Funcional Espectroscopia de Infrarrojo Cercano de las Regiones sensoriales y motoras del cerebro con simultánea cinemática y EMG Supervisión Durante las tareas motoras

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.

Hay varias ventajas que la espectroscopía de infrarrojo cercano funcional (fNIRS) presenta en el estudio del control neural del movimiento humano. Es relativamente flexible con respecto al posicionamiento participante y permite algunos movimientos de la cabeza durante las tareas. Además, es de bajo costo, peso ligero y portátil, con muy pocas contraindicaciones para su uso. Esto presenta una oportunidad única para estudiar la actividad funcional del cerebro durante tareas motoras en individuos que están típicamente en desarrollo, así como aquellos con trastornos del movimiento, como la parálisis cerebral. Una consideración adicional en el estudio de los trastornos del movimiento, sin embargo, es la calidad de los movimientos reales realizadas y la posibilidad de, movimientos involuntarios adicionales. Por lo tanto, es necesario un seguimiento simultáneo de ambos cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro y los movimientos reales del cuerpo durante las pruebas para la interpretación adecuada de fNIRS resultados. Aquí, se muestra un protocolo para la combinación de fNIRS conmuscular y el seguimiento cinemática durante las tareas de motor. Exploramos la marcha, un movimiento unilateral múltiples articulaciones (ciclismo), y dos movimientos de una sola articulación unilaterales (aislado dorsiflexión del tobillo, y aislado mano apretando). Las técnicas presentadas pueden ser útiles en el estudio tanto de control típicos y atípicos motor, y se puede modificar para investigar una amplia gama de tareas y cuestiones científicas.

Imágenes Neural durante las tareas funcionales se ha vuelto más portátil y rentable utilizando espectroscopia de infrarrojo cercano funcional no invasiva (fNIRS) para identificar áreas de actividad cerebral al medir la dinámica del flujo sanguíneo en la corteza. La portabilidad de fNIRS es especialmente útil en el estudio de las tareas verticales y funcionales tales como andar ^1, que no es posible con otras tecnologías como la resonancia magnética funcional (fMRI). Esta capacidad es fundamental en los campos de la neurología y la neurociencia, y podría proporcionar nuevos conocimientos sobre los mecanismos subyacentes a los trastornos del movimiento en los niños y adultos con parálisis cerebral (PC) y otras enfermedades neurológicas que afectan el control motor. La comprensión de los mecanismos de mejora de la capacidad de diseñar intervenciones eficaces para orientar el origen de las deficiencias y limitaciones de la actividad.

Muchos fNIRS estudios de tareas motoras hasta la fecha han estado con una población sana de adultos donde parteicipants son instruidos para realizar una tarea determinada y seguimiento de la ejecución de tareas se limita a la inspección visual. Esto puede ser suficiente para aquellos con movimientos típicos y un alto nivel de compromiso, pero no es aceptable en el estudio de los participantes con trastornos del movimiento o para aquellos que tienen dificultades para asistir a una tarea durante largos períodos de tiempo, incluidos los niños con un desarrollo normal. A fin de informar el análisis de la activación cerebral en estos casos, se requiere una monitorización concurrente del patrón motor que realmente se completó.

Revisiones completas de sistemas fNIRS y usos se han presentado en la literatura ^2-5 que guían el uso y ayudar a demostrar la precisión y sensibilidad de estos sistemas, pero los problemas técnicos de la recolección, procesamiento e interpretación de datos fNIRS todavía permanecen. El color y el grosor del cabello afecta a la calidad de la señal óptica, con el pelo oscuro y grueso más probable para bloquear o distorsionar transmi ópticasión ^3,6. Esto es especialmente relevante en el estudio de las áreas sensoriomotoras situados en la zona de la coronilla de la cabeza, donde la densidad de folículos de pelo es el más grande, y algunos estudios reportan que no responden ^6,7. El sistema internacional 10/20 bien establecido se puede utilizar para la colocación de los optodes, pero particularmente en el caso de aquellos con la anatomía del cerebro atípica, co-registro de ubicación optodo a MRI anatómica de un participante es muy útil si no es esencial para interpretar con precisión la resultados.

