感觉和运动脑区与运动同步和肌电图监测功能近红外光谱在运动任务

摘要

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.

摘要

有几个优点，功能近红外光谱（fNIRS）呈现在人类运动神经控制的研究。它比较灵活，对于参与者的定位，并允许在任务的一些头部运动。此外，它是廉价的，重量轻，便携，极少禁忌其使用。这提供在个人谁通常显影，以及那些与运动失调，如脑性麻痹期间马达任务学习功能的大脑活动的独特机会。学习运动障碍时额外的考虑，但是，是进行实际运动的质量和额外的，意想不到的动作的可能性。因此，需要对fNIRS结果适当解释并发监测大脑中的两个血流变化以及身体的在测试期间的实际动作。这里，我们显示一个协议fNIRS与组合肌肉在运动任务运动监控。我们探讨步态，单边多关节移动（循环），和两个单侧单关节运动（隔绝踝关节背屈，并分离手挤压）。呈现的技术可以在学习典型和非典型的电机控制是有用的，并且可以被修改以调查范围广泛的任务和科学问题的。

引言

在功能性任务的神经成像变得更轻便和成本效益的使用非侵入性官能近红外光谱（fNIRS）通过测定血流动力学在皮质，以确定大脑活动的区域。 fNIRS的可移植性是在直立和功能任务，例如步态^1，这是不可能与其他技术的研究中特别有用，如功能性磁共振成像（fMRI）。这种能力是在神经学和神经科学领域的关键，并可能提供新的见解基本运动障碍的儿童和成人脑瘫（CP），并影响到电机控制等神经系统疾病的机制。理解的机制提高了设计有效的干预对目标损伤和活动限制的源的能力。

电机的任务很多fNIRS研究迄今已与成人的健康人群，其中一部分icipants被指示执行某一任务，监控任务性能被限制在目视检查。这可能是足以让那些典型的运动和参与的高水平，但研究的参与者与运动障碍或谁有困难出席了任务延长的时期，包括正常发育儿童的时候是不能接受的。为了告知脑激活在这些情况下的分析，需要同时监视电动机图案的，实际上是完成。

fNIRS系统和用法的全面审查已经呈现在文献^2-5指导使用和有助于说明fNIRS的精度和这些系统的灵敏度，但在收集，处理的技术问题，并解释数据仍然存在。颜色和头发厚度影响光信号的质量，以深色浓密的头发最有可能阻止或扭曲光学transmi裂变^3,6。研究位于头部，其中毛囊密度是最大的冠区域中的感觉运动区时，一些研究报告非应答者^6,7，这是特别相关的。已确立国际二十○分之一十系统可用于光极的放置，但特别是在那些与非典型脑解剖，共同登记光极的位置，以参加者的解剖的MRI的情况是，如果不是必要的，以正确地解释非常有用结果。

使用fNIRS，以评估在儿童期发病的脑损伤的脑激活是相当新的，但在单边脑瘫^6,8,9领域获得牵引力。在考虑到前述的挑战，该协议结合fNIRS，动作捕捉，和肌电（EMG）监测期间多项任务，包括简单的单关节任务，以及更复杂的全身运动。视觉和听觉指导我们ED改善跨越多个年龄段的参与者关注和工作表现。该协议的目的是找出那些具有单侧和双侧儿童期发病的脑损伤相比，谁通常在开发大脑活动模式的差异。我们探索一个完整的身体运动（步态），一个双侧下肢多关节移动（循环），和两个单侧单关节运动（隔绝踝关节背屈，并分离手挤压）来说明各种方法的应用程序。相同或非常类似的协议可以被用来研究其它感觉或运动障碍或其他感兴趣的任务。

近红外光的连续波被发射，并在690纳米和830纳米以上使用fNIRS系统以50赫兹的速率在感觉皮质检测，使用定制设计的源 - 检测器的配置。肌电图数据收集无线在1000赫兹的频率。反光标记3-D的位置是由光学运动捕捉系统100赫兹的速率收集的。两个不同的计算机处理的数据采集，一个用于fNIRS，另一个用于动作捕捉和肌电图。使用从对应于鼠标按钮按下启动教学动画为每个任务三分之一的计算机触发脉冲数据同步。对于除步态的所有任务，教学动画设计规范参与者的性能使用任务（1赫兹），通过卡通动物跳跃或踢，以及听觉提示所代表的步伐视觉引导。

研究方案

注:此方案经美国国立卫生研究院的机构审查委员会（ClinicalTrials.gov标识符:NCT01829724）。所有参加者有机会提问，之前，他们的参与提供了知情同意书。在考虑变化所引起的最近使用血管扩张剂和血管收缩剂的血液动力学反应，参与者被要求从酒精和咖啡因以避免在实验^3。这些动画影片被定义在我们的实验室做出之前24小时，但可以用其他声音或特定的替代研究问题的图像。

