Funktionale Nahinfrarotspektroskopie der die sensorischen und motorischen Hirnregionen mit Simultaneous kinematische und EMG-Überwachung Während Motor Aufgaben

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.

Es gibt mehrere Vorteile, die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) stellt bei der Untersuchung der neuronalen Steuerung der Bewegung des Menschen. Es ist relativ flexibel im Hinblick auf die Positionierung und Teilnehmer ermöglicht einige Kopfbewegungen während Aufgaben. Zudem ist es kostengünstig, leicht und tragbar, mit sehr wenigen Kontra seine Verwendung. Dies stellt eine einzigartige Gelegenheit, um funktionelle Aktivität des Gehirns während des Motor Aufgaben bei Personen, die in der Regel der Entwicklung sind, als auch solche mit Bewegungsstörungen, wie Zerebralparese studieren. Eine weitere Überlegung bei der Untersuchung von Bewegungsstörungen, ist jedoch die Qualität der tatsächlichen Bewegungen durchgeführt und das Potenzial für zusätzliche, unbeabsichtigte Bewegungen. Daher wird die gleichzeitige Überwachung der beiden Veränderungen des Blutflusses im Gehirn und tatsächlichen Bewegungen des Körpers während des Tests für eine angemessene Interpretation fNIRS Ergebnisse erforderlich. Hier zeigen wir ein Protokoll für die Kombination mit fNIRSMuskel- und kinematische Überwachung während motorische Aufgaben. Wir erkunden Gang, eine einseitige Mehrgelenkbewegung (Radfahren) und zwei einseitige Single-Joint-Bewegungen (isolated Knöcheldorsalflexion und isolierten Hand Quetschen). Die vorgestellten Techniken können bei der Untersuchung sowohl typischen und atypischen Motorsteuerung, und kann geändert werden, um ein breites Spektrum an Aufgaben und wissenschaftliche Fragen untersucht werden.

Neuronale Bildgebung während funktionale Aufgaben geworden tragbar und kostengünstig unter Verwendung von nicht-invasiven funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) auf Bereiche der Gehirnaktivität durch Messen von Blutströmungsdynamik an der Hirnrinde zu identifizieren. Die Tragbarkeit fNIRS ist besonders nützlich bei der Untersuchung der aufrechten und funktionellen Aufgaben wie Gang ^1, das nicht mit anderen Techniken möglich, wie funktionelle Kernspintomographie (fMRI). Diese Fähigkeit ist wichtig, auf dem Gebiet der Neurologie und Neurowissenschaften, und konnten neue Erkenntnisse über Mechanismen, die Bewegungsstörungen bei Kindern und Erwachsenen mit Zerebralparese (CP) und anderen neurologischen Bedingungen, die Motorsteuerung zu schaffen. Das Verständnis Mechanismen verbessert die Fähigkeit, wirksame Maßnahmen, um die Quelle von Wertberichtigungen und Aktivitätseinschränkungen Ziel zu entwerfen.

Viele fNIRS Studium der motorischen Aufgaben bis heute mit einer gesunden Population von Erwachsenen, wo ein Teil gewesenicipants werden angewiesen, eine bestimmte Aufgabe und die Überwachung der Ausführung der Aufgaben wird einer Sichtprüfung begrenzt durchzuführen. Dies kann ausreichend für die mit typischen Bewegungen und hoher Eingriff sein, ist aber nicht akzeptabel, wenn das Studium Teilnehmern Bewegungsstörungen oder diejenigen, die Schwierigkeiten Teilnahme an einer Aufgabe für längere Zeiträume, typischerweise einschließlich Entwicklungs Kinder haben. Um die Analyse der Hirnaktivität in diesen Fällen zu informieren, ist die gleichzeitige Überwachung der motorischen Muster, das tatsächlich abgeschlossen ist erforderlich.

Umfassende Bewertungen fNIRS Systeme und Gebräuche wurden in der Literatur ^5.2, die Nutzung führen und dazu beitragen, die Genauigkeit und Empfindlichkeit dieser Systeme, aber technische Probleme bei der Erhebung, Verarbeitung und Interpretation von Daten fNIRS immer noch zeigen, vorgestellt. Farbe und Dicke der Haare beeinflussen die Qualität des optischen Signals, mit dunklem dickes Haar am ehesten zu blockieren oder zu verfälschen optische Durchlichtssion ^3,6. Dies ist besonders relevant, wenn das Studium der sensomotorischen Bereichen auf dem Kronenbereich des Kopfes, wo Haarfollikel Dichte ist die größte befindet, und einige Studien berichten Non-Responder ^6,7. Die bewährte Internationale 10/20 System kann für die Platzierung der Optoden verwendet werden, aber vor allem im Fall von denen, die mit atypischen Hirnanatomie, Co-Registrierung von Optode Lage anatomischer MRI eines Teilnehmers ist sehr nützlich, wenn nicht unerlässlich, genau zu deuten die Ergebnisse.