El uso de fNIRS para evaluar la activación cerebral en la lesión cerebral de inicio infantil es bastante reciente, pero ganando terreno en la zona de unilateral ^6,8,9 parálisis cerebral. En consideración de los retos antes mencionados, este protocolo combina fNIRS, captura de movimiento, y (EMG) monitoreo electromiográfico durante una serie de tareas, incluidas las tareas de una sola articulación simples así como más complejos movimientos de todo el cuerpo. Orientación visual y auditivo nosotros esed para mejorar el rendimiento y la atención de tareas a través de múltiples edades de los participantes. El objetivo del protocolo es para identificar las diferencias en los patrones de activación cerebral en las personas con lesión cerebral inicio en la infancia unilateral y bilateral en comparación con aquellos que están desarrollando normalmente. Exploramos un movimiento de cuerpo completo (marcha), una de las extremidades inferiores movimiento multi-articular bilateral (ciclismo), y dos movimientos de una sola articulación unilaterales (aislado dorsiflexión del tobillo, y aislado mano apretando) para ilustrar la variedad de aplicaciones de los métodos. Lo mismo o un protocolo muy similar podría usarse para estudiar otros trastornos sensoriales o de movimiento u otras tareas de interés.

De onda continua cerca de la luz infrarroja se emite y se detecta en 690 nm y 830 nm sobre las cortezas sensoriomotoras utilizando el sistema de fNIRS a una velocidad de 50 Hz, con una configuración de fuente-detector de diseño personalizado. EMG datos se recogieron de forma inalámbrica a una frecuencia de 1000 Hz. Marcadores reflectante ubicaciones 3-D fueronrecogida por un sistema óptico de captura de movimiento a una velocidad de 100 Hz. Dos equipos diferentes manejan la adquisición de datos, una para los fNIRS y otro para la captura de movimiento y EMG. Los datos se sincronizan mediante un impulso de disparo de un tercer equipo que se corresponde con una pulsación de botón para iniciar la animación de instrucción para cada tarea. Para todas las tareas excepto la marcha, animaciones educativos fueron diseñados para estandarizar el rendimiento de los participantes utilizando una guía visual del ritmo de una tarea (1 Hz), representada por un salto de la historieta animal o patadas, así como una señal auditiva.

NOTA: Este protocolo fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional de los Institutos Nacionales de la Salud (identificador ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Todos los participantes se les da la oportunidad de hacer preguntas y dar su consentimiento informado antes de su participación. En consideración de los cambios en la respuesta hemodinámica causada por el uso reciente de vasodilatadores y vasoconstrictores, se pide a los participantes que se abstengan de alcohol y cafeína durante 24 horas antes del experimento ³ videos de animación .Estas fueron hechas a medida en nuestro laboratorio, pero podrían ser grabadas con otro sonidos o imágenes específicas a las preguntas de investigación alternativos.

1. Configure la habitación antes de la llegada del Participante.

1. Calibrar el movimiento cámaras de captura en relación con las coordenadas de un laboratorio de acuerdo con proceso específico del fabricante de captura de movimiento. Asegúrese de que las posiciones de la cámara se permitirá la grabación de todos los marcadores tanto en el cuerpoy la cabeza del participante durante las tareas que se pondrá a prueba. El proceso de calibración garantiza la precisión del sistema de captura de movimiento y es una práctica estándar para cualquier laboratorio de movimiento. Utilice un sistema de diez cámara, con un volumen aproximado de 17 m ³ donde marcadores reflectantes pueden ser identificados de forma fiable.
2. Conecte el gatillo de la computadora instrucción a las entradas BNC de captura y fNIRS movimiento de tu PC. Asegúrese de que el gatillo está conectado a un botón del ratón y haciendo clic en el ratón completa el circuito y envía un pulso de forma simultánea a la / EMG tarjeta de adquisición de datos de captura de movimiento y de la tarjeta de adquisición de datos fNIRS como auxiliares entradas analógicas.
3. Conecte este ratón a través del puerto USB en el equipo que ejecuta vídeos de animación de instrucción, de tal manera que a partir del video, se producirá un cambio de voltaje simultáneamente en ambos sistemas de adquisición de datos.
   NOTA: Las señales EMG se sincronizan automáticamente y se guardan por el software de captura de movimiento, por lo Additno es necesario ional sincronización del sistema EMG.
4. Configure la pantalla y el proyector para obtener instrucciones para ser mostrado al participante. Retire todos los elementos innecesarios que podrían ser distractores. Coloque el trípode y la cámara de vídeo digital, donde tendrán la vista de los movimientos de los participantes.
5. Verifique que los marcadores reflectantes están bien sujetos a la parte superior de cada optodo en la sonda.
6. Reunir todos los documentos necesarios: consentimiento y asentimiento copias, hojas de exámenes clínicos y hojas de notas experimentales, por ejemplo.

