모터 작업하는 동안 동시 운동 학적 및 EMG 모니터링과 감각 및 모터 뇌 영역의 기능 근적외선 분광법
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
기능 근적외선 분광법 (fNIRS)은 인간 운동의 신경 제어의 연구에서 제시하는 것이 여러 가지 장점이있다. 이 참가자의 위치에 대해 상대적으로 유연하고 작업 동안 일부 머리의 움직임을 허용합니다. 또한, 그것의 사용에 거의 금기와, 저렴한 경량 및 휴대용입니다. 이것은 일반적으로뿐만 아니라 뇌성 마비 등의 운동 장애,있는 사람으로, 개발하고 개인의 모터 작업하는 동안 뇌 기능 활동을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 운동 장애를 고려하여 추가 연구는, 그러나, 실제 동작 수행의 품질 및 추가, 의도하지 않은 움직임을위한 전위이다. 따라서, 모두 혈류의 변화와 뇌 테스트 중에 신체의 움직임을 실제의 동시 모니터링 fNIRS 결과의 적절한 해석이 필요하다. 여기서 우리는 fNIRS의 조합을위한 프로토콜을 보여근육과 모터 작업하는 동안 운동 학적 모니터링. 우리는 걸음 걸이를 탐험, 일방적 인 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈). 제시된 기법은 둘 다 전형적인 비 전형적인 모터 제어를 연구에 유용 할 수 있고, 작업 및 과학적 문제를 폭넓게 조사하도록 변형 될 수있다.
Introduction
기능적 태스크 중 신경 이미징 피질에서 혈류 역학을 측정함으로써 뇌의 활동 영역을 식별하기 위해 비 침습성 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)를 이용하여 휴대 성 및 비용 효율적이되고있다. fNIRS의 휴대은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)와 같은 다른 기술과 수 없습니다 걸음 걸이 하나, 같은 직립 및 기능 작업의 연구에서 특히 유용하다. 이 기능은 신경과 및 신경 과학 분야에서 중요하고, 뇌성 마비 (CP) 및 모터 제어에 영향을 미치는 다른 신경 학적 조건과 어린이와 성인의 운동 장애를 기본 메커니즘에 새로운 통찰력을 제공 할 수있다. 메커니즘을 이해하는 것은 손상 및 활동 한계 소스를 대상으로 효과적인 중재를 설계하는 능력을 향상시킨다.
모터 작업의 많은 fNIRS 연구는 현재까지 성인의 건강한 인구 부분왔다icipants은 특정 작업 및 작업 성능 모니터링이 육안 검사에 제한을 수행하도록 지시한다. 이는 일반적인 운동과 참여의 높은 수준의 사람들을 위해 충분하지만, 운동 장애 또는 어려움 일반적으로 개발 어린이를 포함한 시간의 연장 기간에 대한 작업에 참석있는 사람들 참가자를 공부할 때 허용되지 않습니다 수 있습니다. 이러한 경우 뇌의 활성 분석을 알리기 위해, 실제로 완료 모터 패턴의 동시 모니터링이 요구된다.
fNIRS 시스템 및 사용량의 포괄적 인 리뷰는 문헌 사용법을 안내 데이터가 남아 fNIRS의 정확성과 이러한 시스템의 감도 있지만 수집, 처리에 기술적 문제 및 해석을 설명하는 데 도움이 2-5에 제시되었다. 색상 및 모발의 두께는 광 차단하거나 transmi 왜곡 가능성이 가장 두꺼운 검은 머리와, 광 신호의 품질에 영향ssion 3,6. 모낭 밀도가 가장 크다 정수리 영역에있는 감각 영역 공부, 일부 연구는 비 반응자에게 -6,7-보고하는 경우에 특히 적합하다. 잘 확립 된 국제 10/20 시스템 optodes의 배치를 위해 사용되지만, 특히 참가자의 해부 MRI에 optode 위치 비정형 뇌 해부학 공동 등록 가진 사람들의 경우에 정확하게 필수적 해석 할 수없는 경우에 매우 유용 할 수있다 결과.
어린 시절 발병 뇌 손상 뇌 활성화를 평가하는 fNIRS의 사용은 비교적 최근이지만, 일방적 인 뇌성 마비 6,8,9의 영역에서 견인을 얻고있다. 상술 한 과제를 고려하여,이 프로토콜은 간단한 단일 – 공동 작업뿐만 아니라 더 복잡한 전신 운동을 포함한 다수의 태스크 동안 fNIRS, 모션 캡쳐 및 근전도 (EMG) 모니터링을 결합한다. 시각 및 청각 지침은 우리입니다ED는 참가자의 여러 시대에 걸쳐 관심과 작업 성능을 향상시킬 수 있습니다. 프로토콜의 목표는 일반적으로 현상하는 사람들에 비해 단안 및 양안 소아 발병 뇌 손상과 그 뇌의 활성화 패턴의 차이를 식별하는 것이다. 우리는 방법의 응용 프로그램의 다양성을 설명하는 전신 운동 (보행), 양자 하체 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈)를 탐구한다. 동일하거나 매우 유사한 프로토콜이 다른 감각 또는 운동 장애 또는 관심의 다른 태스크를 연구하는데 이용 될 수있다.
근적 외광을 방사는 연속파 및 맞춤 설계된 소스 검출기 구성을 사용하여, 690 nm 내지 50 Hz의 레이트로 fNIRS 시스템을 사용 감각 피질 위에 830 nm에서 검출되었다. EMG 데이터는 1000 Hz의 주파수에서 무선으로 수집 하였다. 반사 마커 3-D 위치는이었다100 Hz의 레이트로 광 모션 캡쳐 시스템에 의해 수집 하였다. 두 컴퓨터는 데이터 수집, 및 모션 캡쳐를위한 EMG fNIRS 용과 다른 처리. 데이터는 각 작업에 대한 교육 애니메이션을 시작하려면 마우스 버튼을 누른에 해당하는 세 번째 컴퓨터에서 트리거 펄스를 사용하여 동기화 된. 걸음 걸이를 제외한 모든 작업의 경우, 교육 애니메이션은 만화 동물 점프 또는 발로뿐만 아니라 청각 신호로 표시되는 작업 (1 Hz에서)의 속도의 시각적 지침을 사용하여 참가자 성능을 표준화하기 위해 설계되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
피질의 대상 지역과 사람이 운동 장애와 그뿐만 아니라 일반적으로 개발 인구 모두에서 운동의 신경 제어에 대한 우리의 이해를 향상시키기위한 선물 엄청난 잠재력을 이동하는 방법에 대한 정량 데이터에서 뇌 활동의 동시 모음. 참가자들은 기능적 MRI 때처럼 앙와위로 제한되지 않기 때문에, 완료 될 수 연령과 이동 작업의 측면에서 다양한 응용이있다. 시장에서 사용할 수있는 몇몇 모션 캡쳐 …
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
