Motorlu Görevler sırasında Eşzamanlı Kinematik ve EMG İzleme ile Duyusal ve Motor Beyin Bölgeleri Fonksiyonel Yakın Kızılötesi Spektroskopisi
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
Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) insan hareketinin nöral kontrolü çalışmasında sunduğu çeşitli avantajları vardır. Bu katılımcı konumlandırma göre, görece esnektir ve görevleri sırasında bir baş hareketleri sağlar. Buna ek olarak, kullanımı çok az kontrendikasyonlar, ucuz, hafif, ve taşınabilir. Bu genellikle de beyin felci gibi hareket bozuklukları, olanlar gibi, gelişmekte olan bireylerde motor görevleri sırasında fonksiyonel beyin aktivitesini incelemek için eşsiz bir fırsat sunuyor. Hareket bozuklukları okuyan bir ek bedel, ancak, yapılan fiili hareketlerin kalitesi ve ek, istenmeyen hareketler için potansiyel olduğunu. Bu nedenle, hem kan akışı beyinde değişiklikler ve test sırasında vücuda gerçek hareketlerin aynı anda izlenmesi fNIRS sonuçlarını uygun yorumlanması gereklidir. Burada, fNIRS kombinasyonu ile bir protokol göstermektedirkas ve motor görevleri sırasında kinematik izleme. Biz yürüyüşü keşfetmek, tek taraflı çok ortak hareket (bisiklet) ve iki tek taraflı tek eklem hareketleri (izole ayak bileği dorsifleksiyon ve izole el sıkma). Sunulan tekniklerin her ikisi de tipik ve atipik motor kontrolü üzerinde çalışılmasında faydalı olabilir ve görevler ve bilimsel soru geniş bir araştırmak için modifiye edilebilir.
Introduction
Fonksiyonel görevleri sırasında nöral görüntüleme kortekste kan akış dinamiklerini ölçerek beynin faaliyet alanlarını belirlemek için non-invaziv fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) kullanarak daha taşınabilir ve düşük maliyetli hale gelmiştir. fNIRS taşınabilirliği bu fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (iMRG) gibi diğer teknolojiler ile mümkün değildir yürüme 1 olarak dik ve fonksiyonel görevleri çalışmada özellikle yararlıdır. Bu yetenek nöroloji ve nörobilim alanında kritik ve serebral palsi (CP) ve motor kontrolünü etkileyen diğer nörolojik sorunları olan çocukların ve yetişkinlerin hareket bozuklukları yatan mekanizmalar yeni bakış açıları sağlayabilir. Mekanizmaların anlaşılması engelli ve faaliyet sınırlamaları kaynağını hedef etkili müdahaleleri tasarım yeteneğini geliştirir.
Motor görevlerin çoğu fNIRS çalışmaları bugüne kadar yetişkinlerin sağlıklı bir nüfusa parçası ile olmuşturicipants belirli bir görevi ve görev performansı izleme, görsel muayene ile sınırlıdır gerçekleştirmek için talimat. Bu tipik hareketleri ve angajman yüksek seviyede olanlar için yeterli, ancak hareket bozuklukları veya zorluk genellikle gelişmekte olan çocuklar dahil uzun süre çalıştırılması için bir göreve katılıyor olanlar katılımcılara eğitim sırasında kabul edilemez olabilir. Bu durumlarda beyin faaliyetinin analizini bilgilendirmek amacıyla aslında tamamlandığında, motor modeli aynı anda izlenmesi gereklidir.
FNIRS sistemleri ve kullanımları Kapsamlı yorum literatür kullanımını rehberlik ve veriler hala devam fNIRS doğruluğunu ve bu sistemlerin duyarlılık, ancak toplama, işleme, teknik konular ve yorumunu göstermek için yardımcı 2-5 olarak sunulmuştur. Renk ve saç kalınlığı engellemek veya optik Şanzıman çarpıtmak büyük olasılıkla koyu kalın saçlı, optik sinyalin kalitesini etkileyensalgılanması 3,6. Saç folikülü yoğunluğu büyük olan baş tacı alan üzerine duyusal alanları inceleyerek, ve bazı çalışmalar olmayan müdahalesinde 6,7 rapor Bu özellikle geçerlidir. iyi kurulmuş Uluslararası 10/20 sistem optodes yerleştirilmesinde kullanılan, ama özellikle bir katılımcının anatomik MRG optode konumu atipik beyin anatomisi, eş-kayıt olanların durumunda doğru yorumlamak için gerekli değilse çok yararlı olduğunu olabilir Sonuçlar.
Çocukluk başlangıçlı beyin hasarı beyin aktivasyonunu değerlendirmek için fNIRS kullanımı oldukça yenidir, ancak tek taraflı serebral palsi 6,8,9 alanında çekiş kazanıyor. Anılan zorluklar dikkate alınarak, bu protokol basit tek-ortak görevler yanı sıra daha karmaşık tam vücut hareketleri gibi çeşitli görevleri bir dizi, sırasında fNIRS, hareket yakalama ve elektromiyografi (EMG) izleme birleştirir. Görsel ve işitsel rehberlik bizized katılımcıların birden çağlar boyunca ilgi ve görev performansını artırmak için. Protokolün amacı, genellikle gelişmekte olanlara kıyasla tek taraflı ve ikili çocukluk başlangıçlı beyin hasarı olanlarda beyin aktivasyon desenleri farklılıkları tespit etmektir. Biz yöntemler uygulama çeşitliliği göstermek için bir tam vücut hareketi (yürüyüş), bir ikili alt ekstremite çok ortak hareket (bisiklet) ve iki tek taraflı tek eklem hareketlerini (izole ayak bileği dorsifleksiyon ve izole el sıkma) keşfetmek. aynı ya da çok benzer bir protokol diğer duyusal ya da hareket bozuklukları ya da ilgili diğer görevleri çalışma için kullanılabilir.
Yakın kızılötesi ışınları Sürekli dalga yayılan ve özel olarak tasarlanmış kaynak dedektör yapılandırmayı kullanarak, 690 nm ve 50 Hz hızında fNIRS sistemini kullanarak sensörimotor korteks üzerinde 830 nm'de tespit edildi. EMG verileri 1000 Hz'lik bir frekansta kablosuz toplanmıştır. Yansıtıcı işaretleyici 3-D yerleri vardı100 Hz bir hızda bir optik hareket yakalama sistemi ile toplandı. İki farklı bilgisayar veri toplama, hareket yakalama ve EMG için fNIRS için bir başka ele. Veriler, her görev için öğretim animasyonu başlatmak için bir fare düğmesine basın karşılık gelen üçüncü bir bilgisayara bir tetik darbe ile senkronize edildi. Yürümenin dışında tüm görevler için, öğretim animasyonlar bir karikatür hayvan atlama ya da tekmeleme, yanı sıra işitsel işaret ile temsil edilen bir görev (1 Hz), hızı görsel rehberlik kullanarak katılımcı performansını standardize etmek tasarlanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Korteks hedeflenen alanlarda ve bir kişinin hareket bozukluğu olanlar gibi tipik bir gelişmekte olan nüfus, hem hareketin nöral kontrolü anlayışımızı geliştirmek için hediyeler muazzam potansiyeli hareket nasıl hakkında nicel verilerle beyin aktivitesinin Eşzamanlı koleksiyonu. Katılımcılar fonksiyonel MRI olurdu sırt üstü yatırıldı sınırlı değildir gibi, tamamlanmış olabilir yaş ve hareket görevleri açısından geniş uygulama bulunmaktadır. piyasada birçok hareket yakalama ve harek…
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).