Die Verwendung von fNIRS um Gehirnaktivierung in der Kindheit beginnHirnVerletzung zu beurteilen ist ziemlich neu, aber an Zugkraft gewinnen im Bereich der einseitigen Zerebralparese ^6,8,9. Unter Berücksichtigung der oben genannten Herausforderungen, dieses Protokoll verbindet fNIRS, film, und Elektromyographie (EMG) Überwachung während einer Reihe von Aufgaben, einschließlich der einfachen Single-Joint-Aufgaben sowie komplexer Ganzkörper-Bewegungen. Visuellen und auditiven Führung ist unsed, um die Aufmerksamkeit und die Aufgabenerfüllung in mehreren Altersstufen der Teilnehmer zu verbessern. Ziel des Protokolls ist es, Unterschiede in der Hirnaktivierungsmuster bei Patienten mit uni- und bilaterale Kindheit einsetzende Hirnverletzung im Vergleich zu denen, die in der Regel der Entwicklung zu identifizieren. Wir erkunden eine Ganzkörper-Bewegung (Gang), ein bilaterales unteren Extremität Mehrgelenkbewegung (Radfahren) und zwei einseitige Single-Joint-Bewegungen (isolated Knöcheldorsalflexion und isolierten Hand Quetschen), um die Vielzahl von Anwendungen der Verfahren zu veranschaulichen. Das gleiche oder ein sehr ähnliches Protokoll verwendet werden, um andere sensorische oder Bewegungsstörungen oder andere Aufgaben von Interesse zu untersuchen.

Dauerstrich- Nahinfrarotlicht emittiert wurde und bei 690 nm und 830 nm in den sensomotorischen Kortex mit der fNIRS System bei einer Rate von 50 Hz erfaßt wird, unter Verwendung eines kundenspezifischen Quellen-Detektor-Konfiguration. EMG-Daten wurden drahtlos mit einer Frequenz von 1.000 Hz gesammelt. Reflektierende Marker 3-D-Standorten warendurch eine optische Bewegungserfassungssystem mit einer Rate von 100 Hz gesammelt. Zwei verschiedenen Computern abgewickelt Datenerfassung, eine für die fNIRS und eine andere für die Motion-Capture-und EMG. Die Daten wurden mit Hilfe eines Triggerimpulses von einem dritten Computer, der mit einer Maustaste drücken entspricht die Unterrichts Animation für jede Aufgabe beginnen synchronisiert. Für alle Aufgaben außer Gang, wurden Lehr Animationen entwickelt, um die Leistung zu standardisieren Teilnehmer mit visuellen Führung der Schritt einer Aufgabe (1 Hz), von einem Cartoon Tier Springen oder Treten sowie einen Gehör Cue dargestellt.

Hinweis: Dieses Protokoll wurde von der Institutional Review Board der National Institutes of Health (: NCT01829724 ClinicalTrials.gov Identifier) ​​zugelassen. Alle Teilnehmer erhalten die Gelegenheit, Fragen zu stellen und bieten Einwilligung vor ihrer Teilnahme gegeben. Unter Berücksichtigung der Änderungen der hämodynamischen Antwort von den jüngsten Einsatz von Vasodilatatoren und Vasokonstriktoren verursacht, werden die Teilnehmer gebeten, von Alkohol und Koffein für 24 Stunden vor dem Experiment ³ .Diese Animationsvideos wurden Brauch in unserem Labor unterlassen, konnte aber mit anderen aufgenommen werden Sounds oder spezifisch für alternative Forschungsfragen Bilder.

1. Stellen Sie den Raum vor Ankunft des Teilnehmers.

1. Kalibrieren Sie das Motion-Capture-Kameras in Bezug auf Koordinaten eines Labors gemäß der Motion-Capture-Herstellers spezifischen Prozess. Stellen Sie sicher, dass die Kamerapositionen wird die Aufnahme aller Marker sowohl auf dem Körper zu ermöglichenund Leiter der Teilnehmer während der Aufgaben, die getestet werden soll. Die Kalibrierung gewährleistet Genauigkeit der Motion-Capture-System und ist Standard für jede Bewegungslabor. Verwenden Sie einen zehn Kamerasystem, mit einem ungefähren Volumen von 17 m ³ in dem reflektierenden Markierungen verlässlich identifiziert werden.
2. Schließen Sie den Trigger aus dem Befehls-Computer auf BNC-Eingänge der Motion-Capture-und fNIRS Computer ". Stellen Sie sicher, dass der Auslöser auf eine Maustaste verbunden und Klicken mit der Maus den Stromkreis und sendet einen Impuls gleichzeitig an die Motion-Capture / EMG Datenerfassungskarte und die fNIRS Datenerfassungskarte als Auxillary analoge Eingänge.
3. Verbinden Sie diese Maus über den USB-Anschluss an den Computer an, die Anweisung Animationsvideos laufen, so dass ab dem Video wird eine Spannungsänderung gleichzeitig auf beiden Datenerfassungssysteme führen.
   HINWEIS: EMG-Signale werden automatisch synchronisiert und durch die Motion-Capture-Software gespeichert, so additional synching des EMG-System nicht benötigt wird.
4. Den Bildschirm und Projektor für Anweisungen gesetzt, um dem Teilnehmer angezeigt. Entfernen Sie alle nicht benötigten Elemente, die Distraktoren sein könnte. Stellen Sie das Stativ und digitale Videokamera, wo sie den Augen der Bewegungen des Teilnehmers haben.
5. Überprüfen Sie, ob reflektierenden Markierungen sicher an der Spitze jeder Optode in der Sonde angebracht ist.
6. Montieren Sie alle erforderlichen Unterlagen: Zustimmung und Zustimmung kopiert, klinische Untersuchung Blätter und experimentelle Hinweis-Blätter, zum Beispiel.

