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.

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. <ol><li> 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. </li><li> Schließen Sie den Trigger aus dem Befehls-Computer auf BNC-Eingänge der Motion-Capture-und fNIRS Computer &quot;. 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Überprüfen Sie, ob reflektierenden Markierungen sicher an der Spitze jeder Optode in der Sonde angebracht ist. </li><li> Montieren Sie alle erforderlichen Unterlagen: Zustimmung und Zustimmung kopiert, klinische Untersuchung Blätter und experimentelle Hinweis-Blätter, zum Beispiel. </li></ol> 2. Grund Maßnahmen <ol><li> Nach Abschluss der Einwilligung Prozess messen und Größe, Gewicht, Alter und Kopfumfang Rekord Teilnehmers. </li><li> Verwalten Edinburgh Händigkeit Bestands 10 und anderen klinischen Untersuchungen wie angegeben. Nehmen Teilnehmer berichteten Haar- und Hauttypen. </li><li> 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. </li></ol> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Stellen Sie sicher, dass alle Optode Kabel flach, und das Optoden etwa senkrecht zur Oberfläche der Kopfhaut sind. <ol><li> Legen Sie gegebenenfalls ein dünnes Stück Schaumstoff unter der Gruppe von Optode Kabel an senkrechte Ausrichtung der Optoden fördern. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Schalten Sie Quellen und überprüfen Sie die Signale. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 4. Oberflächen Elektromyographie (EMG) Setup- <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Platzieren EMG-Elektrode zu der Richtung der Muskelfasern orientiert. </li><li> Wickeln Sie eng mit einem selbsthaftende Wrap. </li><li> 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. </li></ol> 5. Motion Capture-Setup <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 6. Gang Task- <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;Rest&quot; Zeiten und bei Solldrehzahl des Laufbands während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum gehen, während ihre Aufmerksamkeit auf die kleinen schwarzen Kreis auf dem Bildschirm die Dauer der Datenerfassung. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Überwachen Teilnehmer Leistung und Rückmeldung über Geschwindigkeit oder Fremd willkürlichen Bewegungen, wie gebraucht. </li><li> 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. </li></ol> 7. Bilaterale Bein Radfahren Aufgabe <ol><li> 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. </li><li> Heben Sie den Fahrradrahmen in Position und befestigen Sie es mit dem Sockel mit einem Gurt. </li><li> 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. </li><li> Bewertung Aufgabenanweisungen mit dem Teilnehmer, ihnen zu sagen, wie still und entspannt wie möglich während der &quot;Rest&quot; Zeiten sowie auf Zyklus bei etwa 60 Umdrehungen pro Minute während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum bleiben. </li><li> 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. </li></ol> 8. Drücken Hand Aufgabe <ol><li> 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. </li><li> Weisen Sie Teilnehmer zu einem weichen Gegenstand während der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) drücken, und bleiben während &quot;Rest&quot; Perioden so entspannt wie möglich. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 7.5. </li></ol> 9. Knöcheldorsalflexion Aufgabe <ol><li> Entfernen Sie den Nachttisch, und die Fußstütze Teil des Sockel erwecken, um die Füße in den Blick der Teilnehmer zu bringen. </li><li> 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. </li><li> Weisen Sie den Teilnehmer, um ihre Knöchel etwa einmal pro Sekunde (1 Hz) bei der &quot;Aufgabe&quot; Zeitraum Dorsalflexion und bleiben während der &quot;Rest&quot; Perioden so entspannt wie möglich. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 7.5. </li></ol> 10. Abschluss des ProProtokoll <ol><li> Entfernen Sie die Kappe und überprüfen Haut für Bereiche von Druck oder Rötungen. </li><li> Entfernen Sie alle reflektierenden Markierungen und EMG-Einheiten. </li><li> 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. </li></ol>

