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: Questo protocollo è stato approvato dal Consiglio Institutional Review del National Institutes of Health (identificatore ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Tutti i partecipanti hanno la possibilità di porre domande e fornire il consenso informato prima della loro partecipazione. In considerazione delle modifiche alla risposta emodinamica causata dalla recente uso di vasodilatatori e vasocostrittori, i partecipanti sono invitati ad astenersi da alcol e caffeina per 24 ore prima dell&#39;esperimento 3 video di animazione .Questi sono stati realizzati su misura nel nostro laboratorio, ma possono essere registrati con altri suoni o immagini specifiche a domande di ricerca alternativi. 1. Impostare la camera Prima del Partecipante arrivo. <ol><li> Calibrare il movimento telecamere di bloccaggio riguardante le coordinate di un laboratorio in base al processo specifico del costruttore motion capture. Assicurarsi che le posizioni della telecamera permetterà la registrazione di tutti gli indicatori sia sul corpoe capo del partecipante durante i compiti che saranno testati. Il processo di calibrazione assicura la precisione del sistema di motion capture ed è prassi standard per qualsiasi laboratorio di movimento. Utilizzare un sistema di dieci telecamera, con un volume di circa 17 m 3 in cui i marcatori riflettenti possono essere identificati in modo affidabile. </li><li> Collegare il grilletto dal computer istruzione agli ingressi BNC i motion capture e fNIRS computer. Assicurarsi che il grilletto è collegato ad un pulsante del mouse e cliccando con il mouse completa il circuito e invia un impulso simultaneamente al motion capture / EMG scheda di acquisizione dati e alla scheda di acquisizione dati fNIRS come ausiliari ingressi analogici. </li><li> Collegare questo mouse tramite la porta USB al computer che gestisce i video di animazione di istruzioni, tale che a partire il video causerà un cambiamento di tensione contemporaneamente su entrambi i sistemi di acquisizione dati. NOTA: segnali EMG sono sincronizzati automaticamente e salvate dal software motion capture, così Additnon è necessario ional sincronizzazione del sistema EMG. </li><li> Impostare lo schermo e proiettore per le istruzioni per essere visualizzata al partecipante. Rimuovere eventuali oggetti inutili che potrebbero essere distrattori. Posizionare il treppiede e videocamera digitale dove avranno piena vista dei movimenti del partecipante. </li><li> Verificare che i marcatori riflettenti siano fissati saldamente alla parte superiore di ogni optode nella sonda. </li><li> Montare tutti i documenti necessari: il consenso e l&#39;assenso copie, fogli di esame clinico, e fogli di nota sperimentali, per esempio. </li></ol> 2. Le misure di base <ol><li> Dopo aver completato il processo di consenso informato, la misura e l&#39;altezza, il peso, l&#39;età, e la circonferenza della testa del partecipante record. </li><li> Somministrare Edinburgh Chiralità inventario 10 e altri esami clinici, come indicato. Tipi di capelli e di pelle Record partecipante ha riferito. </li><li> Posizionare marcatori riflettenti sulle spine iliache posteriori superiori (PSIS) bilateralmente. Avere la passeggiata partecipante al loro ritmo confortevole attraverso il laboratorio 3 - 5 volte, e la velocità media in tutti gli studi per valutare la loro auto selezionata passo d&#39;uomo. </li></ol> 3. Vicino funzionale Infrared Spectroscopy (fNIRS) Setup NOTA: Questo può essere completato in contemporanea con la messa a punto di EMG e motion capture, se ci sono abbastanza sperimentatori o personale di ricerca per aiutare, e se il partecipante è comodo con più persone di essere vicino a loro, allo stesso tempo. <ol><li> Misurare la distanza tra il nasion (Nz) e la inion (Iz), e tra i punti pre-auricolari a destra (Ar) e sinistro (Al) orecchie. L&#39;intersezione del punto medio di queste due misure è Cz, che è segnato sul cuoio capelluto con un pennarello lavabile. </li><li> Se il partecipante ha i capelli lunghi, la sezione off piccole porzioni di capelli con trecce o code di cavallo, al fine di esporre il cuoio capelluto in cui saranno collocati optodes. </li><li> Posizionare i fNIRS sonda su tegli la testa del partecipante, facendo attenzione ad allineare con Cz, Ar. Quindi spostare i capelli dal sotto ogni optode come viene posizionato sul cuoio capelluto. Infine, collegare le cinghie in velcro per tenere saldamente le optodes in luogo. NOTA: In questo protocollo, utilizzare un tappo che ha una cinghia che va dietro la testa, che attraversa la fronte, e uno che va sotto il mento. Optodes sono ancorati a questo tappo con Velcro su un anello di plastica flessibile che circonda l&#39;orecchio. <ol><li> Se il partecipante ha i capelli corti (meno di circa 2 cm di lunghezza), tirare fuori i capelli tra optodes con un piccolo bastone sottile o alla fine di plastica di un pettine. </li></ol></li><li> Verificare