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.

참고 :이 프로토콜은 국립 보건원의 임상 시험 심사위원회 (: NCT01829724 ClinicalTrials.gov 식별자)에 의해 승인되었다. 모든 참가자가 질문을하고 참여하기 전에 동의를 제공 할 수있는 기회가 주어집니다. 혈관 확장 및 혈관 수 축제의 최근 사용으로 인한 혈역학 적 반응에 대한 변경 사항을 고려하여, 참가자들은 3 .These 애니메이션 동영상을 사용자 정의 우리의 실험실에서 수행 된 실험 전 24 시간 동안 알코올과 카페인을 삼가하도록 요청하지만, 다른 기록 될 수있다 소리 또는 다른 연구 질문에 대한 특정 이미지. 1. 이전 참가자의 도착에 객실을 설정. <ol><li> 모션 캡쳐 제조업체의 특정 방법에 따라 기관의 좌표 모션 캡쳐 카메라 상대적인 보정. 카메라 위치가도 몸에있는 모든 마커의 기록을 수 있는지 확인하고 테스트 할 작업하는 동안 참가자의 머리. 교정 프로세스는 모션 캡쳐 시스템의 정확성을 보장하고 동작 실험실 표준 관행이다. 반사 마커가 확실하게 식별 할 수있는 17m 3의 대략적인 볼륨, 10 카메라 시스템을 사용합니다. </li><li> 모션 캡쳐와 fNIRS 컴퓨터의 BNC 입력으로 명령 컴퓨터에서 트리거를 연결합니다. 트리거가 마우스 버튼에 접속되고, 마우스를 클릭하여 회로를 완료하고 모션 캡쳐 / EMG 데이터 수집 보드 및 여기도 보조 아날로그 입력으로서 fNIRS 데이터 수집 보드에 동시에 펄스를 전송되었는지 확인. </li><li> 비디오를 시작하는 것은 모두 데이터 수집 시스템에서 동시에 전압 변화의 원인이됩니다하도록 지시 애니메이션 비디오를 실행하는 컴퓨터에 USB 포트를 통해이 마우스를 연결합니다. 주 : EMG 신호와 동기화되어 자동 모션 캡처 소프트웨어가 저장되어 있으므로와 TEMG 시스템의하는 ional 싱크 조절이 필요하지 않습니다. </li><li> 자세한 내용은 스크린과 프로젝터를 설치 참가자에게 표시합니다. 훼방꾼이 될 수있는 불필요한 항목을 제거합니다. 그들은 참가자의 운동의 전체보기를해야합니다 삼각대와 디지털 비디오 카메라를 배치합니다. </li><li> 반사 마커 안전하게 프로브의 각 optode의 상단에 부착되어 있는지 확인합니다. </li><li> 모든 필요한 서류를 조립 : 예를 들어 동의 및 동의 복사, 임상 시험 시트, 실험 노트 시트를,. </li></ol> 2. 기본 조치 <ol><li> 동의 과정을 완료 한 후, 측정하고 기록 참가자의 신장, 체중, 나이, 및 두위. </li><li> 표시된대로 에딘버러하는 손의 재고 (10) 및 기타 임상 시험을 관리합니다. 기록 머리와 피부 유형을 참가자가보고. </li><li> 양측 후방 우수한 장골 척추에 반사 마커 (PSIS)를 배치. 5 회, 그들의 자기 선택 보행 속도를 추정하는 시험을 통해 속도를 평균 - 실험실에서 3을 자신의 편안한 속도로 참가자 갈 수 있습니다. </li></ol> 3. 기능 근처 적외선 분광학 (fNIRS) 설치 주 : 참가자가 여러 사람이 동시에 그들 가까이 내키지 경우이 어시스트 데 충분한 실험자 또는 연구원이 있으면 EMG 및 모션 캡처의 설정과 동시에 완료 될 수있다. <ol><li> nasion (NZ)와 inion (이즈) 사이의 거리를 측정하고 오른쪽 (AR)과 왼쪽 (알) 귀에 사전 귀의 점 사이. 