קרוב פונקציונלי אינפרא אדום ספקטרוסקופיה של אזורים חושיים ומוטורי במוח עם סימולטני Kinematic וניטור EMG במהלך משימות מוטוריות
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
ישנם מספר יתרונות שספקטרוסקופיה הפונקציונלית קרוב אינפרא אדום (fNIRS) מציגה במחקרה של הבקרה העצבית של תנועה אנושית. זה הוא יחסית גמיש ביחס למיצוב משתתף ומאפשר לכמה תנועות ראש במהלך משימות. בנוסף, הוא זול, קל משקל, ונייד, עם מעט מאוד התוויות נגד לשימוש בו. זה מהווה הזדמנות ייחודית ללמוד את פעילות מוח תפקודית במטלות מוטוריות באנשים שבדרך כלל מתפתחים, כמו גם אלה עם הפרעות תנועה, כגון שיתוק מוחין. תמורה נוספת כאשר לומדים הפרעות תנועה, עם זאת, היא באיכות של תנועות בפועל בוצעו ואת הפוטנציאל לתנועות נוספות, בלתי צפויות. לכן, ניטור בו-זמני של שני זרימת דם השינויים במוח ובתנועות ממשיות של הגוף במהלך הבדיקה דרוש לפרשנות ראויה של תוצאות fNIRS. כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשילוב של fNIRS עםשריר וניטור kinematic במהלך משימות מוטוריות. אנו חוקרים הליכה, תנועה חד-צדדית רב משותפת (רכיבה על אופניים), ושתי תנועות החד-צדדיות חד-משותפות (dorsiflexion מבודד את הקרסול, ויד סחיטה מבודדת). הטכניקות שהוצגו יכולות להיות שימושיות בלימוד שתי שליטה טיפוסית ולא טיפוסית המוטורית, ויכולות להיות שונה כדי לחקור מגוון רחב של משימות ושאלות מדעיות.
Introduction
הדמיה עצבית במהלך משימות פונקציונליות הפכה להיות יותר ניידת וחסכונית באמצעות ספקטרוסקופיה לא פולשנית הפונקציונלית הקרובה אינפרא אדום (fNIRS) כדי לזהות אזורים של פעילות המוח על ידי מדידת זרימת דם דינמיקה בקליפת המוח. הניידות של fNIRS שימושית במיוחד במחקר של משימות זקופות ופונקציונליות כגון הליכת 1, דבר שאינה אפשרי עם טכנולוגיות אחרות, כגון הדמיה תפקודית בתהודה מגנטית (fMRI). יכולת זו היא קריטית בתחומי הנוירולוגיה ומדעי המוח, ויכולה לספק תובנות חדשות על מנגנוני הפרעות תנועה בילדים ומבוגרים עם שיתוק המוחין (CP) ותנאי נוירולוגיות אחרים המשפיעים על שליטה מוטורית. הבנת מנגנונים משפרת את היכולת לתכנן התערבויות יעילות למקד את מקור ליקויים ומגבלות פעילות.
מחקרי fNIRS רב של מטלות מוטוריות עד כה היו עם אוכלוסייה בריאה של מבוגרים שבו חלקicipants מונחים לבצע משימה מסוימת וניטור של ביצועי משימה מוגבל לבדיקה ויזואלית. זה יכול להיות מספיק עבור אלה עם תנועות אופייניות ורמה גבוהה של מעורבות, אבל לא מקובל כאשר לומדים משתתפים עם הפרעות תנועה או מי שיש להם קושי במחנה למשימה לתקופות זמן ארוך, כוללים ילדים בדרך כלל מתפתחים. על מנת ליידע את הניתוח של הפעלת המוח במקרים אלה, נדרש ניטור בו-זמני של הדפוס המוטורי שהושלם למעשה.
