Abstract
Er zijn verschillende voordelen die functioneel nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) presenteert in de studie van de neurale controle van de menselijke beweging. Het is relatief flexibel met betrekking tot de deelnemer positionering en zorgt voor een zekere bewegingen hoofd tijdens taken. Bovendien is goedkoop, lichtgewicht en draagbaar, met zeer weinig contra-indicaties voor het gebruik ervan. Dit biedt een unieke gelegenheid om functionele hersenactiviteit bestuderen tijdens motorische taken bij personen die typisch ontwikkelen, evenals die met bewegingsstoornissen, zoals cerebrale parese. Een bijkomende overweging bij het bestuderen van bewegingsstoornissen, echter, is de kwaliteit van de werkelijke bewegingen uitgevoerd en de mogelijkheden voor extra, onbedoelde bewegingen. Daarom wordt gelijktijdig monitoren van zowel bloedstroom veranderingen in de hersenen en trajecten van lichaam tijdens proeven vereist voor correcte interpretatie van fNIRS resultaten. Hier tonen we een protocol voor de combinatie van fNIRS metspieren en kinematische monitoring tijdens motorische taken. We verkennen gang, een eenzijdige multi-joint beweging (fietsen), en twee eenzijdige single-joint bewegingen (geïsoleerd dorsiflexie van de enkel, en geïsoleerde hand knijpen). De technieken die kunnen nuttig zijn bij het bestuderen van zowel typische en atypische motorische controle, en kan worden aangepast aan een breed scala van taken en wetenschappelijke vragen onderzoeken.
Introduction
Neurale beeldvorming tijdens functionele taken heeft meer draagbaar en kostenefficiënt worden met behulp van niet-invasieve functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) gebieden van hersenactiviteit identificeren door het meten van bloedstroming dynamiek in de cortex. De draagbaarheid van fNIRS is bijzonder nuttig bij de studie van rechtop en functionele taken zoals gang 1, wat niet mogelijk is met andere technologieën zoals functionele magnetische resonantie (fMRI). Deze mogelijkheid is van cruciaal belang op het gebied van neurologie en neurowetenschappen, en nieuwe inzichten kunnen verschaffen in de mechanismen die ten grondslag liggen bewegingsstoornissen bij kinderen en volwassenen met cerebrale parese (CP) en andere neurologische aandoeningen van de motorische controle. Inzicht in mechanismen verbetert het vermogen om effectieve interventies om de bron van stoornissen en beperkingen in activiteiten gericht op het ontwerpen.
Veel fNIRS studies van motorische taken tot op heden met een gezonde populatie van volwassenen waar een deel geweesticipants krijgen de opdracht om een bepaalde taak en de monitoring van de taakuitvoering is beperkt tot visuele inspectie uit te voeren. Dit kan voldoende zijn voor degenen met normale bewegingen en een hoge mate van betrokkenheid, maar is niet aanvaardbaar bij het bestuderen deelnemers bewegingsstoornissen of mensen die moeite die bij een taak voor langere tijd, zoals normaal ontwikkelende kinderen. Om de analyse van hersenactiviteit in deze gevallen de hoogte wordt gelijktijdige bewaking van de motor patroon daadwerkelijk voltooid vereist.
Uitgebreide reviews van fNIRS systemen en gebruiken zijn gepresenteerd in de literatuur 2-5 dat het gebruik begeleiden en helpen om de nauwkeurigheid en de gevoeligheid van deze systemen, maar technische problemen in het verzamelen, verwerken en interpreteren van fNIRS gegevens nog steeds aan te tonen. Kleur en dikte van het haar van invloed op de kwaliteit van het optische signaal, met donker dik haar het meest waarschijnlijk te blokkeren of te vervormen optische zender;ssion 3,6. Dit is vooral van belang bij het bestuderen van de sensomotorische gebieden gelegen op de kruin van het hoofd waar haarfollikel dichtheid is het grootst, en sommige studies rapporteren non-responders 6,7. De gevestigde International 10/20 systeem kan worden gebruikt voor plaatsing van de optoden, maar vooral bij patiënten met atypische hersenen anatomie, co-registratie van optode locatie anatomische MRI een deelnemer is zeer nuttig als niet noodzakelijk om nauwkeurig interpreteren resultaten.