2. Las medidas básicas

1. Después de completar el proceso de consentimiento informado, medir y la altura, el peso, la edad y la circunferencia de la cabeza de registro del participante.
2. Administrar Edimburgo Inventario Handedness ¹⁰ y otros exámenes clínicos como se indica. Los tipos de cabello y de la piel Record participante informó.
3. Coloque marcadores reflectantes en las posteriores espinas ilíacas (PSIS) de forma bilateral. Tener el paseo participante a su ritmo cómodo través del laboratorio 3-5 veces, y un promedio de la velocidad entre los ensayos para estimar su auto seleccionado ritmo de marcha.

3. Funcional Espectroscopia de Infrarrojo Cercano (fNIRS) Configuración

NOTA: Esto se puede completar al mismo tiempo con la configuración de EMG y de captura de movimiento, si hay suficientes experimentadores o personal de investigación para ayudar, y si el participante se sienta cómodo con varias personas estar cerca de ellos al mismo tiempo.

1. Mida la distancia entre el nasión (NZ) y el inion (Iz), y entre los puntos de pre-auricular a la derecha (Ar) e izquierda (Al) orejas. La intersección del punto medio de estas dos medidas es CZ, que está marcado en el cuero cabelludo con un marcador lavable.
2. Si el participante tiene el pelo largo, la sección fuera de pequeñas porciones del cabello con trenzas o colas de caballo con el fin de exponer el cuero cabelludo donde se colocarán optodes.
3. Coloque los fNIRS sonda sobre tque la cabeza del participante, teniendo cuidado de alinear con CZ, Ar. A continuación, mueva el pelo de debajo de cada optodo ya que se coloca en el cuero cabelludo. Por último, coloque tiras de velcro para sujetar los optodes en su lugar.
   NOTA: En este protocolo, use una gorra que tiene una correa que va detrás de la cabeza, que va en la frente, y uno que pasa por debajo de la barbilla. Optodes se anclan a esta gorra con velcro en un anillo de plástico flexible que rodea la oreja.
   1. Si el participante tiene el pelo corto (menos de aproximadamente 2 pulgadas de largo), tire de pelo entre optodes con un palito delgado o extremo de plástico de un peine.
4. Verifique que todos los cables optodos están mintiendo plana, y que optodes son aproximadamente perpendicular a la superficie del cuero cabelludo.
   1. Si es necesario, coloque un trozo de espuma bajo el grupo de cables optodos para facilitar la alineación perpendicular de los optodes.
5. Consulte con el participante sobre la comodidad de las sondas, yajuste si es necesario. Dígales que decir a los experimentadores si su comodidad disminuye en cualquier momento durante el experimento.
6. Encienda las fuentes y control de la señal.
   1. En este sistema, asegurar una señal que tiene una intensidad de al menos 80 dB y un latido del corazón claramente visible en la deltaOD (cambio en la densidad óptica) de la señal, tanto en 690 y 830 nm longitud de onda. Cuando los canales tienen señales que no cumplan estos criterios, confirme que el cabello no está bloqueando el optodo (s) y luego ajustar las ganancias del detector según sea necesario para maximizar la intensidad de la señal. Asegúrese de que las cámaras de captura de movimiento están apagados durante este tiempo.
      NOTA: Otras máquinas fNIRS pueden operar en longitudes de onda diferentes a 690 y 830 nm; en este caso, comprobar las longitudes de onda más adecuadas a la máquina que se utiliza.
7. Añadir marcadores reflectantes para Nz, Iz, Ar, y Al. Pida al participante que permanezca inmóvil y recoger aproximadamente 2 segundos de los datos de captura de movimiento para éstos y los marcadores de los fNIRS optodos. Compruebe quetodos los marcadores han sido registrados, y recoger los ensayos adicionales según sea necesario. Podrá requerir al participante para cambiar la posición del cabezal para mejorar la línea de visión entre las cámaras y los marcadores. Utilice estos tres lugares dimensionales recopilados durante el análisis para el registro probabilística de la RM estructural individual de un participante si hay uno disponible.
8. Añadir una cubierta con varias capas de fieltro negro u otro material ópticamente absorbente en la parte superior de los optodes fNIRS para proteger detectores de interferencia o la saturación de las cámaras de captura de movimiento. Asegúrese de que los cables y el panel frontal de la unidad fNIRS también están bien protegidos con el mismo material ópticamente absorbente.