2. Grund Maßnahmen

1. Nach Abschluss der Einwilligung Prozess messen und Größe, Gewicht, Alter und Kopfumfang Rekord Teilnehmers.
2. Verwalten Edinburgh Händigkeit Bestands ¹⁰ und anderen klinischen Untersuchungen wie angegeben. Nehmen Teilnehmer berichteten Haar- und Hauttypen.
3. Zeigen reflektierenden Markierungen auf den hinteren oberen Darmbeinstachel (SIPS) bilateral. Haben die Teilnehmer zu Fuß mit ihrem gemütlichen Tempo über den Labor 3-5 Mal und mitteln die Geschwindigkeit über Versuche, ihr Selbst ausgewählten Schritttempo zu schätzen.

3. Funktions Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) Setup

Hinweis: Dies kann gleichzeitig mit dem Aufbau von EMG und Motion-Capture abgeschlossen werden, wenn es genügend Experimentatoren oder Forschungspersonal, um zu helfen, und wenn der Teilnehmer ist bequem mit mehreren Personen die Nähe zu ihnen zur gleichen Zeit.

1. Den Abstand zwischen der Nasenwurzel (Nz) und den Inion (Iz) und zwischen den präaurikulär Punkte auf der rechten Seite (Ar) und linken (Al) Ohren. Der Schnittpunkt des Mittelpunkts dieser beiden Maßnahmen ist Cz, die auf der Kopfhaut unter Verwendung einer waschbaren Markierung markiert ist.
2. Wenn der Teilnehmer hat lange Haare, Abschnitt aus kleinen Portionen der Haare mit Zöpfen oder Pferdeschwanz, um die Kopfhaut, wo Optoden platziert werden soll aus.
3. Platzieren Sie die Sonde auf fNIRS ter Teilnehmers Kopf, dabei darauf achten, mit Cz, Ar auszurichten. Dann bewegen Sie das Haar aus unter jeder Optode wie sie es auf der Kopfhaut platziert wird. Schließlich legen Klettverschlüssen in sicheren Fixierung der Optoden.
   HINWEIS: In diesem Protokoll, verwenden Sie eine Kappe, die einen Gurt, der hinter dem Kopf, eine, über die Stirn geht, und eine, die unter dem Kinn geht geht hat. Optoden auf diese Kappe mit Klettverschluss auf einem flexiblen Kunststoffring, der das Ohr umkreist verankert.
   1. Wenn der Teilnehmer hat kurze Haare (weniger als ungefähr 2 cm in der Länge), ziehen Sie Haare zwischen den Optoden mit einem kleinen dünnen Stab oder Kunststoff Ende eines Kammes.
4. Stellen Sie sicher, dass alle Optode Kabel flach, und das Optoden etwa senkrecht zur Oberfläche der Kopfhaut sind.
   1. Legen Sie gegebenenfalls ein dünnes Stück Schaumstoff unter der Gruppe von Optode Kabel an senkrechte Ausrichtung der Optoden fördern.
5. Erkundigen Sie sich bei dem Teilnehmer um Komfort der Sonden undanpassen, wenn nötig. Weisen Sie sie an die Experimentatoren sagen, ob ihre Bequemlichkeit zu jedem Zeitpunkt während des Versuchs ab.
6. Schalten Sie Quellen und überprüfen Sie die Signale.
   1. In diesem System müssen ein Signal, das eine Intensität von mindestens 80 dB und einem Herzschlag in den deltaOD (Veränderung der optischen Dichte) Signal deutlich sichtbar ist, die an beiden 690 und 830 nm Wellenlänge hat. Wenn Kanäle Signale diesen Kriterien nicht entsprechen, zu bestätigen, dass Haare nicht die Blockierung der Optode (n) und stellen Sie dann Detektor Gewinne wie notwendig, um die Signalstärke zu maximieren. Stellen Sie sicher, dass die Motion-Capture-Kameras sind während dieser Zeit.
      Hinweis: andere fNIRS Maschinen können bei Wellenlängen bis 690 verschiedene und 830 nm zu betreiben; in diesem Fall, ob die Wellenlängen am besten geeignet, um die Maschine benutzt wird.
7. Fügen reflektierenden Markierungen auf Nz, Iz, Ar und Al. Bitten Sie die Teilnehmer, noch halten und sammeln Sie ca. 2 Sekunden von Motion-Capture-Daten für diese und die fNIRS Optode Marker. Überprüfen Sie, oballe Marker aufgezeichnet wurden, und sammeln Sie zusätzliche Prüfungen nach Bedarf. Er kann die Teilnehmer benötigen, um die Kopfposition zu ändern, um zu verbessern die Sichtlinie zwischen den Kameras und den Markern. Mit diesen gesammelten dreidimensionale Positionen während der Analyse für probabilistische Registrierung von einzelnen Struktur MRI eines Teilnehmers, sofern verfügbar.
8. Fügen Sie eine Abdeckung mit mehreren Schichten von schwarzem Filz oder anderen optisch absorbierendem Material auf der Oberseite der fNIRS Optoden an Detektoren von Interferenzen und Sättigung der Motion-Capture-Kameras zu schützen. Stellen Sie sicher, dass die Kabel und Frontplatte des fNIRS Einheit sind auch gut mit dem gleichen optisch absorbierenden Material abgeschirmt.