Het gebruik van fNIRS om hersenactiviteit te beoordelen in de jeugd-onset hersenletsel is vrij recent, maar steeds tractie op het gebied van unilaterale cerebrale parese 6,8,9. Met het oog op de bovengenoemde uitdagingen, dit protocol combineert fNIRS, motion capture, en elektromyografische (EMG) monitoring tijdens een aantal taken, waaronder eenvoudige single-joint taken evenals meer complexe full-body bewegingen. Visuele en auditieve begeleiding is onsed om aandacht en taakuitvoering over meerdere leeftijden van de deelnemers te verbeteren. Het doel van het protocol is om verschillen in hersenactiviteit patronen herkennen in die met een unilaterale en bilaterale jeugd-onset hersenletsel in vergelijking met degenen die doorgaans worden ontwikkelen. We verkennen een full body beweging (lopen), een bilaterale onderste extremiteiten multi-joint beweging (fietsen), en twee eenzijdige single-joint bewegingen (geïsoleerd dorsiflexie van de enkel, en geïsoleerde hand knijpen) om de verscheidenheid aan toepassingen van de methoden te illustreren. Dezelfde of een vergelijkbaar protocol kan worden gebruikt om andere zintuiglijke of bewegingsstoornissen of andere opdrachten van belang bestuderen.
Continuous wave nabij-infrarood licht werd uitgezonden en gedetecteerd bij 690 nm en 830 nm over de sensomotorische cortex met behulp van de fNIRS systeem met een snelheid van 50 Hz, met behulp van een configuratie op maat ontworpen bron-detector. EMG gegevens werden draadloos verzameld op een frequentie van 1000 Hz. Reflecterende marker 3-D locaties warendoor een optische motion capture systeem verzameld met een frequentie van 100 Hz. Twee verschillende computers behandeld data-acquisitie, één voor de fNIRS en een andere voor de motion capture en EMG. De gegevens werden gesynchroniseerd met behulp van een trigger puls van een derde computer die overeenkomt met een muisknop indrukken om de educatieve animatie voor elke taak te starten. Voor alle taken behalve gait, werden educatieve animaties ontworpen om deelnemer prestaties standaardiseren met behulp van visuele begeleiding van het tempo van een taak (1 Hz), vertegenwoordigd door een cartoon dier springen of schoppen, evenals een auditieve cue.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
LET OP: Dit protocol werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van de National Institutes of Health (ClinicalTrials.gov identifier: NCT01829724). Alle deelnemers krijgen de kans om vragen te stellen en zorgen voor geïnformeerde toestemming voorafgaand aan hun deelname. Met het oog op wijzigingen in de hemodynamische respons veroorzaakt door het recent gebruik van vaatverwijders en vasoconstrictors, worden de deelnemers verzocht zich te onthouden van alcohol en cafeïne gedurende 24 uur voor het experiment 3 .Deze animatie video's werden op maat gemaakt in ons laboratorium, maar kon worden opgenomen met andere geluiden of beelden die specifiek zijn voor alternatieve onderzoeksvragen.
1. Stel de Kamer Voorafgaand aan de Deelnemer aankomst.
- Kalibreren van de motion capture camera's ten opzichte van de coördinaten van een laboratorium op basis van specifieke proces fabrikant de motion capture. Zorg ervoor dat de camera posities registratie van alle markers zal toestaan op zowel het lichaamen hoofd van de deelnemer tijdens de taken die zullen worden getest. De kalibratie proces zorgt ervoor nauwkeurigheid van de motion capture-systeem en is standaard praktijk voor elke beweging laboratorium. Gebruik een tien camera-systeem, met een geschatte hoeveelheid van 17 m3 waar reflecterende markeringen op betrouwbare wijze kan worden geïdentificeerd.
- Sluit de trigger van de instructie computer naar BNC-ingangen van de motion capture en fNIRS computers '. Zorg ervoor dat de trigger is aangesloten op een muisknop, en te klikken op de muis voltooit het circuit en stuurt een puls gelijktijdig met de motion capture / EMG data-acquisitie van commissarissen en aan de fNIRS data-acquisitie board als auxillary analoge ingangen.
- Sluit deze muis via de USB-poort op de computer die instructie animatie video's draaien, zodanig dat het starten van de video zal een verandering van de spanning gelijktijdig veroorzaken op beide data-acquisitie systemen.
OPMERKING: EMG-signalen worden automatisch gesynchroniseerd en opgeslagen door de motion capture software, zodat additional synchronisatie van het EMG systeem is niet noodzakelijk. - Het opzetten van het scherm en de projector voor instructies te worden getoond aan de deelnemer. Verwijder overbodige items die kunnen worden afleiders. Plaats het statief en digitale videocamera waar ze het volle zicht van de bewegingen van de deelnemer zal hebben.
