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.

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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Verifique que los marcadores reflectantes están bien sujetos a la parte superior de cada optodo en la sonda. </li><li> Reunir todos los documentos necesarios: consentimiento y asentimiento copias, hojas de exámenes clínicos y hojas de notas experimentales, por ejemplo. </li></ol> 2. Las medidas básicas <ol><li> 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. </li><li> Administrar Edimburgo Inventario Handedness 10 y otros exámenes clínicos como se indica. Los tipos de cabello y de la piel Record participante informó. </li><li> 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. </li></ol> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Verifique que todos los cables optodos están mintiendo plana, y que optodes son aproximadamente perpendicular a la superficie del cuero cabelludo. <ol><li> Si es necesario, coloque un trozo de espuma bajo el grupo de cables optodos para facilitar la alineación perpendicular de los optodes. </li></ol></li><li> 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. </li><li> Encienda las fuentes y control de la señal. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 4. Superficie electromiografía (EMG) de instalación <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Coloque EMG orientada a la dirección de las fibras musculares del electrodo. </li><li> Envuelva firmemente con una envoltura adherente auto. </li><li> 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. </li></ol> 5. Configuración de captura de movimiento <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol> 6. La marcha de tareas <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;descanso&quot; y para caminar a la velocidad establecida de la cinta de correr durante el período de &quot;tarea&quot;, mientras que se centra su atención en el pequeño círculo negro en la pantalla para la duración de adquisición de datos. </li><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li><li> Monitorear el desempeño de los participantes y proporcionar información acerca de la velocidad, o los movimientos voluntarios ajenos, según sea necesario. </li><li> 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. </li></ol> 7. Bilateral Extremidad Inferior Ciclismo Tarea <ol><li> 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. </li><li> Levante el cuadro de la bicicleta en su posición y fijarlo al plinto con una correa. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;descanso&quot; y al ciclo de aproximadamente 60 rpm durante el período de &quot;tarea&quot;. </li><li> 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. </li></ol> 8. mano apretando Tarea <ol><li> 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. </li><li> Instruya a los participantes para exprimir un objeto suave, aproximadamente una vez por segundo (1 Hz) durante el período de &quot;tarea&quot;, y permanecer lo más relajado posible durante los períodos de &quot;descanso&quot;. </li><li> Repita el paso 7.5. </li></ol> 9. tobillo Dorsiflexión Tarea <ol><li> Retire la mesita de noche, y elevar la porción de reposapiés del zócalo hasta llevar a los pies a la vista de los participantes. </li><li> 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. </li><li> Indique al participante a la flexión dorsal del tobillo de su aproximadamente una vez por segundo (1 Hz) durante el período de &quot;tarea&quot;, y permanecer lo más relajado posible durante los períodos de &quot;descanso&quot;. </li><li> Repita el paso 7.5. </li></ol> 10. Conclusión del ProProtocolo <ol><li> Retire la tapa e inspeccione la piel de las zonas de presión o enrojecimiento. </li><li> Retire todos los marcadores reflectantes y unidades de EMG. </li><li> 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. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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...

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.

<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

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.

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). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Figura 1. Ubicación de la sonda. La parte izquierda de esta figura muestra la ubica...

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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.

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

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 vistas.  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.

Video: 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.

Mejor práctica actual de obtención de datos de alta calidad EEG durante fMRI simultánea

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 ...

Investigación

Comportamiento

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.

Monitoreo EEG simultáneo Durante La estimulación transcraneal de corriente directa

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.

Electroencefalografía simultánea del cuero cabelludo (EEG), electromiografía (EMG) y de todo el cuerpo de grabación inercial segmentaria para Multi-modal Neural Decodificación

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;

Estudio Motor Habilidad Aprendizaje por Casa de pellets Tareas Llegar en ratones

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.

Estimular el Lip Corteza Motora con Estimulación Magnética Transcraneal

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.

El descubrimiento de golpe Sordera: Trastornos Detección de ritmo con los dedos sincronizada Tapping y tareas de sincronización de percepción

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.

El uso sin fibras, fNIRS Wearable para monitorear la actividad cerebral en tareas cognitivas del mundo real

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.

La investigación de los procesos de aprendizaje de habilidades motoras con una robótica 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).

Con una cinta de cinturón de Split para evaluar la generalización de la adaptación humana Aparato Locomotor

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.