סקירות מקיפות במערכות fNIRS ושימושים הוצגו בספרות 2-5 המנחה את השימוש ולעזור כדי להדגים את הדיוק ורגישות של מערכות אלה, אבל בעיות טכניות באיסוף, העיבוד ופרשנות של fNIRS נתונים עדיין יישארו. צבע ועובי השיער משפיעים על איכות של האות האופטי, עם שיער עבה כהה סיכוי הטוב ביותר כדי לחסום או לעוות transmi האופטיssion 3,6. זה רלוונטי במיוחד כאשר בוחן את האזורים הסנסורית ממוקמים באזור הכתר של הראש שבי צפיפות זקיקי שיער היא הגדולה ביותר, וחלק מהמחקרים דיווחו שלא הגיב 6,7. המערכת המבוססת היטב 10/20 הבינלאומי יכולה לשמש עבור מיקום של optodes, אבל במיוחד במקרה של אלה עם אנטומיית מוח לא טיפוסית, שיתוף רישום של מיקום optode לMRI האנטומי של משתתף היא מאוד שימושי אם לא חיוני לפרש בצורה מדויקת תוצאות.
השימוש בfNIRS להעריך הפעלת מוח בפגיעה מוחית ילדות הופעה הוא חדש יחסית, אך צובר תאוצה בתחום 6,8,9 שיתוק מוחין החד-צדדיים. בתמורה לאתגרים הנ"ל, פרוטוקול זה משלב fNIRS, לכידת תנועה, וניטור electromyographic (EMG) במספר המשימות, כוללים משימות חד-משותפות פשוטות, כמו גם תנועות גוף מלא מורכבות יותר. הדרכה חזותית ושמיעתית היאed כדי לשפר את תשומת לב ומשימת ביצועים על פני גילים מרובים משתתפים. המטרה של הפרוטוקול היא לזהות הבדלים בדפוסי פעילות מוח בחולים עם פגיעה מוחית ילדות הופעה חד-צדדית ודו-צדדית בהשוואה לאלו שבדרך כלל מתפתחים. אנו חוקרים תנועת גוף מלאה (הליכה), תנועה הדו-צדדית בגפיים התחתונים רב משותפת (רכיבה על אופניים), ושתי תנועות חד-חד-צדדיות משותפות (dorsiflexion קרסול מבודד, ויד סחיטה מבודדת) כדי להמחיש את מגוון רחב של יישומים של השיטות. יכולים לשמש זהה או פרוטוקול דומה מאוד ללמוד הפרעות חושיות או תנועה אחרות או משימות אחרות של עניין.
גל מתמשך ליד אור אינפרא אדום היה נפלטת וזוהה ב690 nm 830 ננומטר ומעל הקורטקס הסנסורי-המוטורי באמצעות מערכת fNIRS בשיעור של 50 הרץ, שימוש בתצורת מקור-גלאי מעוצב בהתאמה אישית. הנתונים נאספו באופן אלחוטי EMG בתדר של 1000 הרץ. מקומות 3-D סמן רעיוני היושנאסף על ידי מערכת לכידת תנועה אופטית בקצב של 100 הרץ. שני מחשבים שונים טיפלו רכישת נתונים, אחד לfNIRS ואחר ללכידת התנועה וEMG. הנתונים שסונכרנו באמצעות דופק הדק ממחשב שלישי שמתאים ללחצו על לחצן עכבר כדי להתחיל את האנימציה הוראה לכל משימה. לכל המשימות חוץ מהליכה, אנימציות הוראה נועדו לתקנן ביצועי משתתף באמצעות הדרכה חזותית של קצב משימה (1 הרץ), המיוצגים על ידי קפיצת קריקטורה בעלי חיים או בעיטות, כמו גם אות שמיעתית.
Protocol
Representative Results
Discussion
אוסף בו זמנית של פעילות המוח באזורים ממוקדים של קליפת המוח ונתונים כמותיים על איך אדם נע פוטנציאל אדיר מתנות לשיפור ההבנה של השליטה העצבית של תנועה שלנו, הן באוכלוסייה בדרך כלל מתפתחת, כמו גם אלה עם הפרעות תנועה. יש גם יישום רחב במונחים של גילים ומשימות תנועה שניתן הי?…
Disclosures
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).