4. Oberflächen Elektromyographie (EMG) Setup-

1. Suchen Sie den Muskelbauch jeder gezielten Muskel mit anatomischen Merkmalen, Palpation während der Muskelkontraktion und Elektrodenplatzierung Führungen ^11.
   HINWEIS: Die in diesem Protokoll gezielt Muskeln sind bilateral medialen gastrocnemius, M. tibialis anterior, Rectus femoris, M. vastus lateralis, M. biceps femoris, M. extensor carpi radialis und M. flexor carpi radialis.
2. Bereiten Sie sich für EMG Elektrodenplatzierung über den Muskelbauch nach der Rasur zu entfernen abgestorbene Hautzellen mit Band, und dann die Reinigung mit einem Isopropylalkohol-Pad, wie SENIAM ¹² empfohlen und warten auf die Haut trocknen lassen.
3. Platzieren EMG-Elektrode zu der Richtung der Muskelfasern orientiert.
4. Wickeln Sie eng mit einem selbsthaftende Wrap.
5. Überprüfen Muskelsignale auf dem Computer während der Durchführung manueller Muskeltests, um eine ordnungsgemäße Platzierung der Elektroden und übersichtliche Visualisierung der Signalwechsel zu gewährleisten, wenn der Muskel aktiv ist.

5. Motion Capture-Setup

1. Zeigen reflektierenden Markierungen auf gemeinsame Sehenswürdigkeiten. Dazu gehören medialen und lateralen Malleolus, medialen und lateralen Kniegelenks, Spina iliaca anterior superior (SIAS), Spina iliaca posterior superior (SIPS), Processus styloideus radii, ulnar Syloid, medial Oberarm epicondyl und lateralen Oberarm epicondyl.
2. Platz 3 oder mehrere Marker, oder einen starren Körper Cluster von Markern auf jedem Segment von Interesse, darunter die Pfote, Eisbein, Oberschenkel, Hand und Unterarm.
3. Sammeln Sie ca. 2 Sekunden von Motion-Capture-Daten, während der Teilnehmer ist immer noch in einem standardisierten Position stehen, wie zum Beispiel mit den Armen steht bei 90 ° Schulterflexion und 90 ° Ellenbogenbeugung. Stellen Sie sicher, dass alle Markierungen sind deutlich sichtbar auf die Kameras.

6. Gang Task-

1. Haben die Teilnehmer Übertragung auf dem Laufband. Ihnen helfen, durch die Unterstützung der fNIRS Optode Kabel und sichern Sie die Kabel an der Decke Unterstützung, nachdem der Patient in Stellung dann. Wenn der Patient bei einem hohen Risiko für Stürze, verwenden Sie eine Gewichtsentlastung Baum für die Sicherheit bei dieser Aufgabe.
2. Starten Sie das Laufband langsam aufbauen, um die gemessene Selbst ausgewählten Schrittgeschwindigkeit, um den Teilnehmer bequem mit der Einrichtung Bedingungen zu bekommen. Dann langsam bis zum Stillstandwieder.
3. Richten Sie die Animationsdatei mit der auditive Rückmeldung, die die Teilnehmer entweder ausruhen oder verschieben Cue wird. Bewertung Aufgabenanweisungen mit dem Teilnehmer, ihnen zu sagen, so bleiben und entspannt wie möglich während der "Rest" Zeiten und bei Solldrehzahl des Laufbands während der "Aufgabe" Zeitraum gehen, während ihre Aufmerksamkeit auf die kleinen schwarzen Kreis auf dem Bildschirm die Dauer der Datenerfassung.
4. Dämpfen Sie das Licht, und beginnen Sie die Datenerfassung auf der Motion-Capture-Computer und dem fNIRS Computer. Beginnt mit der Aufzeichnung auf der Videokamera.
5. Mit der Maus Trigger, klicken Sie auf die Play-Taste auf der Animationsdatei mit dieser Aufgabe verbunden. Stellen Sie sicher, dass der Auslöser wurde sowohl von der Motion-Capture und die NIRS-Systeme erhalten.
   1. Wechseln Sie zu einem Bild von einem schwarzen Punkt in der Teilnehmer Sichtlinie befindet, so dass sie einen Schwerpunkt für die Dauer der Studie.
      HINWEIS: Die Übersichtsschaltplan für jedeStudie ist in Abbildung 2 dargestellt.
6. Überwachen Teilnehmer Leistung und Rückmeldung über Geschwindigkeit oder Fremd willkürlichen Bewegungen, wie gebraucht.
7. Am Ende der Lehr Animation, stoppen Sie die Aufnahme auf der Motion-Capture, EMG, und fNIRS Systeme sowie der Videokamera. Geben Sie dem Teilnehmer die Gelegenheit, sich auszuruhen oder verschieben Positionen wie nötig.