<ol>
	<li>Suzuki, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prefrontal+and+premotor+cortices+are+involved+in+adapting+walking+and+running+speed+on+the+treadmill:+an+optical+imaging+study.">Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study.</a> Neuroimage. 23 (3), 1020-1026 (2004).</li><li>Leff, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+the+cerebral+cortex+during+motor+task+behaviours+in+adults:+a+systematic+review+of+functional+near+infrared+spectroscopy+(fNIRS)+studies.">Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies.</a> Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).</li><li>Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quality+control+and+assurance+in+functional+near+infrared+spectroscopy+(fNIRS)+experimentation.">Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation.</a> Phys Med Biol. 55 (13), 3701-3724 (2010).</li><li>Pellicer, A., Bravo Mdel, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-infrared+spectroscopy:+a+methodology-focused+review.">Near-infrared spectroscopy: a methodology-focused review.</a> Semin Fetal Neonatal Med. 16 (1), 42-49 (2011).</li><li>Wolf, M., Ferrari, M., Quaresima, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+of+near-infrared+spectroscopy+and+topography+for+brain+and+muscle+clinical+applications.">Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications.</a> J Biomed Opt. 12 (6), 062104 (2007).</li><li>Tian, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+functional+near+infrared+spectroscopy+to+assess+cortical+reorganization+in+children+with+cerebral+palsy.">Quantification of functional near infrared spectroscopy to assess cortical reorganization in children with cerebral palsy.</a> Opt Express. 18 (25), 25973-25986 (2010).</li><li>Koenraadt, K. L., Duysens, J., Smeenk, M., Keijsers, N. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-channel+NIRS+of+the+primary+motor+cortex+to+discriminate+hand+from+foot+activity.">Multi-channel NIRS of the primary motor cortex to discriminate hand from foot activity.</a> J Neural Eng. 9 (4), 046010 (2012).</li><li>Khan, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+abnormal+motor+cortex+activation+patterns+in+children+with+cerebral+palsy+by+functional+near-infrared+spectroscopy.">Identification of abnormal motor cortex activation patterns in children with cerebral palsy by functional near-infrared spectroscopy.</a> J Biomed Opt. 15 (3), 036008 (2010).</li><li>Tian, F., Alexandrakis, G., Liu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+probe+geometry+for+diffuse+optical+brain+imaging+based+on+measurement+density+and+distribution.">Optimization of probe geometry for diffuse optical brain imaging based on measurement density and distribution.</a> Appl Opt. 48 (13), 2496-2504 (2009).</li><li>Oldfield, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+assessment+and+analysis+of+handedness:+the+Edinburgh+inventory.">The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory.</a> Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).</li><li>Delagi, E. F., Perotto, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anatomic+guide+for+the+electromyographer--the+limbs.">Anatomic guide for the electromyographer--the limbs.</a> , (1980).</li><li>Hermens, H. J., Freriks, B., Disselhorst-Klug, C., Rau, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+recommendations+for+SEMG+sensors+and+sensor+placement+procedures.">Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures.</a> J Electromyogr Kinesiol. 10 (5), 361-374 (2000).</li><li>Garvey, M. A., Kaczynski, K. J., Becker, D. A., Bartko, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subjective+reactions+of+children+to+single-pulse+transcranial+magnetic+stimulation.">Subjective reactions of children to single-pulse transcranial magnetic stimulation.</a> J Child Neurol. 16 (12), 891-894 (2001).</li><li>Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HomER:+a+review+of+time-series+analysis+methods+for+near-infrared+spectroscopy+of+the+brain.">HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain.</a> Appl Opt. 48 (10), 280-298 (2009).</li><li>Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> HOMER2. , (2012).</li><li>Jasdzewski, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differences+in+the+hemodynamic+response+to+event-related+motor+and+visual+paradigms+as+measured+by+near-infrared+spectroscopy.">Differences in the hemodynamic response to event-related motor and visual paradigms as measured by near-infrared spectroscopy.</a> Neuroimage. 20 (1), 479-488 (2003).</li><li>Plichta, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Event-related+functional+near-infrared+spectroscopy+(fNIRS):+are+the+measurements+reliable.">Event-related functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): are the measurements reliable.</a> Neuroimage. 31 (1), 116-124 (2006).</li><li>Hervey, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+Therapeutics+and+Diagnostics+IX.">Photonic Therapeutics and Diagnostics IX.</a> SPIE. , (2013).</li><li>Sanger, T. D., Delgado, M. R., Gaebler-Spira, D., Hallett, M., Mink, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Classification+and+definition+of+disorders+causing+hypertonia+in+childhood.">Classification and definition of disorders causing hypertonia in childhood.</a> Pediatrics. 111 (1), 89-97 (2003).</li><li>Eyre, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Is+hemiplegic+cerebral+palsy+equivalent+to+amblyopia+of+the+corticospinal+system.">Is hemiplegic cerebral palsy equivalent to amblyopia of the corticospinal system.</a> Ann Neurol. 62 (5), 493-503 (2007).</li><li>Maegaki, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Central+motor+reorganization+in+cerebral+palsy+patients+with+bilateral+cerebral+lesions.">Central motor reorganization in cerebral palsy patients with bilateral cerebral lesions.</a> Pediatr Res. 45 (4 pt 1), 559-567 (1999).</li><li>Hoon, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensory+and+motor+deficits+in+children+with+cerebral+palsy+born+preterm+correlate+with+diffusion+tensor+imaging+abnormalities+in+thalamocortical+pathways.">Sensory and motor deficits in children with cerebral palsy born preterm correlate with diffusion tensor imaging abnormalities in thalamocortical pathways.</a> Dev Med Child Neurol. 51 (9), 697-704 (2009).</li><li>Yoshida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+diffusion+tensor+tractography+of+the+motor+and+sensory+tract+in+children+with+cerebral+palsy.">Quantitative diffusion tensor tractography of the motor and sensory tract in children with cerebral palsy.</a> Dev Med Child Neurol. 52 (10), 935-940 (2010).</li><li>Lotze, M., Sauseng, P., Staudt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+relevance+of+ipsilateral+motor+activation+in+congenital+hemiparesis+as+tested+by+fMRI-navigated+TMS.">Functional relevance of ipsilateral motor activation in congenital hemiparesis as tested by fMRI-navigated TMS.</a> Exp Neurol. 217 (2), 440-443 (2009).</li><li>Phillips, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ankle+dorsiflexion+fMRI+in+children+with+cerebral+palsy+undergoing+intensive+body-weight-supported+treadmill+training:+a+pilot+study.">Ankle dorsiflexion fMRI in children with cerebral palsy undergoing intensive body-weight-supported treadmill training: a pilot study.</a> Dev Med Child Neurol. 49 (1), 39-44 (2007).</li><li>Wilke, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Somatosensory+system+in+two+types+of+motor+reorganization+in+congenital+hemiparesis:+topography+and+function.">Somatosensory system in two types of motor reorganization in congenital hemiparesis: topography and function.</a> Hum Brain Mapp. 30 (3), 776-788 (2009).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