1.设置室此前的参与者的到来。

1. 根据该动作捕捉制造商的具体过程校准动作捕捉摄像机相对于实验室的坐标。确保摄像头位置将允许记录所有标记的​​正文上而在将要测试的任务的参与者的头上。校准过程保证了动作捕捉系统的精确度，是任何运动实验室的标准做法。使用10摄像系统，具有17米^3，其中的反射标记可以可靠地识别的近似体积。
2. 从指令计算机的动作捕捉和fNIRS计算机的BNC输入连接触发。确保该触发器被连接到一个鼠标按钮，点击鼠标完成电路并同时发送一个脉冲给运动捕捉/肌电图数据采集板和向fNIRS数据采集板作为辅助的模拟输入。
3. 通过USB端口运行的指令动画视频的电脑，连接这款鼠标，这样在启动视频会同时导致电压变化对两个数据采集系统。
   注:EMG信号自动同步的，并保存动作捕捉软件，所以ADDIT是不是需要EMG系统的有理假唱。
4. 设置屏幕和投影机的说明，显示给参与者。除去这可能是干扰项的任何不必要的物品。放置三脚架和数字视频摄像机，他们将有参加者的动作全视图。
5. 确认反光标记牢固地连接到探头每个光极顶。
6. 收集所有必要的文件:同意同意副本，临床检查表，和实验乐谱，例如。

2.基本措施

1. 在完成知情同意过程之后，测量并记录参加者的身高，体重，年龄，和头部周长。
2. 爱丁堡管理库存惯用手¹⁰等临床检查所示。记录参与者报告的头发和皮肤类型。
3. 放置在髂后上棘反光标记（PSIS）双侧。有参加者步行在其舒适的速度跨越实验室3 - 5倍，并在整个试验中平均的速度来估计其自身选择步行步伐。

3.功能近红外光谱（fNIRS）设置

注意:这可以同时用肌电图和动作捕捉设置完成，如果有足够的实验者或研究人员，协助，如果参与者是舒适与几个人正在接近他们在同一时间。

1. 测量鼻根（NZ）和INION（IZ）之间的距离，并在右侧（Ar）和左（Al）的耳朵前耳廓点之间。这两个措施的中点的交点是锆石，其标记在使用可洗的标记头皮。
2. 如果参与者长发，部分断用辫子或马尾以暴露其中光极将被放置在头皮毛发的小部分。
3. 将fNIRS探测到吨他参加的头，小心地对准CZ，氩。然后将头发从每个光极下，因为它是放置它在头皮上。最后，附上魔术贴绑带安全地保持光极到位。
   注:在这个协议中，使用盖有一条带子的云头，一说去对面的额头，和一个去下颏后面。光极被固定在这个上限用魔术贴灵活的塑料环是环绕耳朵上。
   1. 如果参与者有短发（小于约2英寸长），拉出光极之间的头发用小细棍或塑料端梳子。
4. 验证所有光极电缆都平放，而光极是大致垂直于头皮的表面上。
   1. 如果必要，可将一薄片的泡沫组成的组光极电缆下，以促进光极的垂直对齐。
5. 请与对探头的舒适参与者，并如果需要进行调整。指导他们告诉实验者，如果他们的舒适在实验过程中的任何一点下降。
6. 打开源并检查信号。
   1. 在这个系统中，确保具有至少80分贝的强度和心跳信号的deltaOD（光学密度变化）清晰可见，在两个690和830纳米的波长的信号。当通道有信号，不符合这些标准，确认头发不堵光极（S），然后根据需要最大限度地提高信号强度调整探测器的收益。确保在这个时候，动作捕捉相机关闭。
      注:其他fNIRS机可以在不同的波长为690和830 nm的操作;在这种情况下，检查最适合本机正在使用的波长。
7. 添加反光标记，以NZ，IZ，氩气，和Al。请参与者仍然持有和收集大约2秒的动作捕捉数据，这些和fNIRS光极标记。确认所有的标志都被记录，并收集更多的审判是必要的。它可能要求参与者来改变头部位置，以改善的摄像机和所述标记之间的视线。在分析过程中使用这些收集到的三维位置的参与者的个人结构性MRI的概率注册（如果可用）。
8. 添加封面用黑色毡或其他光吸收材料上的fNIRS光极顶部数层，以保护从运动捕捉摄像头的干扰或饱和探测器。确保电缆和fNIRS单元的前面板也同时使用相同的光吸收材料的屏蔽。

4.表面肌电图（EMG）设置

1. 使用解剖标志，触诊时肌肉收缩找到每个目标肌肉的肌腹和电极安置指导^11。
   注:针对本协议的肌肉包括BIL抵押品腓肠肌内侧，胫骨前肌，股直肌，股外侧肌，股二头肌，桡侧伸腕和桡侧腕屈肌。
2. 准备肌电电极放置在肌腹由剃须，用胶带去除死皮细胞，然后清洗用异丙醇垫，所推荐的SENIAM ^12，等待皮肤干燥。
3. 放置肌电电极定向成肌肉纤维的方向。
4. 具有自贴包装包装紧贴。
5. 检查计算机上的肌肉信号，同时进行徒手肌力测试，以确保正确的电极位置，并清晰的信号变化的可视化时，肌肉处于活动状态。

