Vicino funzionale Infrared Spectroscopy delle regioni sensoriali e motorie cerebrali con simultanea cinematica e EMG monitoraggio durante compiti motori
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
Ci sono diversi vantaggi che funzionale spettroscopia vicino infrarosso (fNIRS) presenta nello studio del controllo neurale del movimento umano. È relativamente flessibile rispetto al posizionamento partecipante e consente per alcuni movimenti della testa durante compiti. Inoltre, è poco costoso, leggero, e portatile, con pochissime controindicazioni al suo utilizzo. Ciò rappresenta un'opportunità unica per studiare l'attività cerebrale funzionale durante compiti motori in individui che sono in genere sviluppando, così come quelli con disturbi del movimento, come la paralisi cerebrale. Un'ulteriore considerazione quando si studia disturbi del movimento, tuttavia, è la qualità dei movimenti eseguiti effettivi e il potenziale di ulteriori movimenti indesiderati. Pertanto, è necessario il monitoraggio simultaneo di entrambe le modifiche del flusso di sangue nel cervello e dei movimenti reali del corpo durante il test per l'interpretazione appropriata della fNIRS risultati. Qui vi mostriamo un protocollo per la combinazione di fNIRS conmuscolare e monitoraggio cinematica durante compiti motori. Esploriamo andatura, un movimento unilaterale multi-articolare (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (flessione dorsale della tibiotarsica isolato, e isolato mano spremitura). Le tecniche presentate possono essere utili per lo studio sia di controllo tipico e atipico del motore, e può essere modificato per indagare su una vasta gamma di attività e questioni scientifiche.
Introduction
L'imaging neurale durante compiti funzionali è diventato più portatile e conveniente utilizzando non invasiva spettroscopia nel vicino infrarosso funzionale (fNIRS) per identificare le aree di attività cerebrale misurando dinamica del flusso di sangue al corteccia. La portabilità dei fNIRS è particolarmente utile nello studio dei compiti verticali e funzionali tali andatura 1, che non è possibile con altre tecnologie, come la risonanza magnetica (fMRI). Questa capacità è fondamentale nel campo della neurologia e neuroscienze, e potrebbe fornire nuove informazioni sui meccanismi sottostanti disturbi del movimento nei bambini e negli adulti con paralisi cerebrale (CP) e di altre condizioni neurologiche che colpiscono il controllo motorio. Comprendere i meccanismi migliora la capacità di progettare interventi efficaci per indirizzare la fonte di svalutazioni e limitazioni di attività.
Molti fNIRS studi di compiti motori ad oggi sono stati con una popolazione sana di adulti in cui una parteicipants sono incaricati di eseguire una determinata attività e il monitoraggio delle prestazioni dell'attività è limitata a controllo visivo. Questo può essere sufficiente per coloro con i movimenti tipici e un alto livello di impegno, ma non è accettabile quando si studia partecipanti con disturbi del movimento o coloro che hanno difficoltà a partecipare ad un compito per lunghi periodi di tempo, compresi i bambini con sviluppo tipico. Al fine di informare l'analisi di attivazione cerebrale in questi casi, è necessario il monitoraggio simultaneo del modello del motore che viene effettivamente completato.
Recensioni complete di sistemi fNIRS e costumi sono stati presentati in letteratura 2-5 che guida l'uso e contribuire a dimostrare la precisione e la sensibilità di questi sistemi, ma problemi tecnici della raccolta, l'elaborazione e l'interpretazione dei dati fNIRS rimangono. Colore e spessore dei capelli incidono sulla qualità del segnale ottico, con capelli spessi scuri più probabile per bloccare o falsare trasmettitore di otticafissione 3,6. Questo è particolarmente rilevante quando si studiano le aree senso-motori situati nella zona superiore della testa dove la densità del follicolo pilifero è il più grande, e alcuni studi riferire non-responder 6,7. Il ben noto sistema internazionale 10/20 può essere utilizzato per il posizionamento dei optodes, ma in particolare nel caso di quelli con anatomia cerebrale atipica, co-registrazione di posizione optode per MRI anatomica di un partecipante è molto utile se non indispensabile interpretare accuratamente la risultati.
L'uso di fNIRS per valutare l'attivazione del cervello in danno cerebrale ad esordio infantile è piuttosto recente, ma guadagnando la trazione nel settore delle unilaterale cerebrale 6,8,9 paralisi. In considerazione delle sfide di cui sopra, questo protocollo unisce fNIRS, motion capture, e elettromiografico (EMG) il monitoraggio nel corso di una serie di attività, tra cui semplici operazioni single-comuni, nonché i movimenti di tutto il corpo più complesse. Guida visiva e uditiva è noied a migliorare le prestazioni e l'attenzione compiti su più età dei partecipanti. L'obiettivo del protocollo è quello di individuare le differenze nei pattern di attivazione cerebrale nei pazienti con esordio infantile lesioni cerebrali unilaterali e bilaterali rispetto a coloro che sono in genere in via di sviluppo. Esploriamo un movimento tutto il corpo (andatura), una estremità inferiore movimento multi-articolare bilaterale (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (isolato flessione dorsale della caviglia, e isolato mano spremitura) per illustrare la varietà di applicazioni dei metodi. Lo stesso o un protocollo molto simile potrebbe essere utilizzato per studiare altri disturbi sensoriali o movimento o ad altre attività di interesse.
Onda continua pressi luce infrarossa è stata emessa e rilevata a 690 nm e 830 nm su cortecce sensori utilizzando il sistema fNIRS ad una velocità di 50 Hz, utilizzando una configurazione personalizzata progettata sorgente-detector. Dati EMG sono stati raccolti in modalità wireless ad una frequenza di 1000 Hz. Marcatori riflettenti posizioni 3-D sono statiraccolte da un sistema di cattura motion ottica ad una velocità di 100 Hz. Due computer diversi trattati di acquisizione dati, una per i fNIRS e un altro per il motion capture e EMG. I dati sono stati sincronizzati con un impulso di scatto da un terzo computer che corrisponde ad un pulsante del mouse per avviare l'animazione didattica per ogni attività. Per tutte le attività, ad eccezione andatura, animazioni didattiche sono stati progettati per standardizzare le prestazioni dei partecipanti utilizzando una guida visiva di ritmo di un compito (1 Hz), rappresentato da un cartone animato animale saltare o di calcio, così come un spunto uditivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Collezione contemporanea di attività cerebrale dalle zone mirate della corteccia e dei dati quantitativi su come una persona si muove presenta un enorme potenziale per migliorare la nostra comprensione del controllo neurale del movimento, sia in una popolazione in genere in via di sviluppo, così come quelli con disturbi del movimento. C'è anche una vasta applicazione in termini di età e di attività di spostamento che potrebbero essere completati, in quanto i partecipanti non si limitano ad una posizione supina …
Declarações
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 |
Referências
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