che tutti i cavi optode sono distesi e che optodes sono approssimativamente perpendicolare alla superficie del cuoio capelluto. <ol><li> Se necessario, inserire un sottile pezzo di schiuma sotto il gruppo di cavi optode per promuovere l&#39;allineamento ortogonale delle optodes. </li></ol></li><li> Verificare con il partecipante sul comfort delle sonde, eapportare le modifiche necessarie. Chiedere loro di raccontare le sperimentatori se il comfort diminuisce in qualsiasi momento durante l&#39;esperimento. </li><li> Accendere fonti e controllare i segnali. <ol><li> In questo sistema, garantire un segnale che ha un&#39;intensità di almeno 80 dB e un battito cardiaco chiaramente visibile nel deltaOD (variazione di densità ottica) del segnale, ad entrambe le lunghezze d&#39;onda 690 e 830 nm. Quando i canali sono segnali che non soddisfano questi criteri, verificare che i capelli non blocchi il optode (s) e quindi regolare guadagni rivelatore come necessario per massimizzare l&#39;intensità del segnale. Assicurarsi che le telecamere motion capture sono fuori durante questo periodo. NOTA: Altre macchine fNIRS possono operare a lunghezze d&#39;onda differenti a 690 e 830 nm; in questo caso, controllare le lunghezze d&#39;onda più appropriate per la macchina in uso. </li></ol></li><li> Aggiungere marcatori riflettenti per Nz, Iz, Ar, e Al. Chiedere al partecipante di tenere ancora e raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture per questi e marcatori delle fNIRS optode. Verificare chetutti gli indicatori sono stati registrati, e raccogliere prove supplementari, se necessario. Si può richiedere il partecipante di cambiare la posizione della testa per migliorare la linea di vista tra le telecamere e gli indicatori. Utilizzare questi raccolti tre posizioni tridimensionali durante l&#39;analisi per la registrazione probabilistica dei singoli MRI strutturale di un partecipante, se disponibile. </li><li> Aggiungere un coperchio con diversi strati di feltro nero o altro materiale otticamente assorbente sopra le fNIRS optodes per proteggere rivelatori di interferenze o di saturazione dalle telecamere motion capture. Assicurarsi che i cavi e il pannello frontale dell&#39;unità fNIRS sono anche ben schermati utilizzando lo stesso materiale otticamente assorbente. </li></ol> 4. superficie elettromiografia (EMG) Setup <ol><li> Individuare il ventre muscolare di ogni muscolo mirata utilizzando punti di repere anatomici, palpazione durante la contrazione muscolare, e posizionamento degli elettrodi guida 11. NOTA: I muscoli mirati in questo protocollo sono bilateral gastrocnemio mediale, tibiale anteriore, retto femorale, vasto laterale, bicipite femorale, estensore radiale del carpo e flessore radiale del carpo. </li><li> Prepararsi per EMG posizionamento degli elettrodi sul ventre muscolare dalla rasatura, eliminando le cellule morte della pelle con del nastro adesivo, e poi la pulizia con un panno imbevuto di alcol isopropilico, come raccomandato da SENIAM 12 e attendere che la pelle si asciughi. </li><li> Inserire EMG elettrodo orientato alla direzione delle fibre muscolari. </li><li> Avvolgere comodamente con un auto involucro aderente. </li><li> Controllare i segnali muscolari sul computer durante l&#39;esecuzione di test muscolare manuale per garantire il corretto posizionamento degli elettrodi, e chiara la visualizzazione del cambiamento di segnale quando il muscolo è attivo. </li></ol> Setup Capture 5. Movimento <ol><li> Posizionare i marcatori riflettenti a punti di riferimento comuni. Questi includono mediale e malleolo laterale, mediale e laterale del ginocchio congiunta, anteriore superiore spina iliaca (ASIS), iliaca posteriore superiore della colonna vertebrale (PSIS), stiloide radiale, Syloid ulnare, medial epicondyl omerale, e laterale omerale epicondyl. </li><li> Mettere 3 o più marcatori, o un gruppo corpo rigido di marcatori, su ogni segmento di interesse, tra cui il piede, la zampa, coscia, mano e avambraccio. </li><li> Raccogliere circa 2 sec di dati di motion capture, mentre il partecipante è in piedi ancora in una posizione standard, come ad esempio in piedi con le braccia a 90 ° di flessione della spalla e 90 ° flessione del gomito. Assicurarsi che tutti i marcatori sono ben visibili alle telecamere. </li></ol> 6. Gait Task <ol><li> Avere il trasferimento partecipante al tapis roulant. Assisterli sostenendo cavi i fNIRS optode e poi fissare i cavi al supporto soffitto dopo che il paziente è in posizione. Se il paziente è ad alto rischio di cadute, utilizzare un supporto imbracatura di peso corporeo per la sicurezza durante questo compito. </li><li> Avviare il tapis roulant, lentamente costruendo per sé selezionato velocità misurata a piedi per raggiungere il partecipante agio con le condizioni previste. Poi lentamente fino a fermarsinuovo. </li><li> Impostare il file di animazione con il feedback uditivo che cue il partecipante a uno riposare o spostare. Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di &quot;riposo&quot; e per camminare alla velocità impostata del tapis roulant durante il periodo di &quot;compito&quot;, mentre ci si concentra la loro attenzione al piccolo cerchio nero sullo schermo per la durata di acquisizione dati. </li><li> Abbassare le luci, e iniziare l&#39;acquisizione dei dati sul computer motion capture e il computer fNIRS. Iniziare la registrazione sul videocamera. </li><li> Utilizzando il grilletto mouse, fare clic sul pulsante di riproduzione sul file di animazione associato a questo compito. Assicurarsi che il grilletto è stato ricevuto sia dalla motion capture e sistemi NIRS. <ol><li> Passare l&#39;immagine di un punto nero situato in linea del partecipante di vista, in modo che abbiano un punto focale per la durata della prova. NOTA: Lo schema quadro per ogniprocesso è illustrato nella figura 2. </li></ol></li><li> Monitorare le prestazioni dei partecipanti e fornire un feedback sulla velocità, o movimenti volontari estranei, se necessario. </li><li> Alla fine dell&#39;animazione didattico, arrestare la registrazione sul motion capture, EMG, e sistemi fNIRS, nonché la videocamera. Dare al partecipante la possibilità di riposare o cambiare posizione, se necessario. </li></ol> 7. bilaterale arto inferiore Ciclismo Task <ol><li> Hanno la transizione partecipante ad uno zoccolo con mobile con supporto per le gambe, avendo cura di sostenere i cavi fNIRS optode e per non urtare o rimuovere i marcatori di motion capture o elettrodi EMG. Avere un posto schiuma cuscino per migliorare il comfort durante l&#39;esperimento. </li><li> Sollevare il telaio ciclo in posizione e fissarlo al basamento con una cinghia. </li><li> Fissare i piedi sui pedali e regolare la posizione del ciclo come necessario promuovere una distanza confortevole e naturale ai pedali. Ail punto più lontano del ciclo, mantengono il ginocchio di circa 10 ° di flessione. NOTA: A questo punto, il partecipante sarà in una posizione semi-reclinata, che fornisce un supporto tronco e facilita il rilassamento durante il periodo di riposo. </li><li> Istruzioni attività Review con il partecipante, dicendo loro di rimanere immobile e rilassato possibile durante i periodi di &quot;riposo&quot; e per passare a circa 60 giri durante il periodo di &quot;compito&quot;. </li><li> Ripetere i passaggi 6,4-6,7. Invece di passare a una immagine di un punto, il progetto di animazione del fumetto che cue il partecipante a uno riposare o passare attraverso il feedback visivo e uditivo. Massimizzare la finestra filmato in modo che il partecipante non è in grado di monitorare il tempo trascorso, o è rimasto, nel processo in corso. </li></ol> 8. mano Spremitura Task <ol><li> Dopo aver rimosso i piedi dal ciclo e il ciclo stesso, collocare un tavolo letto di fronte del partecipante, making Assicurarsi che le braccia di partecipanti sono supportati sul tavolo in una posizione comoda. </li><li> Istruire partecipante di spremere un oggetto morbido circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di &quot;compito&quot;, e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di &quot;riposo&quot;. </li><li> Ripetere il punto 7.5. </li></ol> 9. caviglia dorsiflessione Task <ol><li> Rimuovere il comodino, e aumentare la quota resto piedi del basamento fino a portare i piedi in vista del partecipante. </li><li> Rimuovere scarpa del partecipante e calzino, e sostituire i marcatori piede in posizioni adeguate. Sostenere il vitello appena sopra la caviglia con un tappetino in gomma per consentire caviglia movimento articolare. </li><li> Istruire il partecipante al dorsiflex loro caviglia circa una volta al secondo (1 Hz) durante il periodo di &quot;compito&quot;, e rimanere il più rilassato possibile durante i periodi di &quot;riposo&quot;. </li><li> Ripetere il punto 7.5. </li></ol> 10. Conclusione del ProProtocollo <ol><li> Togliere il tappo e controllare la pelle per le zone di pressione o arrossamenti. </li><li> Rimuovere tutti i marcatori riflettenti e unità EMG. </li><li> Ringrazio il partecipante per il loro tempo e invitare il loro contributo circa l&#39;esperienza soggettiva del protocollo. Questo può essere un questionario formale (usati per Garvey e colleghi per la stimolazione magnetica transcranica 13), o una discussione informale per individuare le fonti più comuni di disagio che potrebbero essere migliorati in futuro. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Collezione contemporanea di attività cerebrale dalle zone mirate della corteccia e dei dati quantitativi su come una persona si muove presenta un enorme potenziale per migliorare la nostra comprensione del controllo neurale del movimento, sia in una popolazione in genere in via di sviluppo, così come quelli con disturbi del movimento. C&#39;è anche una vasta applicazione in termini di età e di attività di spostamento che potrebbero essere completati, in quanto i partecipanti non si limitano ad una posizione supina ...