- Controleer of reflecterende markeringen stevig aan de bovenkant van elke optode in de probe.
- Verzamel alle nodige documenten: toestemming en instemming kopieën, klinisch onderzoek vellen, en experimentele opmerking bladen, bijvoorbeeld.
2. Basis Maatregelen
- Na het voltooien van de geïnformeerde toestemming proces, meten en registreren deelnemer lengte, gewicht, leeftijd, en hoofdomtrek.
- Dien Edinburgh Handvoorkeur Inventaris 10 en andere klinische onderzoeken zoals aangegeven. Record deelnemer-gerapporteerde haar en huidtypes.
- Plaats reflecterende markeringen op de posterior superior iliacale stekels (PSIS) bilateraal. Heeft de deelnemer lopen in hun comfortabele tempo over het lab 3-5 keer, en het gemiddelde van de snelheid in de onderzoeken naar hun zelf gekozen stapvoets te schatten.
3. Functioneel Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) Setup
LET OP: Deze kunnen tegelijkertijd worden aangevuld met de opstelling van EMG en motion capture, als er genoeg onderzoekers of onderzoekers te helpen, en als de deelnemer is comfortabel met meerdere mensen die dicht bij hen op hetzelfde moment.
- Meet de afstand tussen de nasion (Nz) en de INION (Iz), en tussen de pre-auriculaire punten rechts (Ar) en linker (Al) oren. Het snijpunt van het middelpunt van deze twee maatregelen Cz, aangegeven op de hoofdhuid met een wasbare marker.
- Als de deelnemer lang haar, sectie van kleine porties van het haar met vlechten of paardenstaarten om de hoofdhuid waar optoden worden geplaatst blootstellen.
- Plaats de fNIRS sonde op thij hoofd deelnemer, zorg aan te sluiten bij CZ, Ar. Beweeg daarna haar weg van onder elke optode als het het wordt geplaatst op de hoofdhuid. Tenslotte hechten klittenband om veilig de optoden op zijn plaats.
OPMERKING: In dit protocol, gebruik dan een dop die ene band die gaat achter het hoofd, een die gaat over het voorhoofd, en een die gaat onder de kin heeft. Optoden zijn verankerd aan deze cap met klittenband op een flexibele kunststof ring die het oor omcirkelt.- Indien de deelnemer heeft kort haar (minder dan ongeveer 2 cm in lengte), trek haar tussen optoden met een kleine dunne stok of plastic uiteinde van een kam.
- Controleer of alle optode kabels plat, en dat optoden ongeveer loodrecht op het oppervlak van de hoofdhuid.
- Indien nodig, een dun stuk schuim onder de groep van optode kabels aan loodrechte uitlijning van de optoden bevorderen.
- Neem contact op met de deelnemer over het comfort van de sondes, enindien nodig aan te passen. Instrueer hen om de onderzoekers te vertellen als hun comfort daalt op enig moment tijdens het experiment.
- Schakel bronnen en controleer de signalen.
- In dit systeem zorgen voor een signaal dat een intensiteit van ten minste 80 dB en een hartslag duidelijk zichtbaar in de deltaOD (verandering in optische dichtheid) signaal, zowel 690 en 830 nm golflengte heeft. Wanneer kanalen signalen niet aan deze criteria voldoen, bevestigen dat haar is niet de optode (s) te blokkeren en vervolgens detector winsten aan te passen als dat nodig is om de intensiteit van het signaal te maximaliseren. Zorg ervoor dat motion capture camera's zijn gedurende deze tijd.
OPMERKING: Andere fNIRS machines kunnen werken bij golflengten verschillende tot 690 en 830 nm; in dit geval, controleer dan de golflengten meest geschikt is om de machine wordt gebruikt.
- In dit systeem zorgen voor een signaal dat een intensiteit van ten minste 80 dB en een hartslag duidelijk zichtbaar in de deltaOD (verandering in optische dichtheid) signaal, zowel 690 en 830 nm golflengte heeft. Wanneer kanalen signalen niet aan deze criteria voldoen, bevestigen dat haar is niet de optode (s) te blokkeren en vervolgens detector winsten aan te passen als dat nodig is om de intensiteit van het signaal te maximaliseren. Zorg ervoor dat motion capture camera's zijn gedurende deze tijd.
