وظيفية الأدنى الأشعة تحت الحمراء الطيفي من المناطق الحسية والحركية الدماغ مع الحركية في وقت واحد وEMG رصد خلال المهام للسيارات
Summary
Monitoring brain activity during upright motor tasks is of great value when investigating the neural source of movement disorders. Here, we demonstrate a protocol that combines functional near infrared spectroscopy with continuous monitoring of muscle and kinematic activity during 4 types of motor tasks.
Abstract
وهناك العديد من المزايا التي ظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) ويعرض في الدراسة من التحكم العصبي في حركة الإنسان. أنها مرنة نسبيا فيما يتعلق مشارك المواقع ويسمح لبعض حركات الرأس أثناء المهام. بالإضافة إلى ذلك، أنها غير مكلفة وخفيفة الوزن، والمحمولة، مع عدد قليل جدا من موانع لاستخدامه. وهذا يمثل فرصة فريدة لدراسة نشاط الدماغ وظيفية خلال المهام الحركية في الأفراد الذين عادة ما النامية، فضلا عن أولئك الذين يعانون من اضطرابات الحركة، مثل الشلل الدماغي. وهناك اعتبار إضافي عند دراسة اضطرابات الحركة، ومع ذلك، هو نوعية الحركات الفعلية أداء وإمكانات، والحركات غير مقصودة إضافية. ولذلك، مطلوب الرصد المتزامن لكلا من التغيرات في تدفق الدم في الدماغ والحركات الفعلية من الجسم أثناء الاختبار لتفسير مناسب لنتائج fNIRS. هنا، وتبين لنا بروتوكول لمزيج من fNIRS معالعضلات ورصد الحركية خلال المهام الحركية. نستكشف مشية، وهي حركة من جانب واحد متعدد مشتركة (الدراجات)، وحركتين واحدة مشتركة من جانب واحد (معزول عطف ظهري الكاحل، ومعزولة ناحية الضغط). التقنيات المعروضة يمكن أن تكون مفيدة في دراسة كل من التحكم في المحركات التقليدية وغير التقليدية، ويمكن تعديلها لتحقيق مجموعة واسعة من المهام والمسائل العلمية.
Introduction
أصبح التصوير العصبي خلال المهام الوظيفية أكثر المحمولة والتكاليف وكفاءة باستخدام التحليل الطيفي غير الغازية وظيفية القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) لتحديد مجالات نشاط الدماغ عن طريق قياس ديناميكية تدفق الدم في القشرة. قابلية fNIRS مفيدة بشكل خاص في دراسة المهام تستقيم والوظيفية مثل مشية 1، وهو أمر غير ممكن مع التقنيات الأخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). هذه القدرة هي الحاسمة في مجالات علم الأعصاب وعلم الأعصاب، ويمكن أن تقدم رؤى جديدة في الآليات الكامنة وراء اضطرابات الحركة عند الأطفال والبالغين الذين يعانون من الشلل الدماغي (CP) والحالات العصبية الأخرى التي تؤثر على التحكم في المحركات. فهم آليات يحسن القدرة على تصميم تدخلات فعالة لاستهداف مصدر ضعف ومحدودية النشاط.
وكانت العديد من الدراسات fNIRS من المهام الحركية إلى موعد مع صحة السكان من البالغين حيث جزءوأوعز icipants لتنفيذ مهمة معينة ورصد أداء مهمة يقتصر على الفحص البصري. وهذا يمكن أن يكون كافيا بالنسبة لأولئك مع الحركات النمطية وعلى مستوى عال من المشاركة، ولكن ليس من المقبول عند دراسة المشاركين الذين يعانون من اضطرابات الحركة أو أولئك الذين لديهم صعوبة حضور إلى مهمة لفترات طويلة من الزمن، بما في ذلك الأطفال النامي عادة. من أجل إبلاغ تحليل نشاط المخ في هذه الحالات، هناك حاجة للرصد المتزامنة للنمط الحركية التي يتم الانتهاء فعلا.
تم عرض استعراضات شاملة لنظم fNIRS والأعراف المتبعة في الأدب 2-5 التي توجه الاستخدام ومساعدة للتدليل على دقة وحساسية هذه النظم، ولكن المسائل التقنية في جمع ومعالجة وتفسير fNIRS لا تزال البيانات. لون وسماكة الشعر تؤثر على جودة الإشارة الضوئية، مع الظلام الشعر الكثيف على الأرجح لمنع أو تشويه transmi البصريssion 3،6. ولهذا أهمية خاصة عند دراسة المناطق الحسية تقع على منطقة تاج الرأس حيث الكثافة بصيلات الشعر هي أعظم، وتقديم تقرير بعض الدراسات غير المستجيبين 6،7. وراسخة الدولية 10/20 نظام يمكن استخدامها لوضع لoptodes، ولكن بصفة خاصة في حالة الأشخاص الذين يعانون من غير نمطية تشريح الدماغ، وشارك تسجيل من موقع optode إلى التصوير بالرنين المغناطيسي التشريحية أحد المشاركين في أمر مفيد للغاية إن لم يكن ضروريا لتفسير دقيق ل النتائج.