L&#39;imaging neurale durante compiti funzionali è diventato più portatile e conveniente utilizzando non invasiva spettroscopia nel vicino infrarosso funzionale (fNIRS) per identificare le aree di attività cerebrale misurando dinamica del flusso di sangue al corteccia. La portabilità dei fNIRS è particolarmente utile nello studio dei compiti verticali e funzionali tali andatura 1, che non è possibile con altre tecnologie, come la risonanza magnetica (fMRI). Questa capacità è fondamentale nel campo della neurologia e neuroscienze, e potrebbe fornire nuove informazioni sui meccanismi sottostanti disturbi del movimento nei bambini e negli adulti con paralisi cerebrale (CP) e di altre condizioni neurologiche che colpiscono il controllo motorio. Comprendere i meccanismi migliora la capacità di progettare interventi efficaci per indirizzare la fonte di svalutazioni e limitazioni di attività. Molti fNIRS studi di compiti motori ad oggi sono stati con una popolazione sana di adulti in cui una parteicipants sono incaricati di eseguire una determinata attività e il monitoraggio delle prestazioni dell&#39;attività è limitata a controllo visivo. Questo può essere sufficiente per coloro con i movimenti tipici e un alto livello di impegno, ma non è accettabile quando si studia partecipanti con disturbi del movimento o coloro che hanno difficoltà a partecipare ad un compito per lunghi periodi di tempo, compresi i bambini con sviluppo tipico. Al fine di informare l&#39;analisi di attivazione cerebrale in questi casi, è necessario il monitoraggio simultaneo del modello del motore che viene effettivamente completato. Recensioni complete di sistemi fNIRS e costumi sono stati presentati in letteratura 2-5 che guida l&#39;uso e contribuire a dimostrare la precisione e la sensibilità di questi sistemi, ma problemi tecnici della raccolta, l&#39;elaborazione e l&#39;interpretazione dei dati fNIRS rimangono. Colore e spessore dei capelli incidono sulla qualità del segnale ottico, con capelli spessi scuri più probabile per bloccare o falsare trasmettitore di otticafissione 3,6. Questo è particolarmente rilevante quando si studiano le aree senso-motori situati nella zona superiore della testa dove la densità del follicolo pilifero è il più grande, e alcuni studi riferire non-responder 6,7. Il ben noto sistema internazionale 10/20 può essere utilizzato per il posizionamento dei optodes, ma in particolare nel caso di quelli con anatomia cerebrale atipica, co-registrazione di posizione optode per MRI anatomica di un partecipante è molto utile se non indispensabile interpretare accuratamente la risultati. L&#39;uso di fNIRS per valutare l&#39;attivazione del cervello in danno cerebrale ad esordio infantile è piuttosto recente, ma guadagnando la trazione nel settore delle unilaterale cerebrale 6,8,9 paralisi. In considerazione delle sfide di cui sopra, questo protocollo unisce fNIRS, motion capture, e elettromiografico (EMG) il monitoraggio nel corso di una serie di attività, tra cui semplici operazioni single-comuni, nonché i movimenti di tutto il corpo più complesse. Guida visiva e uditiva è noied a migliorare le prestazioni e l&#39;attenzione compiti su più età dei partecipanti. L&#39;obiettivo del protocollo è quello di individuare le differenze nei pattern di attivazione cerebrale nei pazienti con esordio infantile lesioni cerebrali unilaterali e bilaterali rispetto a coloro che sono in genere in via di sviluppo. Esploriamo un movimento tutto il corpo (andatura), una estremità inferiore movimento multi-articolare bilaterale (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (isolato flessione dorsale della caviglia, e isolato mano spremitura) per illustrare la varietà di applicazioni dei metodi. Lo stesso o un protocollo molto simile potrebbe essere utilizzato per studiare altri disturbi sensoriali o movimento o ad altre attività di interesse. Onda continua pressi luce infrarossa è stata emessa e rilevata a 690 nm e 830 nm su cortecce sensori utilizzando il sistema fNIRS ad una velocità di 50 Hz, utilizzando una configurazione personalizzata progettata sorgente-detector. Dati EMG sono stati raccolti in modalità wireless ad una frequenza di 1000 Hz. Marcatori riflettenti posizioni 3-D sono statiraccolte da un sistema di cattura motion ottica ad una velocità di 100 Hz. Due computer diversi trattati di acquisizione dati, una per i fNIRS e un altro per il motion capture e EMG. I dati sono stati sincronizzati con un impulso di scatto da un terzo computer che corrisponde ad un pulsante del mouse per avviare l&#39;animazione didattica per ogni attività. Per tutte le attività, ad eccezione andatura, animazioni didattiche sono stati progettati per standardizzare le prestazioni dei partecipanti utilizzando una guida visiva di ritmo di un compito (1 Hz), rappresentato da un cartone animato animale saltare o di calcio, così come un spunto uditivo.