4. Superficie electromiografía (EMG) de instalación

1. Busque el vientre muscular de cada músculo a tratar utilizando los puntos anatómicos, la palpación durante la contracción muscular, y guía a la colocación de electrodos ^11.
   NOTA: Los músculos específicos en este protocolo incluyen bilgemelo interno ateral, tibial anterior, recto femoral, vasto lateral, bíceps femoral, radial del carpo extensor y flexor radial del carpo.
2. Prepárese para EMG colocación de los electrodos sobre el vientre muscular por el afeitado, eliminando las células muertas de la piel con cinta adhesiva, y luego limpiar con una gasa con alcohol isopropílico, según lo recomendado por SENIAM ¹² y esperar a que la piel se seque.
3. Coloque EMG orientada a la dirección de las fibras musculares del electrodo.
4. Envuelva firmemente con una envoltura adherente auto.
5. Compruebe señales musculares en el ordenador mientras se realiza la prueba muscular manual para garantizar la colocación del electrodo adecuado, y la visualización clara de cambio de señal cuando el músculo está activo.

5. Configuración de captura de movimiento

1. Coloque marcadores reflectantes en puntos de referencia comunes. Estos incluyen medial y maléolo lateral, medial y articulación de la rodilla lateral, anterior espina ilíaca superior, (ASIS), espina ilíaca posterosuperior (PSIS), estiloides radial, cubital siloide, medial epicondyl humeral, y epicondyl humeral lateral.
2. Ponga 3 o más marcadores, o un racimo cuerpo rígido de marcadores, en cada segmento de interés, incluyendo el pie, pierna, muslo, la mano y el antebrazo.
3. Recoger aproximadamente 2 segundos de los datos de captura de movimiento, mientras que el participante está parado en una posición estandarizada, como de pie con los brazos a 90 ° de flexión de hombro y codo de 90º de flexión. Asegúrese de que todos los marcadores sean claramente visibles para las cámaras.

6. La marcha de tareas

1. Tener la transferencia participante a la cinta de correr. Ayúdelos apoyando los cables fNIRS optodos y luego fije los cables al soporte del techo después de que el paciente está en posición. Si el paciente está en alto riesgo de caídas, tenga un arnés de apoyo del peso corporal para la seguridad durante esta tarea.
2. Inicie la cinta de correr, poco a poco hasta llegar a la auto seleccionado la velocidad al caminar medida para obtener el participante cómodo con las condiciones establecidas. Luego lenta hasta detenersede nuevo.
3. Configure el archivo de animación con la retroalimentación auditiva que señalar el participante ya sea descansar o moverse. Instrucciones de la tarea de la opinión con el participante, diciéndoles permanecer lo más quieto y relajado posible durante períodos de "descanso" y para caminar a la velocidad establecida de la cinta de correr durante el período de "tarea", mientras que se centra su atención en el pequeño círculo negro en la pantalla para la duración de adquisición de datos.
4. Baje las luces, y comenzar la adquisición de datos en el equipo de captura de movimiento y el ordenador fNIRS. Comience a grabar en la cámara de vídeo.
5. Utilizando el gatillo del ratón, haga clic en el botón de reproducción en el archivo de animación asociada con esta tarea. Asegúrese de que el gatillo se ha recibido tanto por la captura de movimiento y los sistemas NIRS.
   1. Cambie a una imagen de un punto negro situado en la línea de los participantes de la vista, de modo que tengan un punto de enfoque para la duración del ensayo.
      NOTA: El esquema general de cadaensayo se muestra en la Figura 2.
6. Monitorear el desempeño de los participantes y proporcionar información acerca de la velocidad, o los movimientos voluntarios ajenos, según sea necesario.
7. Al final de la animación de instrucción, detenga la grabación en la captura de movimiento, EMG, y los sistemas de fNIRS, así como la cámara de vídeo. Dar al participante la oportunidad de descansar o cambiar de posición según sea necesario.