استخدام fNIRS لتقييم نشاط المخ في إصابة الدماغ في مرحلة الطفولة الظهور هو الأخير إلى حد ما، ولكن تكتسب الجر في مجال جانب واحد 6،8،9 الشلل الدماغي. في النظر في التحديات المذكورة آنفا، هذا البروتوكول يجمع بين fNIRS، التقاط الحركة، وelectromyographic (EMG) رصد خلال عدد من المهام، بما في ذلك المهام واحدة مشتركة بسيطة وكذلك الاقتراحات كامل الجسم أكثر تعقيدا. التوجيه البصري والسمعي هو لناإد لتحسين الانتباه ومهمة الأداء عبر العصور متعددة من المشاركين. والهدف من هذا البروتوكول هو لتحديد الاختلافات في أنماط نشاط المخ في تلك مع الأحادية والثنائية الطفولة-ظهور إصابات الدماغ مقارنة مع أولئك الذين عادة ما النامية. نستكشف حركة كامل الجسم (مشية)، وهو أقصى انخفاض الحركة متعددة مشتركة الثنائية (الدراجات)، وحركتين واحدة مشتركة من جانب واحد (معزول عطف ظهري الكاحل، ومعزولة ناحية الضغط) لتوضيح مجموعة متنوعة من التطبيقات من الطرق. نفس أو بروتوكول مماثل جدا يمكن استخدامها لدراسة غيرها من اضطرابات حسية أو حركة أو المهام الأخرى ذات الاهتمام.
وقد تنبعث موجة مستمرة قرب ضوء الأشعة تحت الحمراء والكشف على 690 نانومتر و 830 نانومتر على القشور الحسية باستخدام نظام fNIRS بمعدل 50 هرتز، وذلك باستخدام التكوين مصممة خصيصا للكشف عن مصدر. تم جمع البيانات لاسلكيا EMG على تردد 1،000 هرتز. كانت علامة عاكسة المواقع 3-Dالتي جمعها نظام التقاط الحركة البصرية بمعدل 100 هرتز. جهازي كمبيوتر مختلفة عالجت الحصول على البيانات، واحدة للfNIRS وآخر لالتقاط الحركة وEMG. تم مزامنة البيانات باستخدام نبض الزناد من جهاز كمبيوتر الثالث الذي يتوافق مع زر الماوس اضغط على لبدء الرسوم المتحركة التعليمي لكل مهمة. لكافة المهام باستثناء مشية، تم تصميم الرسوم المتحركة التعليمية لتوحيد أداء المشاركين باستخدام التوجيه البصري من وتيرة مهمة (1 هرتز)، التي يمثلها القفز الحيوان الرسوم المتحركة أو الركل، فضلا عن جديلة السمعية.
Protocol
Representative Results
Discussion
جمع في وقت واحد من نشاط الدماغ من المناطق المستهدفة من القشرة والبيانات الكمية حول كيف يمكن لشخص يتحرك يعرض إمكانيات هائلة لتحسين فهمنا للالتحكم العصبي في الحركة، سواء في عدد السكان النامي عادة وكذلك الذين يعانون من اضطرابات الحركة. وهناك أيضا تطبيق واسع النطاق من ح…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This project was funded by the Intramural Research Program at the National Institutes of Health Clinical Center. We acknowledge the helpful discussions with Dr. Thomas Bulea, PhD and Laurie Ohlrich, PT in refining the procedures presented in this protocol. Muyinat W. Osoba and Andrew Gravunder, MS assisted with the animations.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| CW6 | TechEn | http://nirsoptix.com/ | fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included |
| MX system with ten T40-series cameras | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | http://www.vicon.com/System/TSeries | Motion capture cameras |
| reflective 4 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | n/a | Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates. |
| reflective 9.5 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | n/a | Markers used by the motion capture cameras to locate arm and leg coordinates. Clusters are used for the limb segments, and markers with offsets are uses for PSIS and Iz to improve reliability in data capture. |
| Trigno Wireless EMG system | Delsys, Inc. Natick, MA | http://www.delsys.com/products/wireless-emg/ | Electromyography |
| Bertec split-belt instrumented treadmill | Bertec Corporation, Columbus, OH | http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html | Treadmill |
| ZeroG body-weight support system | Aretech, LLC, Ashburn, VA | http://www.aretechllc.com/overview.html | Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials |
| 3DS Max 2013 | Autodesk, Inc., San Francisco, CA | http://www.autodesk.com/ | 3-D animation software used to animate animals for instructional videos |
| Windows Movie Maker | Microsoft Corporation, Redmond, WA | http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker | software used to combine animation footage with music |
| Audacity | open source | http://audacity.sourceforge.net/ | Software used to alter musical beat to appropriate cadence |
Referenzen
- 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. , (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. , (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).