이 두 조치의 중간 지점의 교차로는 빨 마커를 사용하여 두피에 표시되어 있습니다 CZ,이다. </li><li> 참가자는 optodes 배치 될 두피를 노출하기 위해 머리띠 또는 피부색을 사용하여 머리의 작은 부분 오프 긴 머리, 섹션이있는 경우. </li><li> fNIRS가 t에 프로브 배치그는 참가자의 머리, CZ, 아르곤과 정렬을 돌보는. 이 두피에 배치됩니다 그런 다음 멀리 각 optode 아래에서 머리를 이동합니다. 마지막으로, 제자리에 안전 optodes를 개최 벨크로 스트랩을 연결합니다. 참고 :이 프로토콜에서 턱 아래에 간다 머리, 이마에 걸쳐 진행 한 한 뒤에가는 하나의 끈이있는 캡을 사용합니다. Optodes는 귀를 둘러싼 유연한 플라스틱 링에 벨크로이 뚜껑에 고정된다. <ol><li> 참가자가 짧은 머리 (길이 이하 2 약보다 인치)가있는 경우, 빗의 작은 얇은 스틱이나 플라스틱 끝 optodes 사이에 머리를 꺼내. </li></ol></li><li> 모든 optode 케이블이 플랫 누워 있는지, 그리고 optodes 두피의 표면에 거의 수직 있는지 확인합니다. <ol><li> 필요한 경우, optodes의 수직 정렬을 촉진하기 위해 optode 케이블의 그룹에서 거품의 얇은 조각을 배치합니다. </li></ol></li><li> 프로브의 쾌적함을 참가자와 함께 확인하고,필요한 경우 조정합니다. 자신의 편안함을 실험하는 동안 어느 시점에서 감소하면 실험자에게하도록 지시합니다. </li><li> 소스를 켜고 신호를 확인합니다. <ol><li> 이 시스템에서, 적어도 80dB의 강도 모두 690 및 830 nm의 파장에서 신호 deltaOD (광학 밀도의 변화)에 명확하게 보이는 심장 박동을 갖는 신호를 보장한다. 채널이 기준을 충족하지 신호가있을 때, 그 머리 optode (들)을 차단하지 확인하고 다음 신호 강도를 극대화하기 위해 필요에 따라 검출기 이득을 조정합니다. 그 모션 캡쳐 카메라는이 시간 동안 꺼져 있어야합니다. 참고 : 다른 fNIRS 기계 (690) 830 nm의 서로 다른 파장에서 동작 할 수있다; 이 경우에 사용되는 기계에 가장 적절한 파장을 확인한다. </li></ol></li><li> Nz가, 이즈, 아르곤, 알에 반사 마커를 추가합니다. 가만히과 모션 캡쳐 이들에 대한 데이터와 fNIRS optode 마커의 약 2 초를 수집하기 위해 참가자를 요청합니다. 그 확인모든 마커를 기록하고, 필요에 따라 추가 실험을 수집되었다. 그것은 카메라와 마커 사이의 시야를 개선하기 위해 머리 위치를 변경하려면 참가자를 요구할 수있다. 가능한 경우 참가자의 개별 구조 MRI의 확률 등록을 위해 분석 과정이 수집 한 세 가지 차원 위치를 사용합니다. </li><li> 모션 캡쳐 카메라의 간섭이나 채도에서 감지기를 보호하기 위해 fNIRS의 optodes의 상단에 검은 색 펠트 또는 기타 광 흡수 물질의 여러 층으로 커버를 추가합니다. 케이블과 fNIRS 장치의 전면 패널도 잘 같은 광학적 흡수 재료를 사용하여 차폐되어 있는지 확인합니다. </li></ol> 4. 