7. Bilaterale Bein Radfahren Aufgabe

1. Haben die Teilnehmer Übergang zu einem Sockel mit hin- und Beinstütze, kümmert sich um die fNIRS Optode Kabel zu unterstützen und nicht stoßen oder zu vertreiben die Motion-Capture-Marker oder EMG-Elektroden. Haben Sie ein Schaumstoffsitzkissen, um Komfort während des Experiments zu verbessern.
2. Heben Sie den Fahrradrahmen in Position und befestigen Sie es mit dem Sockel mit einem Gurt.
3. Sichern Sie sich die Füße in die Pedale und die Position des Zyklus wie nötig, um eine komfortable und natürliche Abstand zu den Pedalen zu fördern. Beidie am weitesten entfernten Punkt in dem Zyklus, behalten ihre Knie in etwa 10 ° Beugung.
   HINWEIS: An dieser Stelle wird der Teilnehmer in einem semi-Rückenlage, die einige Stamm-Unterstützung bietet und erleichtert die Entspannung während der Ruhezeit ist.
4. Bewertung Aufgabenanweisungen mit dem Teilnehmer, ihnen zu sagen, wie still und entspannt wie möglich während der "Rest" Zeiten sowie auf Zyklus bei etwa 60 Umdrehungen pro Minute während der "Aufgabe" Zeitraum bleiben.
5. Wiederholen Sie die Schritte 6,4-6,7. Anstatt der Umstellung auf ein Bild eines Punktes, der Zeichentrick-Projekt, das die Teilnehmer Cue wird entweder ausruhen oder bewegen sich durch optische und akustische Rückmeldung. Maximieren Sie die Movie-Fenster, so dass der Teilnehmer nicht in der Lage, die Zeit, die vergangen ist, oder ist noch in der aktuellen Studie zu überwachen.

8. Drücken Hand Aufgabe

1. Nach dem Entfernen der Füße aus dem Zyklus und der Zyklus selbst, legen Sie ein Bett Tisch vor den Teilnehmer, Making sicher, dass Teilnehmers Arme sind auf dem Tisch in einer bequemen Position gehalten wird.
2. Weisen Sie Teilnehmer zu einem weichen Gegenstand während der "Aufgabe" Zeitraum etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) drücken, und bleiben während "Rest" Perioden so entspannt wie möglich.
3. Wiederholen Sie Schritt 7.5.

9. Knöcheldorsalflexion Aufgabe

1. Entfernen Sie den Nachttisch, und die Fußstütze Teil des Sockel erwecken, um die Füße in den Blick der Teilnehmer zu bringen.
2. Entfernen des Teilnehmers Schuh und Strumpf, und ersetzen Fuß Markierungen an geeigneten Positionen. Unterstützen Sie das Kalb nur über ihren Sprunggelenk mit einer Schaumstoffunterlage, um Sprunggelenk Bewegung zu ermöglichen.
3. Weisen Sie den Teilnehmer, um ihre Knöchel etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) bei der "Aufgabe" Zeitraum Dorsalflexion und bleiben während der "Rest" Perioden so entspannt wie möglich.
4. Wiederholen Sie Schritt 7.5.

10. Abschluss des ProProtokoll

1. Entfernen Sie die Kappe und überprüfen Haut für Bereiche von Druck oder Rötungen.
2. Entfernen Sie alle reflektierenden Markierungen und EMG-Einheiten.
3. Vielen Dank, dass Sie den Teilnehmer für ihre Zeit und laden ihre Eingabe über die subjektive Erfahrung des Protokolls. Dies kann eine formale Fragebogen sein (wie von Garvey und Kollegen für die transkranielle Magnetstimulation ¹³ verwendet) oder eine informelle Diskussion um gemeinsame Quellen der Beschwerden, die in der Zukunft verbessert werden könnten.

Dieses Protokoll koordiniert gleichzeitigen Übernahme von 3 Modalitäten der Gehirndurchblutung, elektrische Muskelaktivität und kinematischen Bewegung der Gelenke zu erfassen, wo ein Teilnehmer führt motorische Aufgaben (Abbildung 1).