7. Bilateral Extremidad Inferior Ciclismo Tarea

1. Tener la transición participante a un pedestal con la parte posterior móvil y soporte para las piernas, teniendo cuidado para apoyar los cables fNIRS optodos y para no chocar o desalojar a los marcadores de captura de movimiento o EMG electrodos. Tener un cojín de asiento de espuma para mejorar la comodidad durante el experimento.
2. Levante el cuadro de la bicicleta en su posición y fijarlo al plinto con una correa.
3. Asegurar los pies en los pedales y ajustar la posición del ciclo según sea necesario para promover una distancia cómoda y natural a los pedales. Enel punto más alejado en el ciclo, a mantener la rodilla en aproximadamente 10 ° de flexión.
   NOTA: En este punto, el participante estará en una posición semi-reclinada, que proporciona cierto apoyo tronco y facilita la relajación durante el período de descanso.
4. Instrucciones de la tarea de la opinión con el participante, que le piden que siguen siendo tan quieto y relajado posible durante los períodos de "descanso" y al ciclo de aproximadamente 60 rpm durante el período de "tarea".
5. Repita los pasos 6.4 a 6.7. En lugar de cambiar a una imagen de un punto, el proyecto de animación de dibujos animados que señalar el participante ya sea descansar o moverse a través de la retroalimentación visual y auditiva. Maximizar la ventana de la película para que el participante no es capaz de controlar el tiempo que ha pasado, o se queda, en el juicio actual.

8. mano apretando Tarea

1. Después de sacar los pies del ciclo y el ciclo en sí, colocar una mesa cama delante del participante, Making Asegúrese de que los brazos de los participantes son apoyados sobre la mesa en una posición cómoda.
2. Instruya a los participantes para exprimir un objeto suave, aproximadamente una vez por segundo (1 Hz) durante el período de "tarea", y permanecer lo más relajado posible durante los períodos de "descanso".
3. Repita el paso 7.5.

9. tobillo Dorsiflexión Tarea

1. Retire la mesita de noche, y elevar la porción de reposapiés del zócalo hasta llevar a los pies a la vista de los participantes.
2. Retire el zapato y el calcetín del participante, y reemplazar los marcadores de pie en posiciones adecuadas. Apoyar la pantorrilla justo por encima de su articulación del tobillo con una almohadilla de espuma para permitir tobillo movimiento de la articulación.
3. Indique al participante a la flexión dorsal del tobillo de su aproximadamente una vez por segundo (1 Hz) durante el período de "tarea", y permanecer lo más relajado posible durante los períodos de "descanso".
4. Repita el paso 7.5.

10. Conclusión del ProProtocolo

1. Retire la tapa e inspeccione la piel de las zonas de presión o enrojecimiento.
2. Retire todos los marcadores reflectantes y unidades de EMG.
3. Gracias al participante por su tiempo e invitar a sus aportaciones sobre la experiencia subjetiva del protocolo. Esto puede ser un cuestionario formal (y usadas por Garvey y sus colegas de la estimulación magnética transcraneal ^13), o una discusión informal para identificar las fuentes comunes de malestar que se podrían mejorar en el futuro.

Este protocolo coordina la adquisición simultánea de 3 modalidades para capturar el flujo de sangre del cerebro, la actividad muscular eléctrica, y el movimiento cinemático de articulaciones, mientras que un participante realiza tareas de motor (Figura 1).