- Voeg reflecterende markers om Nz, Iz, Ar, en Al. Vraag de deelnemer om stil te houden en het verzamelen van ongeveer 2 sec van motion capture data voor deze en de fNIRS optode markers. Controleer ofalle markeringen zijn opgenomen, en het verzamelen van aanvullende onderzoeken als dat nodig is. Het kan de deelnemer nodig om het hoofd van positie veranderen om te verbeteren zichtlijn tussen de camera's en de markers. Gebruik deze verzamelde driedimensionale locaties tijdens de analyse voor probabilistische registratie van een deelnemer individuele structurele MRI als die beschikbaar is.
- Voeg een cover met verschillende lagen van zwart vilt of ander optisch absorberend materiaal op de top van de fNIRS optoden om detectoren van storing of verzadiging van de motion capture camera's te beschermen. Zorg ervoor dat de kabels en het frontpaneel van de fNIRS unit zijn ook goed afgeschermd met behulp van dezelfde optisch absorberend materiaal.
4. Surface Elektromyografie (EMG) Setup
- Zoek de spier buik van elke gerichte spier met behulp van anatomische oriëntatiepunten, palpatie tijdens spiercontractie, en plaatsing van de elektroden begeleidt 11.
OPMERKING: De spieren gericht in dit protocol zijn onder andere bilateral mediale gastrocnemius, tibialis anterior, rectus femoris, vastus lateralis, biceps femoris, extensor carpi radialis en flexor carpi radialis. - Bereid je voor op EMG plaatsing van de elektroden op de spier buik door het scheren, het verwijderen van dode huidcellen met tape, en dan schoonmaken met een isopropylalcohol pad, zoals aanbevolen door SENIAM 12 en wacht tot de huid te drogen.
- Plaats EMG-elektrode gericht op de richting van de spiervezels.
- Wikkel behaaglijk met een zelf klevende wrap.
- Controleer spier signalen op de computer tijdens het uitvoeren van manuele spiertesten om de juiste plaatsing van de elektroden, en duidelijke visualisatie van het signaal verandering zorgen wanneer de spier actief is.
5. Motion Capture Setup
- Plaats reflecterende markeringen op gezamenlijke monumenten. Deze omvatten mediale en laterale malleolus, mediale en laterale kniegewricht, Spina iliaca anterior superior (ASIS), posterior superior iliacale wervelkolom (PSIS), radiale styloideus, ulnaire Syloid, medial humeral epicondyl, en laterale humeral epicondyl.
- Plaats 3 of meer markeringen, of een star lichaam cluster van markers, op elk segment van belang, met inbegrip van de poot, de schenkel, dij, hand en onderarm.
- Verzamel ongeveer 2 sec van motion capture data, terwijl de deelnemer staat nog steeds in een gestandaardiseerde positie, zoals die zich met wapens op 90 ° schouder flexie en 90 ° elleboog flexie. Ervoor zorgen dat alle markers zijn duidelijk zichtbaar voor de camera's.
6. Gait Task
- Heeft de deelnemer transfer naar de loopband. Hen helpen door het ondersteunen van de fNIRS optode kabels en zet de kabels aan het plafond steun nadat de patiënt is op zijn plaats. Als de patiënt is een hoog risico op valpartijen, gebruik dan een gewichtsondersteuning harnas voor de veiligheid tijdens deze taak.
- Start de loopband, langzaam opbouwen naar de gemeten zelf gekozen loopsnelheid aan de deelnemer comfortabel met de set-up voorwaarden te krijgen. Vervolgens langzaam tot stilstandweer.
- Het opzetten van de animatie-bestand met de auditieve feedback die de deelnemer om ofwel te rusten of te verplaatsen zal cue. Beoordeling taakinstructies met de deelnemer, vertellen ze zo stil blijven en ontspannen mogelijk tijdens "rust" periodes en om te lopen op de loopband ingestelde snelheid tijdens de "taak" periode, waarbij de focus hun aandacht op de kleine zwarte cirkel op het scherm de duur van de data acquisitie.
- Dim de lichten, en beginnen met data-acquisitie op de motion capture computer en de fNIRS computer. Begin met opnemen op de videocamera.
- Met behulp van de muis trigger, klikt u op de afspeelknop op de animatie-bestand in verband met deze taak. Zorg ervoor dat de trekker door zowel de motion capture en de NIRS-systemen werd ontvangen.