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...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="777">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Name of Reagent/ Equipment</td>
			<td style="width:107px;">Company</td>
			<td style="width:163px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:293px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">CW6</td>
			<td style="width:107px;">TechEn</td>
			<td style="width:163px;">http://nirsoptix.com/</td>
			<td style="width:293px;">fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">MX system with ten T40-series cameras</td>
			<td style="width:107px;">Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td>
			<td style="width:163px;">http://www.vicon.com/System/TSeries</td>
			<td style="width:293px;">Motion capture cameras</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">reflective 4 mm markers</td>
			<td style="width:107px;">Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td>
			<td style="width:163px;">n/a</td>
			<td style="width:293px;">Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates.</td>
		</tr>
		<tr height="113">
			<td height="113" style="height:113px;width:216px;">reflective 9.5 mm markers</td>
			<td style="width:107px;">Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td>
			<td style="width:163px;">n/a</td>
			<td style="width:293px;">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.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Trigno Wireless EMG system</td>
			<td style="width:107px;">Delsys, Inc. Natick, MA</td>
			<td style="width:163px;">http://www.delsys.com/products/wireless-emg/</td>
			<td style="width:293px;">Electromyography</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Bertec split-belt instrumented treadmill</td>
			<td style="width:107px;">Bertec Corporation, Columbus, OH</td>
			<td style="width:163px;">http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html</td>
			<td style="width:293px;">Treadmill</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">ZeroG body-weight support system</td>
			<td style="width:107px;">Aretech, LLC, Ashburn, VA</td>
			<td style="width:163px;">http://www.aretechllc.com/overview.html</td>
			<td style="width:293px;">Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">3DS Max 2013</td>
			<td style="width:107px;">Autodesk, Inc., San Francisco, CA&#160;</td>
			<td style="width:163px;">http://www.autodesk.com/</td>
			<td style="width:293px;">3-D animation software used to animate animals for instructional videos</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">Windows Movie Maker</td>
			<td style="width:107px;">Microsoft Corporation, Redmond, WA</td>
			<td style="width:163px;">http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker</td>
			<td style="width:293px;">software used to combine animation footage with music</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Audacity</td>
			<td style="width:107px;">open source</td>
			<td style="width:163px;">http://audacity.sourceforge.net/</td>
			<td style="width:293px;">Software used to alter musical beat to appropriate cadence</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

