har visat förändringar i kortikala organisation. fMRI har varit användbart för att upptäcka skillnader i aktivering i små isolerade rörelser 24-26, men övervakningsuppgift prestanda kan vara en utmaning i MR-miljö, och även små rörelser av huvudet kan orsaka stora artefakter. I denna population i synnerhet kompletterande eller samtidig användning av neuroradiologiska metoder såsom fNIRS eller elektroencefalografi (EEG) innebär en möjlighet att få en större förståelse om den underliggande källanproblem rörelse, och ytterligare ett verktyg för att övervaka framstegen med anknytning till motor interventioner.
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).