표면 근전도 (EMG) 설치 <ol><li> 근육의 수축시 해부학 적, 촉진를 사용하여 각 대상 근육의 근육 배를 찾아 전극 배치 (11)를 안내합니다. 참고 :이 프로토콜에서 대상 근육 억을 포함ateral 내측 비복근, 경골근, 대퇴 직근, 광근 lateralis, 대퇴 이두근, 신근 요측 수근 및 요측 수근 굴근. </li><li> SENIAM (12)에서 권장하는대로, 이소 프로필 알코올 패드로 세척 한 다음 테이프로 죽은 피부 세포를 제거하고, 면도에 의해 근육 배 이상 EMG 전극 배치를 위해 준비하고 피부가 건조 할 때까지 기다립니다. </li><li> 근육 섬유의 방향을 지향 EMG 전극을 배치합니다. </li><li> 자체 접착 포장으로 꼭 감싸. </li><li> 근육이 활성화되었을 때 수동 근육 테스트를 수행하는 적절한 전극 배치, 신호 변화의 명확한 시각화를 보장하면서 컴퓨터 근육 신호를 확인한다. </li></ol> 5. 모션 캡쳐 설정 <ol><li> 공동 랜드 마크에서 반사 마커를 놓습니다. 다음은, 내측 및 외측 복사뼈, 내측과 외측 무릎 관절을 포함 골극 (ASIS), 후방 골극 (PSIS), 반경 경상 돌기, 척골 실 로이드, 메디칼을 전방알 상완골 epicondyl 및 상완골의 epicondyl. </li><li> 발, 정강이, 허벅지, 손, 팔뚝을 포함하여 관심의 각 세그먼트 상에 3 개 이상의 마커 또는 마커의 강체 클러스터를, 놓습니다. </li><li> 참가자는 90 ° 어깨 굴곡 90 ° 팔꿈치 굴곡에 팔을 서로, 표준화 된 위치에 아직도 서있는 동안 모션 캡쳐 데이터의 약 2 초를 수집합니다. 모든 마커가 명확하게 카메라에 볼 수 있는지 확인합니다. </li></ol> 6. 보행 작업 <ol><li> 디딜 방아에 참가자 전송을하게한다. 환자가 위치 된 후 천정 지지체에 케이블을 고정 후 fNIRS optode 케이블을지지하여 그들을 돕고. 환자가 낙상 위험이 높은 경우,이 작업을하는 동안 안전을 위해 체중을 지원 하네스를 사용합니다. </li><li> 천천히 설정 조건에 편안 참가자를 얻기 위해 측정자가 선택 보행 속도에 구축, 디딜 방아를 시작합니다. 정지 후 천천히다시. </li><li> 휴식 또는 이동 중 참가자를 큐 것이다 청각 피드백과 애니메이션 파일을 설정합니다. 참가자와 검토 작업 지침, 움직이지 그들에게 말하고 가능한 한 편안 &quot;휴식&quot;기간 및 위해 화면에 작은 검은 색 원에 관심을 집중하면서, &quot;작업&quot;기간 동안 러닝 머신의 설정 속도로 걸어 데이터 수집의 기간. </li><li> 조명을 차단하고, 모션 캡쳐 시스템 및 fNIRS 컴퓨터에 데이터 수집을 시작한다. 비디오 카메라에서 녹화를 시작합니다. </li><li> 마우스 트리거를 사용하여,이 작업과 관련된 애니메이션 파일의 재생 버튼을 클릭합니다. 트리거가 모션 캡쳐와 NIRS 시스템 모두에 의해 수신되었음을 확인합니다. <ol><li> 그들이 재판 기간 동안 포커스 포인트를 가질 수 있도록, 시야 참가자의 라인에있는 검은 점의 이미지로 전환합니다. 참고 : 각각에 대한 개요 개략적시험은 그림 2에 표시됩니다. </li></ol></li><li> 참가자 성능을 모니터링하고 필요에 따라 속도, 또는 외부의 자발적인 움직임에 대한 피드백을 제공합니다. </li><li> 교육용 애니메이션의 끝에서, 모션 캡쳐, EMG 및 fNIRS 시스템뿐만 아니라 비디오 카메라에 기록을 중지. 