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

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

Protocolo

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.

Resultados

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 ubica...

Discusión

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...

Materiales

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