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.

NOTE: Ce protocole a été approuvé par l&#39;Institutional Review Board de la National Institutes of Health (identificateur ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tous les participants ont la possibilité de poser des questions et de donner un consentement éclairé avant leur participation. En contrepartie des changements à la réponse hémodynamique causés par l&#39;utilisation récente de vasodilatateurs et vasoconstricteurs, les participants sont priés de se abstenir de l&#39;alcool et de la caféine pendant 24 heures avant l&#39;expérience trois vidéos d&#39;animation .Ces ont été fabriqués sur mesure dans notre laboratoire, mais pourraient être enregistrées avec d&#39;autres des sons ou des images spécifiques aux questions de recherche alternatifs. 1. Mettre en place la salle avant l&#39;arrivée du participant. <ol><li> Calibrer le mouvement des caméras de capture par rapport à des coordonnées d&#39;un laboratoire conformément aux processus spécifique du fabricant de capture de mouvement. Veiller à ce que les positions de l&#39;appareil photo permettre l&#39;enregistrement de tous les marqueurs à la fois sur le corpset la tête du participant pendant les tâches qui seront testés. Le processus d&#39;étalonnage assure la précision du système de capture de mouvement et est pratique courante pour tout laboratoire de mouvement. Utiliser un système de dix caméra, avec un volume approximatif de 17 m 3, où marqueurs réfléchissants ont pu être identifiés de façon fiable. </li><li> Connectez le déclenchement de l&#39;ordinateur d&#39;instruction aux entrées BNC de capture et de mouvement fNIRS ordinateurs. Assurez-vous que la gâchette est reliée à un bouton de la souris et en cliquant sur la souris complète le circuit et envoie une impulsion simultanément à la capture de mouvement / EMG carte d&#39;acquisition de données et à la carte d&#39;acquisition de données de fNIRS que auxillary entrées analogiques. </li><li> Connectez cette souris via le port USB à l&#39;ordinateur qui se exécutent instruction vidéos d&#39;animation, tels que le démarrage de la vidéo va provoquer un changement de tension simultanément sur les deux systèmes d&#39;acquisition de données. Remarque: Les signaux EMG sont automatiquement synchronisés et sauvegardés par le logiciel de capture de mouvement, de sorte suppional synchronisation du système EMG ne est pas nécessaire. </li><li> Mettre en place l&#39;écran et un projecteur pour des instructions pour être montré au participant. Retirez tous les objets inutiles qui pourraient être sources de distraction. Placez le trépied et une caméra vidéo numérique où ils ont une vue complète des mouvements des participants. </li><li> Vérifiez que les marqueurs réfléchissants sont solidement fixés au début de chaque optode dans la sonde. </li><li> Assemblez tous les documents nécessaires: consentement et d&#39;assentiment copies, feuilles de l&#39;examen clinique, et feuilles de notes expérimentales, par exemple. </li></ol> 2. Mesures de base <ol><li> Après avoir terminé le processus de consentement éclairé, de mesurer et de taille, le poids, l&#39;âge et circonférence de la tête de fiche participant. </li><li> Administrer Edinburgh Handedness Inventaire 10 et autres examens cliniques comme indiqué. Enregistrez-participant rapporté les types de cheveux et de la peau. </li><li> Placez marqueurs réfléchissants sur les épines iliaques postérieures supérieures (SIEP) bilatéralement. Avoir le participant à pied à leur rythme confortable dans le laboratoire 3-5 fois, et la vitesse moyenne entre les essais d&#39;estimer leur auto sélectionnée marche rythme. </li></ol> 3. Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge (fNIRS) Setup NOTE: Ce peut être complété simultanément avec la mise en place d&#39;EMG et de capture de mouvement, se il ya suffisamment expérimentateurs ou personnel de recherche pour aider, et si le participant est à l&#39;aise avec plusieurs personnes étant proches d&#39;eux en même temps. <ol><li> Mesurez la distance entre le nasion (Nz) et l&#39;inion (Iz), et entre les points pré-auriculaires sur la droite (Ar) et gauche (Al) oreilles. L&#39;intersection du point milieu de ces deux mesures est Cz, qui est marqué sur le cuir chevelu à l&#39;aide d&#39;un marqueur lavable. </li><li> Si le participant a les cheveux longs, la section hors de petites portions de cheveux à l&#39;aide des tresses ou des queues de cheval afin d&#39;exposer le cuir chevelu où optodes seront placés. </li><li> Placez les fNIRS sonde sur til la tête du participant, en prenant soin de se aligner avec Cz, Ar. Puis déplacez cheveux de sous chaque optode comme il est placé sur le cuir chevelu. Enfin, fixez des bandes velcro pour tenir solidement les optodes en place. NOTE: Dans ce protocole, utilisez un bouchon qui a une sangle qui va derrière la tête, celui qui va sur le front, et qui passe sous le menton. Optodes sont ancrés à ce plafond avec du velcro sur un anneau flexible en plastique qui entoure l&#39;oreille. <ol><li> Si le participant a les cheveux courts (moins d&#39;environ 2 pouces de longueur), tirez les cheveux entre optodes avec un petit bâton mince ou à la fin d&#39;un peigne en plastique. </li></ol></li><li> Vérifiez que tous les câbles de Optode sont couchés à plat, et que optodes sont approximativement perpendiculaire à la surface du cuir chevelu. <ol><li> Si nécessaire, placez un mince morceau de mousse sous le groupe de câbles Optode de promouvoir alignement perpendiculaire des optodes. </li></ol></li><li> Vérifiez avec le participant sur le confort des sondes, etajuster si nécessaire. Demandez-leur de dire si les expérimentateurs leur confort diminue à tout moment pendant l&#39;expérience. </li><li> Tourner sur les sources et vérifier les signaux. <ol><li> Dans ce système, d&#39;assurer un signal qui a une intensité d&#39;au moins 80 dB et un battement de coeur clairement visible dans le deltaOD (changement de densité optique) Signal, à deux longueurs d&#39;onde 690 et 830 nm. Lorsque voies ont des signaux ne répondant pas à ces critères, confirmer que les cheveux ne bloque pas le optode (s), puis ajuster les gains de détection que nécessaire pour maximiser l&#39;intensité du signal. Veiller à ce que les caméras de capture de mouvement sont éteints pendant ce temps. NOTE: D&#39;autres machines fNIRS peuvent fonctionner à différentes longueurs d&#39;onde 690 et 830 nm; dans ce cas, vérifiez les longueurs d&#39;onde les plus appropriées à la machine utilisée. </li></ol></li><li> Ajouter marqueurs réfléchissants à Nz, Iz, Ar, et Al. Demandez au participant de rester immobile et de recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement pour ces derniers et les marqueurs des fNIRS. Vérifiez quetous les marqueurs ont été enregistrés, et de recueillir des essais supplémentaires si nécessaire. Elle peut exiger du participant de changer la position de tête pour améliorer la ligne de vue entre les caméras et les marqueurs. Utilisez ces trois endroits dimensions recueillies lors de l&#39;analyse probabiliste pour l&#39;enregistrement de l&#39;IRM structurelle individuelle d&#39;un participant se il est disponible. </li><li> Ajouter un couvercle avec plusieurs couches de feutre noir ou autre matériau optiquement absorbante sur le dessus des fNIRS optodes pour protéger les détecteurs de toute ingérence ou la saturation des caméras de capture de mouvement. Vérifiez que les câbles et le panneau avant de l&#39;unité fNIRS sont également bien protégés en utilisant le même matériau optiquement absorbant. </li></ol> 4. Surface électromyographie (EMG) Setup <ol><li> Localisez le ventre du muscle de chaque muscle cible en utilisant des repères anatomiques, la palpation