- Schakelen naar een afbeelding van een zwarte stip ligt in de lijn van het zicht van de deelnemer, zodat ze een focuspunt voor de duur van de proef.
OPMERKING: Het overzicht schema voor elkproces wordt getoond in figuur 2.
- Schakelen naar een afbeelding van een zwarte stip ligt in de lijn van het zicht van de deelnemer, zodat ze een focuspunt voor de duur van de proef.
- Monitor deelnemer prestaties en feedback te geven over de snelheid of vreemde willekeurige bewegingen als dat nodig is.
- Aan het einde van de instructie-animatie, stopt u de opname op de motion capture, EMG, en fNIRS systemen, evenals de videocamera. Geef de deelnemer een kans om te rusten of te verschuiven posities als dat nodig is.
7. Bilaterale onderste extremiteit Fietsen Task
- Heeft de deelnemer overgang naar een plint met beweegbare rug en been ondersteuning, zorg ervoor dat de fNIRS optode kabels ondersteunen en om niet tegen het lijf of verjagen de motion capture markers of EMG elektroden. Hebben een foam zitkussen voor meer comfort tijdens het experiment.
- Til het fietsframe in de juiste positie en zet hem vast aan de plint met een riem.
- Zet de voeten in de pedalen en stel de positie van de cyclus noodzakelijk om een comfortabel en natuurlijk afstand tot de pedalen promoten. Bijhet verste punt in de cyclus, behouden hun knieën bij ongeveer 10 ° flexie.
LET OP: Op dit punt, zal de deelnemer worden in een semi-liggende houding, die enkele romp ondersteuning biedt en faciliteert ontspanning tijdens de rustperiode. - Beoordeling taakinstructies met de deelnemer, vertellen ze zo stil en ontspannen mogelijk te blijven tijdens de "rust" periodes en te fietsen op ongeveer 60 min gedurende de "taak" periode.
- Herhaal stap 6,4-6,7. In plaats van over te schakelen naar een beeld van een punt, het project van de cartoon animatie die de deelnemer zal cue om ofwel te rusten of te verplaatsen door middel van visuele en auditieve feedback. Maximaliseren van de film-venster, zodat de deelnemer niet in staat is om de tijd die is verstreken, of is overgebleven, in het huidige proces te bewaken.
8. hand knijpen Task
- Na het verwijderen van de voeten van de cyclus en de cyclus zelf, plaats een bed tafel voor de deelnemer, making ervoor dat armen deelnemer worden ondersteund op de tafel in een comfortabele positie.
- Instrueren deelnemer aan een zacht voorwerp ongeveer eenmaal per seconde (1 Hz) knijpen tijdens de "taak" periode, en blijven zo ontspannen mogelijk tijdens de "rust" periodes.
- Herhaal stap 7.5.
9. Enkel Dorsiflexie Task
- Verwijder het bed tafel, en de voetsteun deel van de sokkel te trekken tot aan de voeten in het zicht van de deelnemer brengen.
- Verwijder schoen en sok van de deelnemer, en vervang voet markers in de juiste posities. Steun de kuit net boven hun enkelgewricht met een foam pad om enkelgewricht beweging mogelijk.
- Instrueer de deelnemer om hun enkels dorsiflexie ongeveer eenmaal per seconde (1 Hz) tijdens de "taak" periode, en blijven zo ontspannen mogelijk tijdens de "rust" periodes.
- Herhaal stap 7.5.
10. Conclusie van Proprotocol
- Verwijder de dop en controleer de huid voor de gebieden van druk of roodheid.
- Verwijder alle reflecterende markeringen en EMG-eenheden.
- Bedank de deelnemer voor hun tijd en nodigen hun input over de persoonlijke beleving van het protocol. Dit kan een formele vragenlijst zijn (zoals gebruikt door Garvey en collega's voor transcraniële magnetische stimulatie 13), of een informele discussie om gemeenschappelijke bronnen van ongemak dat kan worden verbeterd in de toekomst te identificeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dit protocol coördineert gelijktijdige verwerving van 3 modaliteiten hersenen bloedstroom, elektrische spieractiviteit en kinematische beweging van gewrichten vangen terwijl een deelnemer uitvoert motorische taken (figuur 1).