5.动作捕捉设置

1. 放置反光标记，在联合的里程碑。这些措施包括内外踝，内侧和外侧膝关节，髂前上棘（ASIS），髂后上棘（PSIS），桡骨茎突，尺骨SYLOID，中介人肱骨epicondyl和横向肱骨epicondyl。
2. 放置3个或更多个标志，或标记的一个刚体群集上的每个感兴趣的段，包括脚，胫，大腿，手，和前臂。
3. 收集大约2秒的动作捕捉数据，而参与者站在仍处于标准化的位置，如站立手臂在90°肩关节前屈90°肘关节屈曲。确保所有的标记物都清晰可见的摄像机。

6.步态任务

1. 有参与者转移到跑步机。通过支持fNIRS光极电缆协助他们，然后将电缆固定在天花板上的支持后，病人在位置。如果患者是在高风险的瀑布，用体重支承线束是否安全这个任务中。
2. 开始在跑步机上，慢慢建立测得的自我选择的行走速度，以获得参加舒服的成立条件。然后缓慢停了下来再次。
3. 建立与听觉反馈，这将提示参与者要么休息或移动的动画文件。与参与者审查任务的说明，告诉他们保持静止，轻松地在"休息"时间，并在"任务"期间走在跑步机的设定速度，同时注重他们的注意力，以黑色小圆圈在屏幕上数据采集​​的持续时间。
4. 昏暗的灯光，并开始了动作捕捉计算机和fNIRS计算机上的数据采集。开始录制视频相机。
5. 用鼠标触发，点击与此任务相关的动画文件的播放按钮。确保收到的动作捕捉和NIRS系统既触发了。
   1. 切换到一个黑点位于视线参与者的线的形象，让他们对审判的持续时间焦点。
      注:概述概略每个试验示于图2。
6. 监视参与者的表现，并根据需要提供有关的速度，或者外来的随意运动的反馈。
7. 在教学动画结束，停止记录在运动捕捉，肌电图，和fNIRS系统，以及视频摄像机。让参与者有机会休息或移仓是必要的。

7.双侧下肢循环任务

1. 有参与者过渡到可移动背部和腿部支撑一个底座，照顾，支持fNIRS光极电缆并没有碰撞或打跑了动作捕捉标记或肌电电极。具有泡沫座垫在实验过程中，以提高舒适性。
2. 提起周期框架到位并将其固定用皮带勒脚。
3. 固定脚进入踏板和根据需要调整周期的位置，以促进在踏板上了舒适和自然的距离。在的最远点，在循环中，保持其膝盖在约10度屈曲。
   注意:在这一点上，参与者将处于半卧位姿势，它提供了一些支撑躯干，并在其余期间促进放松。
4. 与参与者审查任务的说明，告诉他们在"任务"期间大约每分钟60转，以保持静止，轻松地在"休息"时间和周期。
5. 重复步骤6.4至6.7。而不是切换到一个点，项目中的卡通动画，将CUE参与者要么休息或移动通过视觉和听觉反馈的图像。最大化电影窗口以使参与者不能够监视已经通过，或者是剩余，在当前的试验的时间。

8.用手挤压任务

1. 从周期和周期本身取出脚后，将一张床表中的参与者，马金前克确保参与者的臂在一个舒适的位置上支撑在桌子上。
2. 指导参与者在"任务"期间挤柔软物体大约一次每秒（1赫兹），并保持尽量宽松期间"休息"时间。
3. 重复步骤7.5。

9.踝背屈任务

1. 床上表中删除，并提高了底座的脚蹬部上升带来的脚到参与者的观点。
2. 删除参与者的鞋和袜子，并替换脚标记在适当的位置。支持小牛刚刚高于其踝关节用泡沫垫，以允许踝关节的运动。
3. 指导参与者在"任务"期间每秒（1赫兹），以他们的背屈脚踝约一次，并保持尽量宽松期间"休息"时间。
4. 重复步骤7.5。

10.结论临母育

1. 取下盖和检查皮肤的压力或发红的区域。
2. 删除所有反光标志和EMG单位。
3. 感谢参与了他们的时间，并邀请他们的意见对主观协议的经验。这可以是一个正式的调查问卷（所使用的加维和他的同事对经颅磁刺激^13），或非正式的讨论，以确定不适，可以在未来得到改善常见的来源。

结果

这个协议协调并发采集3方式捕捉脑血流，肌肉电活动和关节的运动学运动的同时参与者执行电动机的任务（ 图1）。

图1.探针位置。该图的左侧部分示出的感觉区的近似位置（蓝色，布洛德曼区域1,2,3），主马达区域（显示为绿色，布洛德曼区域4），和运动前区（?...

讨论

同时采集大脑活动的从皮层的目标区域，以及有关如何一个人正在呈现巨大的潜力，以便改进我们的运动神经控制的理解，无论是在一个典型的显影的人口，以及那些具有运动障碍的量化数据。也有在年龄和运动的任务，可以完成，作为参与者不限于仰卧位置，因为它们将是一个功能性磁共振成像方面具有广阔的应用。的具体设备的物品不限于那些在材料清单提示 - 有几个运动捕获和运动的量化?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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