lors de la contraction musculaire, et guide le placement des électrodes 11. REMARQUE: Les muscles ciblés dans ce protocole comprennent biljumeau interne ateral, jambier antérieur, droit antérieur, vaste externe, biceps, extenseur radial du carpe, et palmaire. </li><li> Préparez-vous à EMG placement des électrodes sur le ventre musculaire par le rasage, l&#39;élimination des cellules mortes de la peau avec du ruban adhésif, puis nettoyage avec un tampon d&#39;alcool isopropylique, tel que recommandé par SENIAM 12 et attendre pour la peau sèche. </li><li> Passer EMG électrode orientée vers la direction des fibres musculaires. </li><li> Enveloppez parfaitement avec une enveloppe adhérente auto. </li><li> Vérifiez signaux musculaires sur l&#39;ordinateur tout en effectuant des tests manuels musculaire pour assurer le placement des électrodes appropriée, et la visualisation claire de changement de signal lorsque le muscle est actif. </li></ol> 5. Configuration de capture de mouvement <ol><li> Placez marqueurs réfléchissants au repères communs. Il se agit notamment médial et malléole latérale, médiale et latérale du genou, épine iliaque antéro supérieure (ASIS), postérieure épine iliaque (SIEP), styloïde radiale, syloïde ulnaire, medial Épicondyle humérale, et latérale humérale Épicondyle. </li><li> Placez trois ou plusieurs marqueurs, ou un cluster de corps rigide de marqueurs, sur chaque secteur d&#39;intérêt, y compris le pied, le jambonneau, la cuisse, la main et l&#39;avant-bras. </li><li> Recueillir environ 2 secondes des données de capture de mouvement alors que le participant est encore debout dans une position normalisée, tels que debout, les bras à 90 ° flexion de l&#39;épaule et de coude de 90 ° de flexion. Veiller à ce que tous les marqueurs sont clairement visibles pour les caméras. </li></ol> 6. Gait Groupe <ol><li> Avoir le transfert des participants sur le tapis roulant. Les aider en soutenant les câbles des fNIRS puis fixez les câbles au support de plafond après que le patient est en position. Si le patient est à risque élevé de chutes, utiliser un harnais de support de poids corporel pour la sécurité au cours de cette tâche. </li><li> Lancer le tapis roulant, pour atteindre lentement l&#39;auto sélectionnée vitesse de marche mesurée pour obtenir le participant à l&#39;aise avec les conditions fixées. Puis lente à un arrêtnouveau. </li><li> Mettre en place le fichier d&#39;animation avec le retour auditif qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer. instructions de tâche d&#39;examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et de marcher à la vitesse de jeu de tapis de course durant la période de &quot;tâche&quot;, tout en se concentrant leur attention sur le petit cercle noir sur l&#39;écran pour la durée d&#39;acquisition des données. </li><li> Tamisez les lumières, et de commencer l&#39;acquisition de données sur l&#39;ordinateur de capture de mouvement et l&#39;ordinateur fNIRS. Commencer l&#39;enregistrement sur la caméra vidéo. </li><li> Utilisation du déclenchement de la souris, cliquez sur le bouton de lecture sur le fichier d&#39;animation associé à cette tâche. Assurez-vous que le déclencheur a été reçu à la fois par la capture de mouvement et les systèmes NIRS. <ol><li> Passez à l&#39;image d&#39;un point noir situé dans la ligne de mire du participant, de sorte qu&#39;ils ont un point pour la durée de l&#39;essai de mise au point. REMARQUE: Le schéma aperçu pour chaqueessai est représentée sur la Figure 2. </li></ol></li><li> Surveiller le rendement du participant et fournir une rétroaction sur la vitesse, ou des mouvements volontaires étrangers au besoin. </li><li> A la fin de l&#39;animation d&#39;instruction, arrêter l&#39;enregistrement sur la capture de mouvement, EMG, et fNIRS systèmes, ainsi que la caméra vidéo. Donnez au participant l&#39;occasion de se reposer ou