Funktionel nærheden Infrarød spektroskopi af de sensoriske og motoriske hjerneområder med samtidig Kinematic og EMG Overvågning Under motoriske opgaver
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
Der er flere fordele at funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) præsenterer i studiet af neural kontrol af menneskelig bevægelse. Det er relativt fleksibel med hensyn til deltager positionering og giver mulighed for nogle hovedbevægelser løbet opgaver. Derudover er det er billigt, let og bærbar, med meget få kontraindikationer til dens anvendelse. Dette giver en unik mulighed for at studere funktionel hjerneaktivitet i motoriske opgaver i personer, som er typisk udviklingslande, såvel som dem med bevægelsesforstyrrelser, såsom cerebral parese. En yderligere overvejelse, når studerer bevægelsesforstyrrelser, dog er kvaliteten af faktiske bevægelser, der udføres, og mulighederne for yderligere, utilsigtede bevægelser. Derfor er samtidig monitorering af både blodgennemstrømningen ændringer i hjernen og de faktiske bevægelser af kroppen under prøvning med passende fortolkning af fNIRS resultater. Her viser vi en protokol for kombinationen af fNIRS medmuskler og kinematisk overvågning under motoriske opgaver. Vi udforsker gangart, en ensidig flere fælles bevægelse (cykling), og to ensidige single-joint bevægelser (isoleret ankel dorsiflexion, og isoleret hånd at klemme). Teknikkerne præsenteres kan være nyttige i at studere både typisk og atypisk motorstyring, og kan modificeres til at undersøge en bred vifte af opgaver og videnskabelige spørgsmål.
Introduction
Neural billeddannelse under funktionelle opgaver er blevet mere bærbare og omkostningseffektiv anvendelse af ikke-invasiv funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) at identificere områder af hjernens aktivitet ved at måle blodgennemstrømning dynamik i cortex. Retten til at overføre fNIRS er især nyttig i studiet af opretstående og funktionelle opgaver såsom gangart 1, hvilket ikke er muligt med andre teknologier såsom funktionel magnetisk resonans (fMRI). Denne evne er kritisk inden for neurologi og Neuroscience, og kunne give ny indsigt i mekanismerne bag bevægelsesforstyrrelser hos børn og voksne med cerebral parese (CP) og andre neurologiske tilstande, der påvirker motorstyring. Forståelse mekanismer forbedrer evnen til at designe effektive tiltag til målrettet kilden til nedskrivninger og aktivitetsbegrænsninger.
Mange fNIRS studier af motoriske opgaver til dato har været sammen med en sund bestand af voksne, hvor en delicipants bliver bedt om at udføre en bestemt opgave og overvågning af opgaveløsningen er begrænset til visuel inspektion. Dette kan være tilstrækkeligt for dem med typiske bevægelser og en høj grad af engagement, men er ikke acceptabelt, når man studerer deltagere med lidelser i bevægeapparatet eller dem, der har svært ved at deltage til en opgave i længere tid, herunder typisk udviklede børn. For at informere analysen af hjernen aktivering i disse tilfælde er samtidig overvågning af motorens mønster, der faktisk tilbagelagte påkrævet.
Omfattende anmeldelser af fNIRS systemer og kutymer er blevet præsenteret i litteraturen 2-5 som guide forbrug og være med til at demonstrere nøjagtigheden og følsomheden af disse systemer, men tekniske problemer i den indsamling, behandling og fortolkning af fNIRS data stadig. Farve og tykkelsen af hår påvirke kvaliteten af det optiske signal, med mørkt tykt hår mest tilbøjelige til at blokere eller fordreje optisk transmifission 3,6. Dette er især relevant, når man undersøger de sensomotoriske områder beliggende på kronen område af hovedet, hvor hårsækken tæthed er den største, og nogle undersøgelser rapporterer ikke responderede 6,7. Den veletablerede International 10/20 kan anvendes til anbringelse af optodes, men især i tilfælde af personer med atypisk hjerneanatomi, co-registrering af optode placering til en deltagers anatomisk MRI er meget nyttig, hvis ikke afgørende nøjagtigt at fortolke resultater.
Brugen af fNIRS at vurdere hjernens aktivering i barndommen debut hjerneskade er forholdsvis ny, men få trækkraft på området for ensidig cerebral parese 6,8,9. I betragtning af de ovennævnte udfordringer, denne protokol kombinerer fNIRS, motion capture og elektromyografisk (EMG) overvågning i løbet af en række opgaver, herunder simple single-fælles opgaver samt mere komplekse hele kroppen bevægelser. Visuel og auditiv vejledning er osed at forbedre opmærksomhed og opgaveløsning på tværs af flere aldre deltagere. Målet med protokollen er at identificere forskelle i hjernen aktivering mønstre i dem med ensidig og bilaterale barndom debut hjerneskade i forhold til dem, der typisk udvikler. Vi udforsker en fuld kropsbevægelser (gangart), en bilateral lavere ekstremitet flere fælles bevægelse (cykling), og to ensidige enkelt fælles bevægelser (isoleret ankel dorsiflexion, og isoleret hånd klemme) for at illustrere de mange forskellige anvendelser af metoder. Den samme eller en meget lignende protokol kan anvendes til at undersøge andre sensoriske eller bevægelsesforstyrrelser eller andre opgaver af interesse.
Kontinuerlig bølge nær infrarødt lys blev udsendt og detekteret ved 690 nm og 830 nm over sensomotoriske cortex vha fNIRS systemet med en hastighed på 50 Hz ved hjælp af en specialdesignet kilde-detektor konfiguration. EMG-data blev indsamlet trådløst ved en frekvens på 1.000 Hz. Reflekterende markør 3-D placeringer varindsamles af en optisk motion capture-system med en hastighed på 100 Hz. To forskellige computere håndteres datafangst, en for de fNIRS og en anden for motion capture og EMG. Data blev synkroniseret ved hjælp af en udløser impuls fra en tredje computer, der svarer til en mus knaptryk for at starte instruktions animation for hver opgave. For alle opgaver undtagen gangart blev Instruktionsillustrationer designet til at standardisere deltager ydelse med visuel vejledning af tempoet i en opgave (1 Hz) ved en tegneserie dyr hoppe eller sparke, samt en auditiv cue.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samtidig indsamling af hjerneaktivitet fra målrettede områder af cortex og kvantitative data om, hvordan en person bevæger sig gaver enormt potentiale for at forbedre vores forståelse af den neurale kontrol af bevægelser, både i en population typisk udvikler såvel som dem med bevægelsesforstyrrelser. Der er også bred anvendelse i form af aldre og bevægelse opgaver, der kunne være afsluttet, da deltagerne ikke er begrænset til en liggende stilling, som de ville være for en funktionel MRI. De specifikke udsty…
Divulgations
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 |
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. , (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).