Figuur 1. Probe locatie. Het linker deel van deze figuur toont de locaties bij benadering van de sensorische gebieden (in het blauw, Brodmann gebieden 1,2,3), de primaire motorische gebied (in het groen, Brodmann gebied 4), en de premotorische gebied (in oranje, Brodmann gebied 6). De rechter gedeelte van dit bedrag werd gegenereerd met behulp van AtlasViewerGUI (beschikbaar voor open source downloaden van het MGH Optics Division 15) en de bijbehorende functies. In het kort werd deze probe ontwerp geregistreerd op het oppervlak van de Colin47 Atlas met de ruimtelijke rangschikking van bronnen, detectoren en anatoMICAL oriëntatiepunten (bronnen worden vertegenwoordigd door rode cirkels en detectoren door blauwe cirkels). Een Monte Carlo foton migratie voorwaartse model werd gedurende starten 1 x 10 8 fotonen van licht door het materiaal van de huid, schedel en hersenen, de gevoeligheid profielen voor alle source-detektorenparen geprojecteerd op het oppervlak van de cortex en al gelijktijdig weergegeven in deze figuur. De kleur kaart op het oppervlak van de hersenen vertegenwoordigt de corticale gevoeligheid van de sonde; met andere woorden het aantal gesimuleerde fotonen dat de gyri en sulci zich onder de bronnen en detectoren te bereiken (warmere kleuren geven meer fotonen dan koelere kleuren, met een bereik van 2 ordes van grootte op een schaal log 10).
toont een voorbeeld van de bron-detector die gebruikt wordt in dit protocol, en hoe het is gerelateerd aan de onderliggende neuro-anatomische structuren op een brain atlas. Figuur 2 schetst het blok ontwerp gebruikt in dit protocol, evenals screen shotsvan de instructie video's. Taken worden uitgevoerd in een blokontwerp, met acht 15 sec taak blokken afgewisseld met willekeurige lengte rustperiodes van 20 - 30 sec. Cartoon dieren werden speciaal gekozen om niet de mens zoals zo zijn dat het spiegelneuronen-systeem 11 niet bezig, en audio-signalen is aangetoond dat taakuitvoering bij andere blok ontwerp experimenten 10 te verbeteren. Het gangwerk taak had slechts een auditieve cue, en de deelnemers werd gevraagd om zich te concentreren op een kleine zwarte cirkel geprojecteerd op een scherm in de voorkant van hen.
Figuur 2. Schematische voorstelling van elke proef. Het verzamelen van gegevens voor elk type taak duurt ongeveer 6 minuten. Er zijn periodes van variabele rust (variërend tussen 20 en 30 sec in duur), met 15 sec blokken van de activiteit (lopen, fietsen, dorsaalflexie, of knijpen). Instructievideo's zijn gemaaktmet visuele en auditieve signalen voor de deelnemer om te rusten of te verplaatsen. De pinguïn beelden worden genomen uit één van de instructie video getoond aan de patiënt. Hij blijft op de grond tijdens de rusttijden, en springt in de lucht 1 keer per seconde tijdens de periodes taak. Er is ook muziek voor elke aandoening, een ontspannende tune spelen tijdens rust en een melodie met een sterke 60 bpm tempo tijdens de taak blokken.
Figuur 3 is een voorbeeld van de optische signalen die tijdens taken. De gegevens worden automatisch opgeslagen in een bestand met een * .nirs uitbreiding en later overgebracht van de gegevensverwervingscomputer voor verdere verwerking. Figuur 4 toont een voorbeeld van de gereconstrueerde skelet model met gewrichtshoek en EMG maatregelen een enkel dorsaalflexie taak. Het skelet model en gewrichtshoeken worden gemaakt en berekend op basis van Nexus en Visual3D softwarepakketten. Deze gegevens, alsmede de EMG niet verwerkt en could bevatten bewegingsartefacten of andere ruis die kunnen profiteren van filtertechnieken.
Er zijn een breed scala aan analyse technieken en software pakketten beschikbaar om de verzamelde gegevens te interpreteren. Een voorbeeld is de voltooiing van fNIRS afbeelding reconstrueren aan de hand van een open source software pakket genaamd Homer 14. Een voorbeeld van de kaart gecreëerd wordt getoond in figuur 5 het type activatie informatie die kan worden geïnterpreteerd vanuit de verzamelde extinctie signalen tonen.