changer de position si nécessaire. </li></ol> 7. bilatérale membre inférieur Cyclisme Groupe <ol><li> Avoir la transition des participants à un socle avec le dos mobile et le soutien de la jambe, en prenant soin de soutenir les câbles des fNIRS et de ne pas heurter ou déloger les marqueurs de capture de mouvement ou électrodes EMG. Avoir un coussin de siège en mousse pour améliorer le confort lors de l&#39;expérience. </li><li> Soulevez le cadre du cycle en position et le fixer au socle avec une sangle. </li><li> Fixez les pieds dans les pédales et d&#39;ajuster la position du cycle que nécessaire pour promouvoir une distance confortable et naturelle aux pédales. Àle point le plus dans le cycle, maintenir leur genou dans environ 10 ° de flexion. NOTE: A ce stade, le participant sera dans une position semi-couchée, qui fournit un certain soutien de tronc et facilite la relaxation pendant la période de repos. </li><li> instructions de tâche d&#39;examen avec le participant, en leur disant de rester aussi immobile et détendu que possible pendant les périodes de «repos» et le cycle à environ 60 tours par minute pendant la période de &quot;tâche&quot;. </li><li> Répétez les étapes 6.4 à 6.7. Au lieu de passer à une image d&#39;un point, le projet de dessin animé qui cue le participant soit se reposer ou se déplacer grâce à la rétroaction visuelle et auditive. Maximiser la fenêtre de film afin que le participant ne est pas en mesure de surveiller le temps qui se est écoulé, ou restante, dans le procès en cours. </li></ol> 8. Main serrant Groupe <ol><li> Après avoir enlevé les pieds du cycle et le cycle lui-même, placer une table de lit en face du participant, Making assurer que les bras de participants sont pris en charge sur la table dans une position confortable. </li><li> Demandez participant à serrer un objet mou environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de &quot;tâche&quot;, et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos». </li><li> Répétez l&#39;étape 7.5. </li></ol> 9. cheville Dorsiflexion Groupe <ol><li> Retirer la table de lit, et augmenter la partie de repose-pieds du socle jusqu&#39;à apporter les pieds dans l&#39;avis du participant. </li><li> Retirer la chaussure et de la chaussette du participant, et remplacer les marqueurs de pieds dans des positions appropriées. Soutenir le veau juste au-dessus de leur articulation de la cheville avec un tapis de mousse pour permettre le mouvement des articulations de la cheville. </li><li> Demandez au participant de flexion dorsale la cheville environ une fois par seconde (1 Hz) pendant la période de &quot;tâche&quot;, et de rester aussi détendu que possible pendant les périodes de «repos». </li><li> Répétez l&#39;étape 7.5. </li></ol> 10. Conclusion de ProProtocole <ol><li> Retirez le bouchon et inspecter la peau pour les zones de pression ou de rougeurs. </li><li> Retirez tous les marqueurs réfléchissants et unités EMG. </li><li> Remerciez le participant pour leur temps et inviter leur entrée sur l&#39;expérience subjective du protocole. Cela peut être un questionnaire formel (comme utilisé par Garvey et ses collègues pour la stimulation magnétique transcrânienne 13), ou une discussion informelle pour identifier les sources communes d&#39;inconfort qui pourraient être améliorés à l&#39;avenir. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Le cumul de l&#39;activité cérébrale des zones ciblées du cortex et des données quantitatives sur la façon dont une personne se déplace présente un énorme potentiel pour améliorer notre compréhension du contrôle du mouvement, à la fois dans une population généralement le développement ainsi que ceux qui ont des troubles du mouvement. Il ya aussi une large application en termes d&#39;âges et les tâches de mouvement qui pourrait être complété, en tant que participants ne sont pas limités à une posit...