참가자에게 휴식 또는 필요에 따라 위치를 이동 할 수있는 기회를 제공한다. </li></ol> 7. 양측 하체 순환 작업 <ol><li> , 이동 뒤로 다리를 지원하는 주각에 참가자 전환을 가지고 fNIRS optode 케이블을 지원하기 위해 돌보는 및 범프 또는 모션 캡쳐 마커 또는 EMG 전극을 제거하지. 실험 기간 동안 편안함을 향상시킬 수있는 발포 시트 쿠션이 있습니다. </li><li> 위치로 사이클 프레임을 들어 올려 스트랩 받침대에 고정. </li><li> 페달에 발을 안전하고 페달에 편안하고 자연의 거리를 촉진하기 위해 필요에 따라주기의 위치를​​ 조정합니다. 에사이클에서 가장 먼 점은 약 10 ° 굴곡의 자신의 무릎을 유지한다. 주 :이 시점에서, 학습자가 어떤 트렁크 지원을 제공하고, 나머지 기간 동안 이완을 용이 세미 누운 자세에있을 것이다. </li><li> 그들에게 말하고 참가자와 검토 작업 지침, 약 60 rpm으로 &quot;작업&quot;기간 동안 &quot;휴식&quot;기간 동안 사이클에 여전히 편안한 가능한 한 유지합니다. </li><li> 반복 6.4-6.7 단계를 반복합니다. 대신 점, 프로젝트 휴식 또는 시각 및 청각 피드백을 통해 이동 중 참가자를 큐 것 만화 애니메이션의 이미지로 전환. 참가자가 현재 연구에서 통과 또는 남아있는 시간을 모니터링 할 수 있도록하지 동영상 윈도우를 최대화. </li></ol> 8. 손을 꽉 조이고 작업 <ol><li> 사이클 및 사이클 자체로부터 발을 제거한 후, 참여자, 지는데 앞 베드 테이블을 배치참가자의 팔을 편안한 위치에 테이블에서 지원되는지 확인 g. </li><li> &quot;작업&quot;기간 동안 약 한 번 초 (1 Hz에서) 당 부드러운 물체를 집어 넣은 참가자를 지시하고, &quot;휴식&quot;기간 동안 가능한 한 편안하게 남아있다. </li><li> 단계를 반복 7.5. </li></ol> 9. 발목 배측 굴곡 작업 <ol><li> 침대 테이블을 제거하고 참가자의 뷰에 발을 가지고 최대 플 린스의 발 나머지 부분을 올립니다. </li><li> 참가자의 신발과 양말을 제거하고 적절한 위치에 발 마커를 교체합니다. 다만 발목 관절 운동을 할 수있는 폼 패드와​​의 발목 관절 위의 송아지를 지원합니다. </li><li> &quot;작업&quot;기간 동안 초 (1 Hz에서) 당 약 한 번 자신의 발목을 배굴 참가자를 지시하고, &quot;휴식&quot;기간 동안 가능한 한 편안하게 남아있다. </li><li> 단계를 반복 7.5. </li></ol> 프로 10. 결론로토콜 <ol><li> 캡을 제거하고 압력 또는 적색의 영역에 대한 피부를 검사합니다. </li><li> 모든 반사 마커와 EMG 장치를 제거합니다. </li><li> 그 시간 동안 참가자 감사 프로토콜의 주관적 경험에 대해 자신의 입력을 초대합니다. (경 두개 자기 자극 (13)과 가비 동료들에 의해 사용되는 바와 같이)이 앙케이트 형식이거나, 비공식 토론이 미래에 개선 될 수 위화감의 공통 소스를 식별하기. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