functional near infrared spectroscopy of the sensory and motor brain regions with simultaneous kinematic and emg monitoring during 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.

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). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Abbildung 1. Sonde Lage. Der linke Teil dieser Figur zeigt die ungefähre Lage der sensorischen Arealen (in...

Watch this Scientific Journal Video about Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks at JoVE.com

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

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.

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

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

functional-near-infrared-spectroscopy-sensory-motor-brain-regions

Research

JoVE Journal

Behavior

15.0K Aufrufe.  National Institutes of Health. 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.

Serie: Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

Best Current Practice for Obtaining High Quality EEG Data During Simultaneous fMRI

Simultaneous EEG-fMRI allows the excellent temporal resolution of EEG to be combined with the high spatial accuracy of fMRI. The data from these two modalities can be combined in a number of ways, but all rely on the acquisition of high quality EEG and fMRI data. EEG data acquired during simultaneous fMRI are affected by several artifacts, including the gradient artefact (due to the changing magnetic field gradients required for fMRI), the pulse artefact (linked to the cardiac cycle) and movement artifacts (resulting from movements in the strong magnetic field of the scanner, and muscle activity). Post-processing methods for successfully correcting the gradient and pulse artifacts require a number of criteria to be satisfied during data acquisition. Minimizing head motion during EEG-fMRI is also imperative for limiting the generation of artifacts.
Interactions between the radio frequency (RF) pulses required for MRI and the EEG hardware may occur and can cause heating. This is only a significant risk if safety guidelines are not satisfied. Hardware design and set-up, as well as careful selection of which MR sequences are run with the EEG hardware present must therefore be considered.
The above issues highlight the importance of the choice of the experimental protocol employed when performing a simultaneous EEG-fMRI experiment. Based on previous research we describe an optimal experimental set-up. This provides high quality EEG data during simultaneous fMRI when using commercial EEG and fMRI systems, with safety risks to the subject minimized. We demonstrate this set-up in an EEG-fMRI experiment using a simple visual stimulus. However, much more complex stimuli can be used. Here we show the EEG-fMRI set-up using a Brain Products GmbH (Gilching, Germany) MRplus, 32 channel EEG system in conjunction with a Philips Achieva (Best, Netherlands) 3T MR scanner, although many of the techniques are transferable to other systems.

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional Magnetic Resonance imaging (fMRI) is a powerful neuroimaging tool. However, the inside of an MRI scanner forms a difficult environment for EEG data recording and safety must be considered whenever operating EEG equipment inside a scanner. Here, we present an optimised EEG-fMRI data acquisition protocol.

Besten gegenwärtigen Praxis zur Gewinnung von High Quality EEG Daten während Gleichzeitige fMRI

Simultaneous  EEG-fMRI allows the excellent temporal resolution of EEG to be combined with the  high spatial accuracy of fMRI. The data  from these two ...