Figuur 3. Voorbeeld van een optische dichtheid opnames. Dit screenshot is van de data-acquisitie software van één type fNIRS machine. Het bevat informatie over de fNIRS sonde arrangement (rechtsboven), de mogelijkheid om individuele laser bronnen en uit te schakelen (linksonder), en options voor het wijzigen van de winst van elke dectector (midden onder). In de data visualisatie venster (linksboven), de verticale roze lijn geeft het begin van een blok van activiteit. Kleuren van de sporen overeenkomen met de kleuren van de in de sonde opstelling rechts kanalen. Merk op dat alle signalen boven 80 dB en het hartritme is duidelijk zichtbaar, zelfs in de lichtintensiteit signaal.
Figuur 4. Voorbeeld skelet reconstructie, gezamenlijke hoeken en EMG voor een linkse dorsiflexion taak. De taak periode gedurende de vertegenwoordigde periode begint circa 4,5 sec, en gaat door tot 19,5 sec. In dit normaal ontwikkelende individu (13 jaar oud), er is zeer beperkte beweging op andere dan de beoogde linkerenkel gewrichten. Bovendien, andere dan degene die de beweging spieren (tibialis anterior) eenopnieuw over het algemeen rustig tijdens de taak zo goed rusttijden. TA = tibialis anterior; MG = mediale gastrocnemius; RF = rectus femoris; VL = vastus lateralis; MH = mediale hamstrings.
Figuur 5. Voorbeeld van fNIRS activering kaart tijdens een rechtshandige knijpen taak. De blauwe doos op de top van de hersenen schetst de geschatte oppervlakte bemonsterd door deze probe-ontwerp (zie ook figuur 1). Deze deelnemer was 13 jaar oud en had een hoofdomtrek van 56 cm). Het rechter gedeelte van de figuur toont de gemiddelde zuurstofrijk hemoglobine (HBO) respons tijdens de periode 5-10 sec volgende beweging ontstaan van een normaal ontwikkelende puber knijpen in een bal met hun rechterhand. Deze gegevens in deze figuur zijn gegenereerd uit Homer 14, en vervolgens geëvalueerd met behulp van een algemeen lineair model. De blauwe kleurs vertegenwoordigen geen activering, terwijl de rode gebieden indicatie gebieden van verhoogde HbO tijdens de periodes taak. Dit is een methode voor analyse en visualisatie die onderzoekers dat gebieden van grotere veranderingen in zuurstof en / of zuurstofarme bloed stromen identificeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Gelijktijdige ophaling van hersenactiviteit uit gerichte gebieden van de cortex en kwantitatieve gegevens over de manier waarop een persoon presenteert enorm potentieel in beweging is voor het verbeteren van ons begrip van de neurale controle van de beweging, zowel in een normaal ontwikkelende bevolking evenals die met bewegingsstoornissen. Er is ook een brede toepassing in termen van leeftijd en beweging taken die kon worden voltooid, als deelnemers niet beperkt zijn tot een liggende positie als ze zouden zijn voor een functionele MRI. De specifieke uitrusting items zijn niet beperkt tot degenen voorgesteld in de lijst met materialen - er zijn verschillende motion capture en motion kwantificering systemen, EMG systemen, en fNIRS systemen beschikbaar in de markt, en ze kunnen worden gebruikt in plaats van de hier voorgesteld. Bovendien, als een gekozen motion capture systeem onvoldoende hoeveelheden meting merkers op zowel het lichaam en de kop of niet optische technologie lokaliseren hebben gebruikt, een 3D positiebepalingstylus kan dan gebruikt voor de optoden met betrekking tot anatomische oriëntatiepunten vinden in een gemeenschappelijk coördinatensysteem. Tot slot, als het mogelijk is om fysiologische gegevens zoals hartslag en bloeddruk bovendien verzamelen, deze informatie zou nuttig zijn om de analyse van HBO en HbR tijdreeksen te informeren.
Het gehele protocol kan in ongeveer 2 uur worden afgerond, met bijna de helft van die tijd gewijd aan de setup. Voor mannelijke deelnemers met kort haar, kan de insteltijd minder omdat er minder tijd nodig is om het haar te bereiden. Het is belangrijk voor de onderzoekers aan te werven zonder vooringenomenheid uit alle etnische en haartypes, en verslag uit te brengen als er mensen waar bruikbare signalen niet kon worden verkregen 3. Afhankelijk van de leeftijd en concentratievermogen van de geteste persoon zouden aanvullende taken of extra blokken gegevensverzameling eenvoudig worden toegevoegd. Het is belangrijk op te merken, echter een aantal beperkingen van fNIRS technologie in zijn huidige staat. Ondanks careful voorbereiding en zorg aan haar interferentie te verminderen, kunnen er enkele deelnemers waar de melanine inhoud van hun huid en haar in de weg staat verzameling van signalen met de juiste intensiteit. Zelfs onder degenen met voldoende sterke, zal variatie in de helderheid van de hemodynamische respons die wordt gezien. Deze kwesties moeten worden aangepakt tijdens de data-analyse, met duidelijke rapportage van hoe de non-responders werden geïdentificeerd en de openbaarmaking van het aantal deelnemers getest waarvan de gegevens niet konden worden gebruikt 2-5.