Abbildung 1. Sonde Lage. Der linke Teil dieser Figur zeigt die ungefähre Lage der sensorischen Arealen (in blau, Brodmann Bereiche 1,2,3), das primäre motorische Areal (in grün, Brodmann Bereich 4) und die prämotorischen Bereich (in orange, Brodmann Bereich 6). Der rechte Teil dieser Figur wurde mit AtlasViewerGUI und die damit verbundenen Funktionen (für Open-Source-Download von der MGH Optics ¹⁵ verfügbar) erzeugt. Kurz gesagt, wurde diese Sondendesign an der Oberfläche des Colin47 Atlas mit Hilfe der räumlichen Anordnung der Quellen, Detektoren und anato registriertchemischen Sehenswürdigkeiten (Quellen werden durch rote Kreise und Detektoren durch blaue Kreise dargestellt). Eine Monte-Carlo-Photonenmigration Vorwärtsmodell wurde für den Start 1 x 10 ⁸ Photonen des Lichts durch die Materialien der Haut, Schädel und Gehirn, mit den Empfindlichkeitsprofile für alle Quelle-Detektor-Paare auf der Oberfläche des Kortex und alle geplanten laufen gleichzeitig dargestellt in dieser Figur. Die Farbkarte auf das Gehirn die Oberfläche stellt den kortikalen Empfindlichkeit der Sonde; mit anderen Worten: die Anzahl der simulierten Photonen, die die Windungen und Furchen unter den Quellen und Detektoren befinden erreichen (wärmere Farben zeigen mehr Photonen als kühlere Farben, mit einem Bereich von 2 Größenordnungen auf einem Baumstamm 10 Skala).

zeigt ein Beispiel einer Quelle-Detektor-Anordnung in diesem Protokoll verwendet werden, und wie sie auf die zugrunde liegenden neuroanatomische Strukturen auf einem Gehirnatlas Zusammenhang, Fig. 2 skizziert die Block-Design in diesem Protokoll verwendet, sowie Screenshotsder Lehrvideos. Die Aufgaben werden in einem Block-Design durchgeführt, mit acht 15 Sekunden Aufgabenblöcke mit Bahnen Ruhezeiten von 20 durchsetzt - 30 Sek. Cartoon Tiere wurden speziell ausgewählt, um nicht-menschlichen wie so sein, dass das Spiegelneuronensystem ¹¹ nicht eingreifen, und Audio-Signale haben gezeigt, dass die Aufgabenausführung in anderen Block-Design-Experimente ¹⁰ zu verbessern. Der Gang Aufgabe hatte nur eine auditive Cue und Teilnehmer wurden gebeten, auf einer kleinen schwarzen Kreis auf eine Leinwand vor ihnen projiziert konzentrieren.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der jeden Versuch. Die Datensammlung für jeden Aufgabentyp dauert ca. 6 min. Es gibt Phasen unterschiedlicher Rest (im Bereich zwischen 20 und 30 Sekunden Dauer), mit 15 Sekunden Blöcke Aktivität (Gang, Radfahren, Dorsalflexion oder Quetschen). Lehr-Videos erstellt wurden,mit visuellen und akustischen Hinweise für die Teilnehmer, um sich auszuruhen oder zu verschieben. Die Pinguin-Bilder werden von einem der an den Patienten gezeigt Lehrvideos gemacht. Er bleibt auf dem Boden während der Ruhezeiten, und springt in die Luft 1 Mal pro Sekunde während der Aufgabe Zeiten. Es gibt auch Musik für jede Bedingung, eine entspannende Melodie spielen während der Ruhe und eine Melodie mit einer starken 60 bpm Tempo während der Aufgabenblöcke vorgesehen.

Figur 3 ist ein Beispiel der optischen Signale während der Aufgabenqualität aufgezeichnet. Die Daten werden automatisch in eine Datei mit einem * .nirs Erweiterung gespeichert und später aus dem Datenerfassungscomputer zur weiteren Verarbeitung übergeben, Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines rekonstruierten Skelettmodell, zusammen mit der Gelenkwinkel und EMG Maßnahmen für eine Dorsalflexion Aufgabe. Die Skelett-Modell und Gelenkwinkel angelegt und berechnet Nexus und Visual3D Software-Pakete. Diese Daten, wie auch die EMG nicht verarbeitet worden sind, und Could enthalten Bewegungsartefakte oder andere Geräusche, die aus Filtertechniken profitieren.

Es gibt eine Vielzahl von Analysetechniken und Software-Pakete verfügbar, um die gesammelten Daten zu interpretieren. Ein Beispiel ist die Vollendung fNIRS Bildrekonstruktion mit einem Open-Source-Software-Paket namens Homer ^14. Ein Beispiel der Karte erstellt wird, in 5 gezeigt, um die Art von Aktivierungsinformation, die aus den gesammelten optischen Dichtesignale gedeutet werden kann demonstrieren.