Figura 1. Ubicación de la sonda. La parte izquierda de esta figura muestra la ubicación aproximada de las áreas sensoriales (en azul, áreas de Brodmann 1,2,3), el área motora primaria (en verde, área de Brodmann 4), y el área premotora (en naranja, área de Brodmann 6). La parte derecha de esta figura se ha generado utilizando AtlasViewerGUI (disponible para su descarga de código abierto del MGH Óptica División ¹⁵⁾ y sus funciones asociadas. En resumen, este diseño de la sonda se registró a la superficie de la Atlas Colin47 usando la disposición espacial de las fuentes, detectores, y anatohitos quí- (fuentes están representados por círculos rojos y detectores de círculos azules). Una migración de fotones modelo directo Monte Carlo se ejecutó para el lanzamiento de 1 x 10 ⁸ fotones de luz a través de los materiales de la piel, el cráneo y el cerebro, con los perfiles de sensibilidad para todos los pares de fuente-detector se prevé que la superficie de la corteza y todos muestran simultáneamente en esta figura. El mapa de color en la superficie del cerebro representa la sensibilidad cortical de la sonda; en otras palabras, el número de fotones simulados que llegan a las circunvoluciones y surcos ubicado debajo de las fuentes y detectores (colores más cálidos indican más fotones que los colores más fríos, con un rango de 2 órdenes de magnitud en una escala log 10).

muestra un ejemplo de disposición fuente-detector utilizado en este protocolo, y cómo se relaciona con estructuras neuroanatómicas subyacentes en un atlas del cerebro. La figura 2 describe el diseño de bloques utilizados en este protocolo, así como capturas de pantallade los videos de instrucción. Las tareas se realizan en un diseño de bloques, con ocho bloques de tareas 15 seg intercalados con longitud aleatoria períodos de descanso de 20 - 30 seg. Animales de dibujos animados fueron elegidos específicamente para ser no humano como para no comprometer el sistema de neuronas espejo ^11, y las señales de audio se han demostrado para mejorar el desempeño de tareas en otros experimentos de diseño de bloque ^10. La tarea de andar sólo tenía una señal auditiva, y se pidió a los participantes a concentrarse en un pequeño círculo negro proyectado sobre una pantalla en frente de ellos.

Figura 2. Esquema de cada ensayo. La recogida de datos para cada tipo de tarea dura aproximadamente 6 min. Hay períodos de descanso variable (que oscila entre 20 y 30 segundos de duración), con 15 bloques seg de actividad (de la marcha, el ciclismo, la flexión dorsal, o apretar). Vídeos instructivos fueron creadoscon señales visuales y auditivas para el participante para descansar o moverse. Las imágenes pingüino se toman de uno de los videos de instrucciones que se muestran al paciente. Él permanece en el suelo durante los períodos de descanso, y salta en el aire 1 vez por segundo durante los períodos de trabajo. También hay música proporcionada para cada condición, un juego melodía relajante durante el descanso y una melodía con un fuerte ritmo de 60 latidos por minuto durante los bloques de tareas.

La figura 3 es un ejemplo de las señales ópticas formuladas durante la ejecución de tareas. Los datos se guardan automáticamente en un archivo con extensión * .nirs y posteriormente transferidas desde el ordenador de adquisición de datos para su posterior procesamiento. La figura 4 muestra un ejemplo del modelo de esqueleto reconstruido, junto con el ángulo articular y medidas de EMG para una tarea de la dorsiflexión del tobillo. El modelo esquelético y ángulos de las articulaciones se crean y se calculan utilizando los paquetes de software de Nexus y Visual3D. Estos datos, así como la EMG no han sido procesados, y coULD contiene artefactos de movimiento u otros ruidos que podrían beneficiarse de técnicas de filtrado.

Hay una amplia gama de técnicas de análisis y paquetes de software disponibles para interpretar los datos recogidos. Un ejemplo está completando la reconstrucción de imágenes fNIRS usando un software de código abierto llamado Homer ^14. Un ejemplo del mapa creado se muestra en la Figura 5 para demostrar el tipo de información de activación que puede ser interpretado partir de las señales de densidad óptica obtenidos.

