Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho das Regiões sensoriais e motoras do cérebro com simultânea cinemática e Monitoramento EMG Durante tarefas motoras
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
Há várias vantagens que a espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) apresenta no estudo do controlo de movimento neural humana. É relativamente flexível no que diz respeito ao posicionamento participante e permite alguns movimentos de cabeça durante as tarefas. Além disso, é de baixo custo, peso leve, portátil e, com muito poucas contra-indicações para a sua utilização. Isto representa uma oportunidade única para estudar a atividade cerebral funcional durante tarefas motoras em indivíduos com desenvolvimento típico, bem como aqueles com distúrbios do movimento, como a paralisia cerebral. Uma consideração adicional quando se estuda distúrbios do movimento, no entanto, é a qualidade dos movimentos reais executadas eo potencial para movimentos adicionais, não intencionais. Portanto, o monitoramento simultâneo de ambas as alterações de fluxo sanguíneo no cérebro e movimentos reais do corpo durante o teste é necessário para a interpretação adequada de fNIRS resultados. Aqui, nós mostramos um protocolo para a combinação de fNIRS commuscular e monitoramento cinemática durante tarefas motoras. Nós exploramos a marcha, um movimento unilateral multi-articular (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão apertar). As técnicas apresentadas pode ser útil no estudo de controlo, tanto típicos e atípicos do motor, e podem ser modificados para investigar uma variedade de tarefas e perguntas científicas.
Introduction
Imaging Neural durante tarefas funcionais tornou-se mais portáteis e custo-eficiente usando espectroscopia no infravermelho próximo funcional não invasiva (fNIRS) para identificar áreas de atividade cerebral medindo dinâmica do fluxo sanguíneo no córtex. A portabilidade de fNIRS é especialmente útil para o estudo das funções na posição vertical e funcionais, tais como marcha 1, o que não é possível com outras tecnologias, tais como imagem de ressonância magnética (RMF). Esta capacidade é fundamental nas áreas de neurologia e neurociências, e poderia fornecer novos insights sobre os mecanismos subjacentes distúrbios do movimento em crianças e adultos com paralisia cerebral (PC) e outras condições neurológicas que afetam o controle motor. Compreender os mecanismos de melhora a capacidade de projetar intervenções eficazes para atingir a fonte de deficiências e limitações de atividade.
Muitos fNIRS estudos de tarefas motoras até à data foram com uma população saudável de adultos onde parteicipants são instruídos a executar uma determinada tarefa e monitoramento do desempenho da tarefa se limita à inspecção visual. Isso pode ser suficiente para aqueles com movimentos típicos e um alto nível de engajamento, mas não é aceitável quando se estuda os participantes com distúrbios do movimento ou aqueles que têm dificuldade em participar de uma tarefa por longos períodos de tempo, incluindo crianças com desenvolvimento típico. A fim de informar a análise de activação cerebral nestes casos, é necessária a monitorização simultânea do padrão motor que está realmente completa.
Revisões completas de sistemas fNIRS e usos têm sido apresentados na literatura 2-5 que orientam o uso e ajudar a demonstrar a precisão e sensibilidade desses sistemas, mas problemas técnicos na coleta, processamento e interpretação de dados fNIRS ainda permanecem. Cor e espessura do cabelo afetar a qualidade do sinal óptico, com cabelo escuro e espesso mais provável para bloquear ou distorcer transmi ópticassion 3,6. Isto é especialmente relevante quando se estudam as áreas sensório-motores localizados na área da coroa da cabeça, onde a densidade folículo piloso é o maior, e alguns estudos relatam que não responderam 6,7. O sistema internacional 10/20 bem estabelecida pode ser utilizado para a colocação dos optodes, mas em particular no caso das pessoas com a anatomia do cérebro atípico, co-registro de localização optode para MRI anatômica de um participante é muito útil se não essencial para interpretar com precisão o resultados.
O uso de fNIRS para avaliar a ativação do cérebro em lesão cerebral de início na infância é relativamente recente, mas ganhando força na área de unilateral 6,8,9 paralisia cerebral. Em consideração aos desafios acima mencionados, este protocolo combina fNIRS, captura de movimento, e eletromiografia (EMG) de monitoramento durante uma série de tarefas, incluindo as tarefas de single-conjuntos simples, bem como mais complexos movimentos de corpo inteiro. Orientação visual e auditiva é-nosed para melhorar o desempenho de atenção e de tarefas através de múltiplas idades dos participantes. O objetivo do protocolo é o de identificar as diferenças nos padrões de ativação cerebral em pessoas com a infância de início lesão cerebral unilateral e bilateral em comparação com aqueles que são tipicamente em desenvolvimento. Nós exploramos um movimento de corpo inteiro (marcha), uma extremidade inferior movimento multi-articular bilateral (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão espremendo) para ilustrar a variedade de aplicações dos métodos. O mesmo ou um protocolo muito semelhante pode ser utilizada para estudar outras distúrbios sensoriais ou do movimento ou outras tarefas de interesse.
Onda contínua perto de luz infravermelha emitida e foi detectada a 690 nm e 830 nm ao longo dos córtices sensório-motores que utilizam o sistema fNIRS a uma velocidade de 50 Hz, utilizando uma configuração personalizada da fonte eo detector. Dados EMG foram coletados sem fio a uma frequência de 1.000 Hz. Marcadoras Reflective locais 3-D foramrecolhido por um sistema de captura de movimento óptico a uma velocidade de 100 Hz. Dois computadores diferentes tratadas de aquisição de dados, um para os fNIRS e outro para a captura de movimento e EMG. Os dados foram sincronizados usando um pulso de disparo de um terceiro computador que corresponde a um botão do mouse prima para iniciar a animação de instrução para cada tarefa. Para todas as tarefas, com exceção da marcha, animações instrucionais foram projetados para padronizar desempenho dos participantes usando a orientação visual do ritmo de uma tarefa (1 Hz), representado por um animal do salto ou chutar, bem como um sinal sonoro.
Protocol
Representative Results
Discussion
Coleta simultânea de atividade cerebral a partir de áreas específicas do córtex e dados quantitativos sobre a forma como a pessoa está se movendo apresenta um enorme potencial para melhorar a nossa compreensão do controle neural do movimento, tanto em uma população com desenvolvimento normal, bem como aqueles com distúrbios do movimento. Há também uma ampla aplicação em termos de idades e tarefas de movimento que poderiam ser concluídas, como os participantes não são restritos a uma posição supina como…
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 |
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