<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

Ci sono diversi vantaggi che funzionale spettroscopia vicino infrarosso (fNIRS) presenta nello studio del controllo neurale del movimento umano. È relativamente flessibile rispetto al posizionamento partecipante e consente per alcuni movimenti della testa durante compiti. Inoltre, è poco costoso, leggero, e portatile, con pochissime controindicazioni al suo utilizzo. Ciò rappresenta un&#39;opportunità unica per studiare l&#39;attività cerebrale funzionale durante compiti motori in individui che sono in genere sviluppando, così come quelli con disturbi del movimento, come la paralisi cerebrale. Un&#39;ulteriore considerazione quando si studia disturbi del movimento, tuttavia, è la qualità dei movimenti eseguiti effettivi e il potenziale di ulteriori movimenti indesiderati. Pertanto, è necessario il monitoraggio simultaneo di entrambe le modifiche del flusso di sangue nel cervello e dei movimenti reali del corpo durante il test per l&#39;interpretazione appropriata della fNIRS risultati. Qui vi mostriamo un protocollo per la combinazione di fNIRS conmuscolare e monitoraggio cinematica durante compiti motori. Esploriamo andatura, un movimento unilaterale multi-articolare (ciclismo), e due movimenti single-articolari unilaterali (flessione dorsale della tibiotarsica isolato, e isolato mano spremitura). Le tecniche presentate possono essere utili per lo studio sia di controllo tipico e atipico del motore, e può essere modificato per indagare su una vasta gamma di attività e questioni scientifiche.

Questo protocollo coordina contestuale acquisizione di 3 modalità di catturare il flusso di sangue al cervello, attività muscolare elettrica, e il movimento cinematico di articolazioni mentre un partecipante esegue compiti motori (Figura 1). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Figura 1. posizione della sonda. La parte sinistra di questa figura mostra la posizione approssimativ...

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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.

Vicino funzionale Infrared Spectroscopy delle regioni sensoriali e motorie cerebrali con simultanea cinematica e EMG monitoraggio durante compiti motori

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 Views.  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.

Migliori prassi attuale per ottenere dati di alta qualità durante l&#39;EEG fMRI simultanea

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 ...

Ricerca

Comportamento

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.

Monitoraggio simultaneo EEG Durante transcranica diretta stimolazione corrente

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.

Simultanea Elettroencefalografia cuoio capelluto (EEG), Elettromiografia (EMG), e al corpo intero di registrazione inerziale segmentale per Multi-modal Neural decodifica

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;

Studio Skill Motor Learning by Single-pellet attività Raggiungere in topi

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.

Stimolare il Lip Motor Cortex con la Stimolazione Magnetica Transcranica

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.

Scoprire beat Sordità: Disturbi Rilevamento ritmo sincronizzato Finger Tapping e Attività Timing percettive

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.

Utilizzando Fiberless, fNIRS indossabili per il monitoraggio attività cerebrale in compiti cognitivi del mondo reale

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.

Indagare abilità motorie processi di apprendimento con un robot 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).

Utilizzando un tapis roulant Split-cintura per valutare la generalizzazione dell'adattamento dell'apparato locomotore umano

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.