Forschung

Verhalten

Simultaneous EEG Monitoring During Transcranial Direct Current Stimulation

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a technique that delivers weak electric currents through the scalp. This constant electric current induces shifts in neuronal membrane excitability, resulting in secondary changes in cortical activity. Although tDCS has most of its neuromodulatory effects on the underlying cortex, tDCS effects can also be observed in distant neural networks. Therefore, concomitant EEG monitoring of the effects of tDCS can provide valuable information on the mechanisms of tDCS. In addition, EEG findings can be an important surrogate marker for the effects of tDCS and thus can be used to optimize its parameters. This combined EEG-tDCS system can also be used for preventive treatment of neurological conditions characterized by abnormal peaks of cortical excitability, such as seizures. Such a system would be the basis of a non-invasive closed-loop device. In this article, we present a novel device that is capable of utilizing tDCS and EEG simultaneously. For that, we describe in a step-by-step fashion the main procedures of the application of this device using schematic figures, tables and video demonstrations. Additionally, we provide a literature review on clinical uses of tDCS and its cortical effects measured by EEG techniques.

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a non-invasive brain stimulation technique that has shown initial therapeutic effects in several neurological conditions. The main mechanism underlying these therapeutic effects is the modulation of cortical excitability. Therefore, online monitoring of cortical excitability would help guide stimulation parameters and optimize its therapeutic effects. In the present article we review the use of a novel device that combines simultaneous tDCS and EEG monitoring in real time.

Simultane EEG Überwachung Während transkranielle Gleichstrom-Stimulation

Transcranial  direct current stimulation (tDCS) is a technique that delivers weak electric  currents through the scalp. This constant electric current ...

Simultaneous Scalp Electroencephalography (EEG), Electromyography (EMG), and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Recent studies support the involvement of supraspinal networks in control of bipedal human walking. Part of this evidence encompasses studies, including our previous work, demonstrating that gait kinematics and limb coordination during treadmill walking can be inferred from the scalp electroencephalogram (EEG) with reasonably high decoding accuracies. These results provide impetus for development of non-invasive brain-machine-interface (BMI) systems for use in restoration and/or augmentation of gait- a primary goal of rehabilitation research. To date, studies examining EEG decoding of activity during gait have been limited to treadmill walking in a controlled environment. However, to be practically viable a BMI system must be applicable for use in everyday locomotor tasks such as over ground walking and turning. Here, we present a novel protocol for non-invasive collection of brain activity (EEG), muscle activity (electromyography (EMG)), and whole-body kinematic data (head, torso, and limb trajectories) during both treadmill and over ground walking tasks. By collecting these data in the uncontrolled environment insight can be gained regarding the feasibility of decoding unconstrained gait and surface EMG from scalp EEG.

Simultaneous Scalp Electroencephalography EEG, Electromyography EMG, and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Development of an effective brain-machine-interface (BMI) system for restoration and rehabilitation of bipedal locomotion requires accurate decoding of user's intent. Here we present a novel experimental protocol and data collection technique for simultaneous non-invasive acquisition of neural activity, muscle activity, and whole-body kinematics during various locomotion tasks and conditions.

Gleichzeitige Scalp Elektroenzephalographie (EEG), Elektromyographie (EMG) und Ganzkörper-Segment Inertial Recording für Multi-modal Neural Decoding

Recent  studies support the involvement of supraspinal networks in control of bipedal  human walking. Part of this evidence  encompasses studies, ...

Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and retrieve food rewards positioned at a specific location, their motor performance (defined as accuracy and speed) improves progressively over time, and plateaus after persistent training. Once such reaching skill is mastered, its further maintenance does not require constant practice. Here we introduce a single-pellet reaching task to study the acquisition and maintenance of skilled forelimb movements in mice. In this video, we first describe the behaviors of mice that are commonly encountered in this learning and memory paradigm, and then discuss how to categorize these behaviors and quantify the observed results. Combined with mouse genetics, this paradigm can be utilized as a behavioral platform to explore the anatomical underpinnings, physiological properties, and molecular mechanisms of learning and memory.