Imagerie neuronale au cours de tâches fonctionnelles est devenu plus portable et rentable en utilisant la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle non invasive (fNIRS) d&#39;identifier les domaines de l&#39;activité cérébrale en mesurant la dynamique de la circulation sanguine au niveau du cortex. La portabilité des fNIRS est particulièrement utile dans l&#39;étude des tâches verticaux et fonctionnels tels que la marche 1, qui ne est pas possible avec d&#39;autres technologies comme l&#39;imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Cette capacité est essentielle dans les domaines de la neurologie et de neurosciences, et pourrait apporter de nouveaux éclairages sur les mécanismes sous-jacents des troubles du mouvement chez les enfants et les adultes atteints de paralysie cérébrale (CP) et d&#39;autres conditions neurologiques affectant le contrôle du moteur. Comprendre les mécanismes améliore la capacité de concevoir des interventions efficaces pour cibler la source de déficiences et des limitations d&#39;activité. Beaucoup fNIRS études de tâches motrices à ce jour ont été avec une population en bonne santé chez les adultes, de la pièceicipants sont chargés d&#39;effectuer une certaine tâche et le suivi de l&#39;exécution des tâches est limitée à une inspection visuelle. Cela peut être suffisante pour ceux avec des mouvements typiques et un niveau élevé d&#39;engagement, mais ne est pas acceptable lorsque l&#39;on étudie les participants souffrant de troubles moteurs ou ceux qui ont des difficultés à assister à une tâche pendant de longues périodes de temps, y compris les enfants au développement normal. Afin d&#39;informer l&#39;analyse de l&#39;activation du cerveau dans ces cas, la surveillance simultanée de la configuration de moteur qui est effectivement achevée est nécessaire. Des examens complets de fNIRS systèmes et usages ont été présentés dans la littérature 2-5 qui guident l&#39;utilisation et aider à démontrer la précision et la sensibilité de ces systèmes, mais les problèmes techniques dans la collecte, le traitement et l&#39;interprétation des données fNIRS demeurent. La couleur et l&#39;épaisseur des cheveux affectent la qualité du signal optique, avec les cheveux épais sombre plus susceptibles de bloquer ou de fausser Transmi optiquession 3,6. Ceci est particulièrement pertinent lorsque l&#39;on étudie les zones sensori-moteurs situées sur la zone de la couronne de la tête où la densité de follicule pileux est le plus grand, et certaines études rapport de non-répondeurs 6,7. L&#39;international 10/20 système bien établi peut être utilisé pour le placement des optodes, mais en particulier dans le cas de ceux qui atypique l&#39;anatomie du cerveau, de co-enregistrement de l&#39;emplacement de l&#39;IRM anatomique optode d&#39;un participant est très utile sinon indispensable d&#39;interpréter avec précision la résultats. L&#39;utilisation de fNIRS pour évaluer l&#39;activation du cerveau des blessures du cerveau débutant dans l&#39;enfance est assez récente, mais gagne du terrain dans le domaine de unilatérale 6,8,9 paralysie cérébrale. Compte tenu des défis susmentionnés, ce protocole combine fNIRS, capture de mouvement, et électromyographique (EMG) surveillance pendant un certain nombre de tâches, y compris les tâches mono-articulaires simples ainsi que les motions pleine de corps plus complexes. Guidage visuel et auditif, ce est noused pour améliorer l&#39;attention et la tâche rendement dans plusieurs âges des participants. L&#39;objectif du protocole est d&#39;identifier les différences dans les modes d&#39;activation du cerveau chez les personnes atteintes de lésions cérébrales à début précoce unilatérale et bilatérale par rapport à ceux qui sont généralement développe. Nous explorons un mouvement complet du corps (de la démarche), une extrémité inférieure mouvement multi-joint bilatérale (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé dorsiflexion de la cheville, et de compression de la main isolé) pour illustrer la variété des applications des méthodes. Le même ou un protocole très similaire pourrait être utilisée pour étudier d&#39;autres troubles sensoriels ou de mouvement ou d&#39;autres tâches d&#39;intérêt. Onde continue lumière proche infrarouge a été émis et détecté à 690 nm et 830 nm sur les cortex sensori-moteurs utilisant le système fNIRS à un taux de 50 Hz, en utilisant une configuration personnalisée conçue source-détecteur. EMG données ont été recueillies sans fil à une fréquence de 1000 Hz. Marqueurs réfléchissants positions en 3D étaientrecueillie par un système de capture de mouvement optique à une vitesse de 100 Hz. Deux ordinateurs différents traités acquisition de données, une pour les fNIRS et un autre pour la capture de mouvement et EMG. Les données ont été synchronisées en utilisant une impulsion de déclenchement d&#39;un troisième ordinateur qui correspond à une pression sur le bouton de la souris pour lancer l&#39;animation pédagogique pour chaque tâche. Pour toutes les tâches, sauf la marche, animations pédagogiques ont été conçus pour normaliser les performances des participants en utilisant un guidage visuel du rythme d&#39;une tâche (1 Hz), représentée par un saut de bande dessinée animale ou de pied, ainsi que d&#39;un signal auditif.