피질의 대상 지역과 사람이 운동 장애와 그뿐만 아니라 일반적으로 개발 인구 모두에서 운동의 신경 제어에 대한 우리의 이해를 향상시키기위한 선물 엄청난 잠재력을 이동하는 방법에 대한 정량 데이터에서 뇌 활동의 동시 모음. 참가자들은 기능적 MRI 때처럼 앙와위로 제한되지 않기 때문에, 완료 될 수 연령과 이동 작업의 측면에서 다양한 응용이있다. 시장에서 사용할 수있는 몇몇 모션 캡쳐 ...

기능적 태스크 중 신경 이미징 피질에서 혈류 역학을 측정함으로써 뇌의 활동 영역을 식별하기 위해 비 침습성 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)를 이용하여 휴대 성 및 비용 효율적이되고있다. fNIRS의 휴대은 기능성 자기 공명 영상 (fMRI)와 같은 다른 기술과 수 없습니다 걸음 걸이 하나, 같은 직립 및 기능 작업의 연구에서 특히 유용하다. 이 기능은 신경과 및 신경 과학 분야에서 중요하고, 뇌성 마비 (CP) 및 모터 제어에 영향을 미치는 다른 신경 학적 조건과 어린이와 성인의 운동 장애를 기본 메커니즘에 새로운 통찰력을 제공 할 수있다. 메커니즘을 이해하는 것은 손상 및 활동 한계 소스를 대상으로 효과적인 중재를 설계하는 능력을 향상시킨다. 모터 작업의 많은 fNIRS 연구는 현재까지 성인의 건강한 인구 부분왔다icipants은 특정 작업 및 작업 성능 모니터링이 육안 검사에 제한을 수행하도록 지시한다. 이는 일반적인 운동과 참여의 높은 수준의 사람들을 위해 충분하지만, 운동 장애 또는 어려움 일반적으로 개발 어린이를 포함한 시간의 연장 기간에 대한 작업에 참석있는 사람들 참가자를 공부할 때 허용되지 않습니다 수 있습니다. 이러한 경우 뇌의 활성 분석을 알리기 위해, 실제로 완료 모터 패턴의 동시 모니터링이 요구된다. fNIRS 시스템 및 사용량의 포괄적 인 리뷰는 문헌 사용법을 안내 데이터가 남아 fNIRS의 정확성과 이러한 시스템의 감도 있지만 수집, 처리에 기술적 문제 및 해석을 설명하는 데 도움이 2-5에 제시되었다. 색상 및 모발의 두께는 광 차단하거나 transmi 왜​​곡 가능성이 가장 두꺼운 검은 머리와, 광 신호의 품질에 영향ssion 3,6. 모낭 밀도가 가장 크다 정수리 영역에있는 감각 영역 공부, 일부 연구는 비 반응자에게 -6,7-보고하는 경우에 특히 적합하다. 잘 확립 된 국제 10/20 시스템 optodes의 배치를 위해 사용되지만, 특히 참가자의 해부 MRI에 optode 위치 비정형 뇌 해부학 공동 등록 가진 사람들의 경우에 정확하게 필수적 해석 할 수없는 경우에 매우 유용 할 수있다 결과. 어린 시절 발병 뇌 손상 뇌 활성화를 평가하는 fNIRS의 사용은 비교적 최근이지만, 일방적 인 뇌성 마비 6,8,9의 영역에서 견인을 얻고있다. 상술 한 과제를 고려하여,이 프로토콜은 간단한 단일 - 공동 작업뿐만 아니라 더 복잡한 전신 운동을 포함한 다수의 태스크 동안 fNIRS, 모션 캡쳐 및 근전도 (EMG) 모니터링을 결합한다. 시각 및 청각 지침은 우리입니다ED는 참가자의 여러 시대에 걸쳐 관심과 작업 성능을 향상시킬 수 있습니다. 프로토콜의 목표는 일반적으로 현상하는 사람들에 비해 단안 및 양안 소아 발병 뇌 손상과 그 뇌의 활성화 패턴의 차이를 식별하는 것이다. 우리는 방법의 응용 프로그램의 다양성을 설명하는 전신 운동 (보행), 양자 하체 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈)를 탐구한다. 동일하거나 매우 유사한 프로토콜이 다른 감각 또는 운동 장애 또는 관심의 다른 태스크를 연구하는데 이용 될 수있다. 근적 외광을 방사는 연속파 및 맞춤 설계된 소스 검출기 구성을 사용하여, 690 nm 내지 50 Hz의 레이트로 fNIRS 시스템을 사용 감각 피질 위에 830 nm에서 검출되었다. EMG 데이터는 1000 Hz의 주파수에서 무선으로 수집 하였다. 반사 마커 3-D 위치는이었다100 Hz의 레이트로 광 모션 캡쳐 시스템에 의해 수집 하였다. 두 컴퓨터는 데이터 수집, 및 모션 캡쳐를위한 EMG fNIRS 용과 다른 처리. 데이터는 각 작업에 대한 교육 애니메이션을 시작하려면 마우스 버튼을 누른에 해당하는 세 번째 컴퓨터에서 트리거 펄스를 사용하여 동기화 된. 걸음 걸이를 제외한 모든 작업의​​ 경우, 교육 애니메이션은 만화 동물 점프 또는 발로뿐만 아니라 청각 신호로 표시되는 작업 (1 Hz에서)의 속도의 시각적 지침을 사용하여 참가자 성능을 표준화하기 위해 설계되었다.