Figura 3. Ejemplo de grabaciones de densidad óptica. Esta captura de pantalla es del software de adquisición de datos de un tipo de máquina fNIRS. Incluye información sobre los fNIRS sondear acuerdo (superior derecha), capacidad de convertir fuentes de láser individuales dentro y fuera (abajo a la izquierda), y el options para modificar la ganancia de cada dectector (centro abajo). En la ventana de visualización de datos (parte superior izquierda), la línea rosa vertical representa el inicio de un bloque de actividad. Los colores de las huellas corresponden a los colores de los canales mostrados en la disposición de la sonda a la derecha. Tenga en cuenta que todas las señales están por encima de 80 dB, y el ritmo cardíaco es claramente visible, incluso en la señal de intensidad de la luz.

Reconstrucción Figura 4. Ejemplo esquelético, ángulos de las articulaciones y EMG para una tarea flexión dorsal izquierdo. El período de la tarea durante el período representado comienza aproximadamente a 4,5 segundos, y continúa hasta 19.5 seg. En este individuo desarrollo típico (13 años de edad), hay un movimiento muy limitado en las uniones que no sean el tobillo izquierdo objetivo. Además, otros músculos que el que proporciona el movimiento (tibial anterior) unare generalmente en reposo durante la tarea, así como períodos de descanso. TA = tibial anterior; MG = gastrocnemio medial; Femoris RF = rectos; VL = vasto externo; MH = isquiotibiales mediales.

Figura 5. Ejemplo de fNIRS mapa de activación durante una tarea de apretar la mano derecha. El cuadro azul en la parte superior del cerebro esboza el área aproximada muestreada por este diseño de la sonda (véase también la figura 1). Este participante fue de 13 años de edad, y tenía una circunferencia de la cabeza de 56 cm). La parte derecha de la figura muestra la respuesta promedio de hemoglobina oxigenada (HBO) durante el período de 5 a 10 segundos después de iniciado el movimiento de una adolescente con desarrollo típico apretar una pelota con la mano derecha. Estos datos en esta figura se genera a partir de Homer ^14, y luego evaluó utilizando un modelo lineal general. El color azuls representan ninguna activación, mientras que las regiones de indicación de zonas rojas de aumento HbO durante los períodos de trabajo. Este es un método de análisis y visualización que los investigadores utilizan para identificar las áreas de grandes cambios en el flujo de sangre oxigenada y / o sin oxígeno.

Recolección simultánea de la actividad cerebral de las áreas específicas de la corteza y los datos cuantitativos acerca de cómo una persona se está moviendo presenta un enorme potencial para mejorar nuestra comprensión del control neural de la circulación, tanto en una población con desarrollo típico, así como aquellos con trastornos del movimiento. También hay una amplia aplicación en términos de edades y tareas de movimiento que podrían completarse, ya que los participantes no se limitan a una posición supina, ya que sería para una resonancia magnética funcional. Los artículos de equipos específicos no se limitan a los sugeridos en la lista de materiales - hay varios sistemas de captura de movimiento y movimiento de cuantificación, sistemas EMG y sistemas fNIRS disponibles en el mercado, y que podrían ser utilizados en lugar de los sugeridos aquí. Además, si un sistema de captura de movimiento elegido no tiene volúmenes de medición suficiente para localizar marcadores en el cuerpo y la tecnología de cabezal o no óptico se utiliza, un seguimiento de la posición 3-Dlápiz puede utilizarse en lugar de localizar los optodes con respecto a puntos de referencia anatómicos en un sistema de coordenadas común. Por último, si es posible recoger, además, los datos fisiológicos como la frecuencia cardíaca y la presión arterial, esta información sería útil para informar análisis de HBO y HBR series de tiempo.

El protocolo se puede completar en aproximadamente 2 horas, con casi la mitad de ese tiempo dedicado a la instalación. Para los participantes de sexo masculino con el pelo corto, el tiempo de preparación puede ser menor porque se necesita menos tiempo para preparar el cabello. Es importante que los investigadores reclutan sin prejuicios de todas las etnias y tipos de cabello, y que informe si hay individuos que las señales útiles que no se pudo obtener ^3. Dependiendo del rango de edad y la atención de la persona en estudio, tareas adicionales o bloques adicionales de recolección de datos se podrían añadir fácilmente. Es importante señalar, sin embargo, algunas limitaciones de la tecnología fNIRS en su estado actual. A pesar de cpreparación y cuidado areful para reducir la interferencia del cabello, puede haber algunos participantes en el que el contenido de melanina de su cabello y la piel impide estructurar colección de señales con una intensidad adecuada. Incluso entre aquellos con suficiente intensidad, habrá variabilidad en la claridad de la respuesta hemodinámica observada. Estos temas deben ser tratados durante el análisis de datos, con información clara de cómo se identificaron los no respondedores y datos sobre el número de participantes probaron cuyos datos no se podían utilizar ^2-5.