Deze bijzondere protocol kan worden aangepast op verschillende manieren voor toediening aan onderzoeksvragen. De oriëntatie van de bronnen en detectoren oneindige mogelijkheden inzake locaties en regelingen, die de flexibiliteit om andere gebieden van de cortex proeven leveren, maakt een dichtere probe met extra kanaal overlap om grotere resolutie, of een dun regeling vergemakkelijking bestrijken grotere gebieden van decorticale oppervlak. De algehele ruimtelijke resolutie van fNIRS blijft lager in vergelijking met fMRI, maar deze beperking kan worden gecompenseerd door de mogelijkheid om fNIRS gebruiken in een minder afgesloten omgeving voor veel onderzoek toepassingen, met name bij het bestuderen van beweging taken. Bovendien kan een willekeurig aantal motorische, zintuiglijke of beeldmateriaal taken haalbaar worden opgenomen in de gepresenteerde blokuitvoering waaronder meer complexe sequenties of andere eenvoudige enkele gezamenlijke bewegingen. Met het oog op de onderste extremiteiten taken evenwel moet worden overwogen om de locatie van het distale onderste uiteinde vertegenwoordiging in de motor homunculus aangezien het niet mogelijk dit diep met een oppervlak aanpak krijgen zoals fNIRS. Daarnaast zijn er studies die ook een event-related paradigma 16,17, die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd door het veranderen van de animaties en instructies deelnemers gebruiken. Deze paradigma vereisen een groter aantal beweging blokken, maar ze kunnen worden aangevuld met minder rust tussen so de totale data-acquisitie tijd mag niet significant afwijken van de gepresenteerde blok paradigma.
Kinematische en EMG data kunnen worden gebruikt in een aantal manieren. Kwalitatief, biedt het een handige bevestiging dat de deelnemer werd voltooien van een taak volgens de instructies. Vooral wanneer bewegingen worden niet zoals verwacht, als gevolg van verminderde aandacht voor de aanwezigheid van een bewegingsstoornis, kunnen deze signalen zeer waardevol kwantitatieve methoden voor het verwijderen blokken gegevens, of als regressoren in een algemeen lineair model (GLM) analyse van Gegevens, zoals blijkt uit Hervey et al. 18. Het bepalen van de coördinaten van fNIRS optoden en anatomische oriëntatiepunten is noodzakelijk voor co-registratie van een deelnemer individuele structurele MRI. Co-registratie van optode locaties is een belangrijke stap in het verhogen van de betrouwbaarheid en de neuro-anatomische relevantie van fNIRS bevindingen, vooral in populaties met hersenletsel. Tenslotte zou men kunnen overwegen het toevoegen vanvolgen kabel beweging als een extra stap te verantwoorden bewegingsartefacten binnen de opgenomen data.
Jeugd ontstaan hersenletsel zoals cerebrale parese zijn bekend een aantal perifere symptomen zoals spasticiteit, spierzwakte en verminderde selectieve motorbesturing 19. Passieve elektrofysiologische of brain imaging technieken zoals transcraniële magnetische stimulatie 20,21 en diffusie tensor imaging 22,23 hebben aangetoond veranderingen in corticale organisatie. fMRI is nuttig geweest bij het opsporen van verschillen in activering in kleine geïsoleerde bewegingen 24-26, maar de controle op de taakuitvoering kan een uitdaging in de MRI-omgeving, en zelfs kleine beweging van het hoofd kan grote artefacten veroorzaken. In deze populatie in het bijzonder, complementaire of gelijktijdig gebruik van neuroimaging modaliteiten zoals fNIRS of elektro-encefalogram (EEG) is een gelegenheid om een beter begrip over de onderliggende bron te krijgenvan de beweging problemen, en een extra hulpmiddel voor het toezicht op de voortgang met betrekking tot motorische interventies.
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).