Abbildung 3. Beispiel der optischen Dichte Aufnahmen. Dieser Screenshot ist von der Datenerfassungssoftware von einer Art von fNIRS Maschine. Es enthält Informationen über die fNIRS Sondenanordnung (oben rechts), die Fähigkeit, einzelne Laserquellen ein- und ausgeschaltet werden (unten links) und options zur Modifizierung der Verstärkung jedes dectector (unten Mitte). In der Datenvisualisierungsfenster (oben links), die vertikale rosa Linie stellt den Anfang eines Blocks der Tätigkeit. Farben der Spuren entsprechen den Farben der in der Sondenanordnung auf der rechten Seite gezeigten Kanälen. Man beachte, daß alle Signale über 80 dB, und der Herzrhythmus ist deutlich sichtbar, auch in dem Lichtintensitätssignal.

Abbildung 4. Beispiel Skelettrekonstruktion, Gelenkwinkel und EMG für eine linke Dorsalflexion Aufgabe. Die Aufgabe Periode in der Zeit vertreten beginnt bei ca. 4,5 sec, und dauert bis 19,5 sec. In dieser in der Regel die Entwicklung individueller (13 Jahre), gibt es nur sehr begrenzte Bewegung auf andere als die angestrebte linken Sprunggelenk. Darüber hinaus sind andere als die, die die Bereitstellung der Bewegungsmuskulatur (M. tibialis anterior) einwieder während der Aufgabe sowie Ruhezeiten in der Regel Ruhe. TA = tibialis anterior; MG = medialen gastrocnemius; RF = Rectus femoris; VL = vastus lateralis; MH = medialen Kniesehnen.

Abbildung 5. Beispiel fNIRS Aktivierungskarte während einer Rechtshänder drückte Aufgabe. Die blaue Box oben auf dem Gehirn einen Überblick über die ungefähre Fläche von diesem Sondendesign (siehe auch Abbildung 1) abgetastet. Dieser Teilnehmer war 13 Jahre alt, und hatte einen Kopfumfang von 56 cm). Der rechte Teil der Figur zeigt die durchschnittliche oxygeniertes Hämoglobin (HbO) Antwort in der Zeit von 5 bis 10 Sekunden nach Beginn der Bewegung eines normal entwickelten Jugendlichen drückte einen Ball mit der rechten Hand. Diese Daten sind in dieser Figur von Homer ¹⁴ erzeugt wird, und mit einem allgemeinen linearen Modell ausgewertet. Die blaue Farbes stellen keine Aktivierung, während die roten Bereiche Anzeige Bereiche erhöhter HbO während der Aufgabe Zeiten. Dies ist eine Methode zur Analyse und Visualisierung, die Forscher nutzen, um Bereiche der größeren Veränderungen in sauerstoffreiches und / oder sauerstoffarmes Blut Fluss zu identifizieren.

Simultane Erfassung der Hirnaktivität von spezifischen Bereichen der Hirnrinde und quantitative Daten darüber, wie ein Mensch sich bewegt präsentiert ein enormes Potenzial für ein besseres Verständnis der neuronalen Steuerung der Bewegung, die beide in einem normal entwickelten Bevölkerung als auch solche mit Bewegungsstörungen. Es gibt auch eine breite Anwendung in Bezug auf Alter und Bewegungsaufgaben, die abgeschlossen werden konnte, da die Teilnehmer nicht an der Rückenlage, wie sie es für eine funktionelle MRT werden beschränkt. Die spezifischen Ausrüstungsgegenstände sind nicht auf diejenigen in der Liste vorgeschlagen Materialien beschränkt - es gibt mehrere Motion-Capture-und Bewegungs Quantifizierung Systeme, EMG-Systeme und fNIRS Systeme auf dem Markt verfügbar, und sie könnten anstelle von denen, die hier vorgeschlagen werden. Darüber hinaus, wenn ein gewählter Motion-Capture-System nicht über ausreichende Mengen an Mess Marker sowohl auf den Körper und den Kopf oder nicht-optische Technologie lokalisieren, verwendet wird, ein 3-D-PositionsverfolgungStift stattdessen verwendet, um die Optoden mit Bezug auf anatomische Orientierungspunkte in einem gemeinsamen Koordinatensystem zu lokalisieren. Schließlich, wenn es möglich ist, zusätzlich Sammeln physiologischer Daten wie Herzfrequenz und Blutdruck, diese Information wäre nützlich, die Analyse von HbO und HBr Zeitreihe zu informieren.

Das gesamte Protokoll kann in etwa 2 Stunden durchgeführt werden, wobei fast die Hälfte der damaligen Zeit, um das Setup gewidmet. Für männliche Teilnehmer mit kurzen Haaren kann die Setup-Zeit verringert werden, da weniger Zeit benötigt wird, um das Haar vorzubereiten. Es ist wichtig, für Forscher, um unvoreingenommen aus allen Ethnien und Haartypen zu rekrutieren und zu berichten, wenn es Menschen gibt, denen Nutzsignale nicht erhalten ³ werden. Je nach Alter und Aufmerksamkeitsspanne der zu testenden Person, könnten zusätzliche Aufgaben oder zusätzliche Blöcke der Datenerhebung leicht hinzugefügt werden. Es ist wichtig zu beachten, jedoch einige Einschränkungen der fNIRS Technologie in seinem aktuellen Zustand. Trotz careful Erstellung und Pflege Haar Störungen zu reduzieren, kann es einige Teilnehmer, wo die Melaningehalt der Haut und Haar schließt Sammlung von Signalen mit entsprechender Intensität. Auch bei Personen mit ausreichender Intensität wird es Variabilität in der Klarheit der hämodynamischen Antwort beobachtet wird. Diese Probleme müssen mit in die Datenanalyse behandelt werden, mit klaren Berichterstattung, wie Non-Responder wurden identifiziert und die Offenlegung von der Anzahl der Teilnehmer getestet, deren Daten nicht verwendet werden ^5.2.