Persistent practice improves the precision of coordinated movements.&#160;Here we introduce a single-pellet reaching task, which is designed to assess the learning and memory of forelimb skill in mice.&#160;

Studie Motorik Lernen durch Einzel-Pellet Erreichen Aufgaben in Mäuse

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and ...

Stimulating the Lip Motor Cortex with Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. Researchers have used single-pulse and repetitive TMS to stimulate the lip representation in the motor cortex. The excitability of the lip motor representation can be investigated by applying single TMS pulses over this cortical area and recording TMS-induced motor evoked potentials (MEPs) via electrodes attached to the lip muscles (electromyography; EMG). Larger MEPs reflect increased cortical excitability. Studies have shown that excitability increases during listening to speech as well as during&#160;viewing speech-related movements. TMS can be used also to disrupt the lip motor representation. A 15-min train of low-frequency sub-threshold repetitive stimulation has been shown to suppress motor excitability for a further 15-20 min. This TMS-induced disruption of the motor lip representation impairs subsequent performance in demanding speech perception tasks and modulates auditory-cortex responses to speech sounds. These findings are consistent with the suggestion that the motor cortex contributes to speech perception. This article describes how to localize the lip representation in the motor cortex and how to define the appropriate stimulation intensity for carrying out both single-pulse and repetitive TMS experiments.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception.&#160; This article describes how to record motor evoked potentials (MEPs) from the lip muscles and how to disrupt the motor lip representation using repetitive TMS.

Förderung der Lip Motor Cortex mit Transkranielle Magnetstimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. ...

Uncovering Beat Deafness: Detecting Rhythm Disorders with Synchronized Finger Tapping and Perceptual Timing Tasks

A set of behavioral tasks for assessing perceptual and sensorimotor timing abilities in the general population (i.e., non-musicians) is presented here with the goal of uncovering rhythm disorders, such as beat deafness. Beat deafness is characterized by poor performance in perceiving durations in auditory rhythmic patterns or poor synchronization of movement with auditory rhythms (e.g., with musical beats). These tasks include the synchronization of finger tapping to the beat of simple and complex auditory stimuli and the detection of rhythmic irregularities (anisochrony detection task) embedded in the same stimuli. These tests, which are easy to administer, include an assessment of both perceptual and sensorimotor timing abilities under different conditions (e.g., beat rates and types of auditory material) and are based on the same auditory stimuli, ranging from a simple metronome to a complex musical excerpt. The analysis of synchronized tapping data is performed with circular statistics, which provide reliable measures of synchronization accuracy (e.g., the difference between the timing of the taps and the timing of the pacing stimuli) and consistency. Circular statistics on tapping data are particularly well-suited for detecting individual differences in the general population. Synchronized tapping and anisochrony detection are sensitive measures for identifying profiles of rhythm disorders and have been used with success to uncover cases of poor synchronization with spared perceptual timing. This systematic assessment of perceptual and sensorimotor timing can be extended to populations of patients with brain damage, neurodegenerative diseases (e.g., Parkinson&#8217;s disease), and developmental disorders (e.g., Attention Deficit Hyperactivity Disorder).

Behavioral tasks that allow for the assessment of perceptual and sensorimotor timing abilities in the general population (i.e., non-musicians) are presented. Synchronization of finger tapping to the beat of an auditory stimuli and detecting rhythmic irregularities provides a means of uncovering rhythm disorders.

Aufdecken Schlag Taubheit: Entdecken Rhythmusstörungen mit Synchronized Finger Tapping und Wahrnehmungszeit Aufgaben

A set of behavioral tasks for assessing perceptual and sensorimotor timing abilities in the general population (i.e., non-musicians) is presented here ...

Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks

Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is a neuroimaging technique that uses near-infrared light to monitor brain activity. Based on neurovascular coupling, fNIRS is able to measure the haemoglobin concentration changes secondary to neuronal activity. Compared to other neuroimaging techniques, fNIRS represents a good compromise in terms of spatial and temporal resolution. Moreover, it is portable, lightweight, less sensitive to motion artifacts and does not impose significant physical restraints. It is therefore appropriate to monitor a wide range of cognitive tasks (e.g., auditory, gait analysis, social interaction) and different age populations (e.g., new-borns, adults, elderly people). The recent development of fiberless fNIRS devices has opened the way to new applications in neuroscience research. This represents a unique opportunity to study functional activity during real-world tests, which can be more sensitive and accurate in assessing cognitive function and dysfunction than lab-based tests. This study explored the use of fiberless fNIRS to monitor brain activity during a real-world prospective memory task. This protocol is performed outside the lab and brain haemoglobin concentration changes are continuously measured over the prefrontal cortex while the subject walks around in order to accomplish several different tasks.

Monitoring brain activity outside the lab without physical constraints presents methodological challenges. A fiberless, wearable functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) system was used to measure brain activity during an ecological prospective memory task. It was demonstrated that this system could be used to monitor brain activity during non-lab based experiments.

Verwendung fiberlosen, Wearable fNIRS die Hirnaktivität in realen kognitiven Aufgaben Überwachen

Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is a neuroimaging technique that uses near-infrared light to monitor brain activity. Based on neurovascular ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

Untersuchung Motorfaehigkeiten Lernprozesse mit einem Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

Using a Split-belt Treadmill to Evaluate Generalization of Human Locomotor Adaptation

Understanding the mechanisms underlying locomotor learning helps researchers and clinicians optimize gait retraining as part of motor rehabilitation. However, studying human locomotor learning can be challenging. During infancy and childhood, the neuromuscular system is quite immature, and it is unlikely that locomotor learning during early stages of development is governed by the same mechanisms as in adulthood. By the time humans reach maturity, they are so proficient at walking that it is difficult to come up with a sufficiently novel task to study de novo locomotor learning. The split-belt treadmill, which has two belts that can drive each leg at a different speed, enables the study of both short- (i.e., immediate) and long-term (i.e., over minutes-days; a form of motor learning) gait modifications in response to a novel change in the walking environment. Individuals can easily be screened for previous exposure to the split-belt treadmill, thus ensuring that all experimental participants have no (or equivalent) prior experience. This paper describes a typical split-belt treadmill adaptation protocol that incorporates testing methods to quantify locomotor learning and generalization of this learning to other walking contexts. A discussion of important considerations for designing split-belt treadmill experiments follows, including factors like treadmill belt speeds, rest breaks, and distractors. Additionally, potential but understudied confounding variables (e.g., arm movements, prior experience) are considered in the discussion.

We describe a protocol for investigating human locomotor adaptation using the split-belt treadmill, which has two belts that can drive each leg at a different speed. We specifically focus on a paradigm designed to test the generalization of adapted locomotor patterns to different walking contexts (e.g., gait speeds, walking environments).

Verwenden eine Split-Gürtel-Laufband zum Verallgemeinerung des menschlichen Bewegungsapparates Anpassung auswerten

Understanding the mechanisms underlying locomotor learning helps researchers and clinicians optimize gait retraining as part of motor rehabilitation. ...

Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations. TACS employs frequency-specific stimulation of the human brain through current applied to the scalp with surface electrodes. Most current knowledge of the technique is based on behavioral studies; thus, combining the method with brain imaging holds potential to better understand the mechanisms of tACS. Because of electrical and susceptibility artifacts, combining tACS with brain imaging can be challenging, however, one brain imaging technique that is well suited to be applied simultaneously with tACS is functional magnetic resonance imaging (fMRI). In our lab, we have successfully combined tACS with simultaneous fMRI measurements to show that tACS effects are state, current, and frequency dependent, and that modulation of brain activity is not limited to the area directly below the electrodes. This article describes a safe and reliable setup for applying tACS simultaneously with visual task fMRI studies, which can lend to understanding oscillatory brain function as well as the effects of tACS on the brain.

Transcranial alternating current stimulation (tACS) is a promising tool for noninvasive investigation of brain oscillations, though its effects are not completely understood. This article describes a safe and reliable setup for applying tACS simultaneously with functional magnetic resonance imaging, which can increase understanding oscillatory brain function and effects of tACS.