<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

Il ya plusieurs avantages que la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) présente dans l&#39;étude du contrôle neuronal du mouvement humain. Il est relativement flexible par rapport au positionnement de participant et permet pour certains mouvements de la tête lors de tâches. En outre, il est peu coûteux, léger et portable, avec très peu de contre-indications à son utilisation. Ce est une occasion unique d&#39;étudier l&#39;activité cérébrale fonctionnelle pendant tâches motrices chez les individus qui sont généralement en développement, ainsi que ceux avec des troubles du mouvement, comme la paralysie cérébrale. Une autre considération lors de l&#39;étude des troubles du mouvement, cependant, est la qualité des mouvements réels effectués et le potentiel de mouvements involontaires, supplémentaires. Par conséquent, la surveillance simultanée des changements du flux sanguin dans le cerveau et les mouvements réels du corps lors des essais est nécessaire pour l&#39;interprétation appropriée de fNIRS résultats. Ici, nous montrons un protocole pour la combinaison avec des fNIRSmusculaire et suivi cinématique pendant tâches motrices. Nous explorons la marche, un mouvement unilatéral multi-joint (cyclisme), et deux mouvements mono-articulaires unilatérales (isolé flexion dorsale de la cheville, et en serrant la main isolé). Les techniques présentées peuvent être utiles pour étudier à la fois le contrôle typique et atypique moteur, et peuvent être modifiés pour enquêter sur un large éventail de tâches et des questions scientifiques.

Ce protocole coordonne l&#39;acquisition simultanée de 3 modalités de capturer le flux de sang-cerveau, l&#39;activité électrique des muscles, et le mouvement cinématique des articulations tout en participant effectue des tâches motrices (figure 1). <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Emplacement Figure 1. Probe. La partie gauche de cette figure montre les emplacements app...

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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.

Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge des régions sensorielles et motrices cérébrales avec simultanée cinématique et EMG surveillance Pendant tâches motrices

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 vues.  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.

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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.

Meilleures pratiques actuelles pour l&#39;obtention de données à haut EEG de qualité lors de l&#39;IRMf simultanées

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 ...

Recherche

Sciences du comportement

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.

Surveillance EEG simultanée pendant transcrânienne courant de 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.

Électroencéphalographie simultanée du cuir chevelu (EEG), l&#39;électromyographie (EMG), et l&#39;ensemble du corps d&#39;enregistrement d&#39;inertie segmentaire pour 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;

Étude habiletés motrices apprentissage par simple granulés tâches Atteindre chez la souris

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.

Stimuler la lèvre Cortex moteur avec la stimulation magnétique transcrânienne

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.

Découvrir beat Surdité: détection des troubles du rythme avec le doigt taraudage synchronisé et tâches de temporisation perceptuelles

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.

Utilisation fiberless, fNIRS Wearable pour surveiller l&#39;activité cérébrale dans des tâches cognitives monde réel

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.

Enquête sur les processus d&#39;apprentissage de compétences du moteur avec une robotique 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).

En utilisant un tapis roulant de courroies pour évaluer la généralisation de l’Adaptation locomotion humaine

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.