Dieses besondere Protokoll kann in einer Reihe von Möglichkeiten für die Anwendung auf spezielle Fragestellungen angepasst werden. Die Ausrichtung der Quellen und Detektoren bietet unendlich viele Möglichkeiten in Bezug auf Standorte und Arrangements, die die Flexibilität, um andere Bereiche des Kortex Probe stellen, erstellen Sie eine dichtere Sonde mit zusätzlichen Kanal überlappen, um eine höhere Auflösung oder ein spärlicher Anordnung zu erleichtern decken größere Bereiche derkortikalen Oberfläche. Die gesamte räumliche Auflösung fNIRS bleibt niedriger als fMRI, aber diese Einschränkung kann durch die Fähigkeit, fNIRS in einem weniger engen Umfeld für viele Forschungsanwendungen zu verwenden, insbesondere bei der Untersuchung Bewegungsaufgaben aufgewogen werden. Darüber hinaus könnte eine beliebige Anzahl von motorischen, sensorischen oder Vorstellungsaufgaben durchführbar in den vorgestellten Blockbauweise einschließlich komplexer Sequenzen oder andere einfache Einzelgelenkbewegungen aufgenommen werden. Unter Berücksichtigung der unteren Extremität Aufgaben jedoch Gedanke muss an den Ort der distalen unteren Extremität Darstellung auf dem Motor homunculus gegeben, da es nicht möglich sein, dass tief mit einer Oberfläche basierten Ansatz wie fNIRS erhalten werden. Darüber hinaus gibt es Studien, die auch eine ereignisbezogene Paradigma ^16,17, die leicht durch Änderung der Animationen und Anweisungen an die Teilnehmer integriert werden können verwendet werden. Diese Paradigmen erfordern eine größere Anzahl von Bewegungssätzen, aber sie können mit weniger Pause dazwischen s abgeschlossen seino der Gesamtdatenerfassungszeit kann sich nicht signifikant von den dargestellten Block Paradigmen.

Kinematischen und EMG-Daten können in einer Anzahl von Wegen verwendet werden. Qualitativ gibt es eine nützliche Bestätigung dafür, dass der Teilnehmer wurde der Bearbeitung von Aufgaben, wie angewiesen. Insbesondere in Fällen, in denen Bewegungen nicht, wie erwartet, aufgrund der verringerten Aufmerksamkeit oder Gegenwart einer Bewegungsstörung, können diese Signale sehr wertvoll als quantitative Methoden zur Entfernung von Blöcken von Daten sein, oder als Regressoren in einem allgemeinen linearen Modells (GLM) Analyse die Daten, wie durch Hervey et al. ¹⁸ gezeigt. Bestimmen von Koordinaten fNIRS Optoden und anatomischen Landmarken ist für Co-Registrierung, um einzelne Struktur MRI eines Teilnehmers erforderlich ist. Co-Registrierung von Optode Standorten ist ein wichtiger Schritt bei der Erhöhung der Zuverlässigkeit und neuroanatomischen Relevanz fNIRS Erkenntnisse, vor allem in Bevölkerungsgruppen mit Hirnverletzungen. Schließlich könnte man überlegen HinzufügenVerfolgung von Seilbewegung als ein zusätzlicher Schritt für Bewegungsartefakte in den aufgezeichneten Daten zu berücksichtigen.

Kindheit einsetzende Hirnverletzungen wie Zerebralparese ist bekannt, dass eine Reihe von peripheren Symptome wie Spastik, Muskelschwäche verursachen, und reduziert selektive Motorsteuerung ^19. Passive elektro oder bildgebenden Verfahren wie transkranielle Magnetstimulation ^20,21 und Diffusionstensorbildgebung ^22,23 haben Veränderungen in der kortikalen Organisation gezeigt. fMRI war nützlich bei der Aufdeckung von Unterschieden in Aktivierungs in kleinen, isolierten Bewegungen ^24-26, aber die Überwachung Aufgabenausführung kann eine Herausforderung in der MRT-Umgebung, und sogar kleine Bewegung des Kopfes können große Artefakte verursachen. In dieser Population insbesondere ergänzende oder gleichzeitigen Anwendung von bildgebenden Verfahren wie fNIRS oder Elektroenzephalographie (EEG) bietet die Chance, ein besseres Verständnis über die zugrunde liegende Quelle gewinnenBewegungsprobleme und ein zusätzliches Instrument für die Überwachung der Fortschritte auf Motor Interventionen zusammen.

The authors have nothing to disclose.

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.