Este protocolo particular se puede adaptar en un número de formas para la aplicación a las preguntas específicas de investigación. La orientación de las fuentes y detectores tiene infinitas posibilidades en términos de ubicación y disposición, que proporcionan la flexibilidad necesaria para probar otras áreas de la corteza, crear una sonda más denso con superposición canal adicional con el fin de facilitar una mayor resolución, o un arreglo más escasos para cubrir áreas más grandes de lasuperficie cortical. La resolución espacial general de fNIRS sigue siendo inferior en comparación con fMRI, pero esta limitación puede ser superada por la capacidad de utilizar fNIRS en un ambiente menos limitado para muchas aplicaciones de investigación, en particular cuando se estudia tareas de movimiento. Además, cualquier número de motor, o tareas de imágenes sensoriales podría incorporarse factible en el diseño de bloques presentado incluyendo secuencias más complejas u otros movimientos de la articulación individuales simples. En consideración de las tareas de las extremidades inferiores, sin embargo, se debe pensar en la ubicación de la representación extremidad inferior distal en el homúnculo motor, ya que puede que no sea posible conseguir que en el fondo con un enfoque basado en la superficie, como fNIRS. Además, hay estudios que también utilizan un paradigma de eventos relacionados con ^16,17, lo que podría ser fácilmente integrado mediante la alteración de las animaciones y las instrucciones a los participantes. Estos paradigmas requieren un mayor número de bloques de movimiento, sino que se pueden completar con menos descanso entre so el tiempo total de adquisición de datos puede no difieren significativamente de los paradigmas de bloques presentados.

Datos cinemáticos y EMG se pueden utilizar en un número de maneras. Cualitativamente, proporciona una confirmación útil que el participante estaba completando una tarea según las instrucciones. Particularmente en los casos donde los movimientos no son los esperados, debido a la disminución de la atención o la presencia de un trastorno del movimiento, estas señales pueden ser muy valioso como métodos cuantitativos de la eliminación de bloques de datos, o como regresores en un modelo lineal general (GLM) análisis de los datos, como se muestra por Hervey et al. ^18. Determinación de las coordenadas de fNIRS optodes y referencias anatómicas es necesaria para co-registro a la RM estructural individual de un participante. Co-registro de lugares optodos representa un paso importante en el aumento de la fiabilidad y la neuro-anatómico relevancia de fNIRS hallazgos, especialmente en poblaciones con lesiones cerebrales. Por último, se podría considerar la adición deseguimiento de movimiento del cable como un paso adicional para dar cuenta de los artefactos de movimiento dentro de los datos grabados.

Son conocidas lesiones cerebrales inicio en la infancia, como la parálisis cerebral para causar una serie de síntomas periféricos tales como la espasticidad, debilidad muscular y reduce el control motor selectivo ^19. Técnicas de imagen del cerebro electrofisiológicos o pasivas tales como la estimulación magnética transcraneal ^20,21 y tensor de difusión de imagen ^22,23 han demostrado alteraciones en la organización cortical. fMRI ha sido útil para detectar diferencias en la activación en pequeños movimientos aislados ^24-26, pero el seguimiento de la ejecución de tareas puede ser un desafío en el entorno MRI, e incluso pequeño movimiento de la cabeza puede causar grandes artefactos. En esta población, en particular, complementaria o concurrente uso de modalidades de neuroimagen como fNIRS o electroencefalografía (EEG) presenta una oportunidad de obtener una mayor comprensión acerca de la fuente subyacentede los problemas de movimiento, y una herramienta adicional para supervisar los avances en relación con las intervenciones de motor.

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.