<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

기능 근적외선 분광법 (fNIRS)은 인간 운동의 신경 제어의 연구에서 제시하는 것이 여러 가지 장점이있다. 이 참가자의 위치에 대해 상대적으로 유연하고 작업 동안 일부 머리의 움직임을 허용합니다. 또한, 그것의 사용에 거의 금기와, 저렴한 경량 및 휴대용입니다. 이것은 일반적으로뿐만 아니라 뇌성 마비 등의 운동 장애,있는 사람으로, 개발하고 개인의 모터 작업하는 동안 뇌 기능 활동을 연구 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 운동 장애를 고려하여 추가 연구는, 그러나, 실제 동작 수행의 품질 및 추가, 의도하지 않은 움직임을위한 전위이다. 따라서, 모두 혈류의 변화와 뇌 테스트 중에 신체의 움직임을 실제의 동시 모니터링 fNIRS 결과의 적절한 해석이 필요하다. 여기서 우리는 fNIRS의 조합을위한 프로토콜을 보여근육과 모터 작업하는 동안 운동 학적 모니터링. 우리는 걸음 걸이를 탐험, 일방적 인 다 관절 운동 (자전거), 두 개의 일방적 인 단일 관절 운동 (격리 발목 배측 굴곡, 고립 손 스퀴즈). 제시된 기법은 둘 다 전형적인 비 전형적인 모터 제어를 연구에 유용 할 수 있고, 작업 및 과학적 문제를 폭넓게 조사하도록 변형 될 수있다.

이 프로토콜은 참가자 모터 작업 (도 1)을 수행하는 동안 뇌 혈류, 근육 활동의 전기 및 관절 운동 학적 움직임을 캡처 3 양상의 동시 획득을 조정한다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> 그림 1. 프로브 위치.이 도면의 좌측 부분 (녹색, 브로드 만 4), 일차 운동 영역 (블루, 브로드 만 영역 1,2,3)에 감...

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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.

모터 작업하는 동안 동시 운동 학적 및 EMG 모니터링과 감각 및 모터 뇌 영역의 기능 근적외선 분광법

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 조회수.  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.

동시 fMRI를하는 동안 고품질 EEG 데이터를 얻기위한 가장 좋은 현재의 관행

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 ...

연구

행동분석학

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.

경 두개 직류 자극하는 동안 동시 EEG 모니터링

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.

동시에 두피 뇌파 (EEG), 근전도 (EMG), 멀티 모달 신경 디코딩을위한 전체 몸 분절 관성 기록

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;

마우스의 단일 펠릿 도달 작업을 통한 학습 연구 모터 기술

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.

경 두개 자기 자극 립 운동 피질을 자극

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.

비트의 청각 장애를 폭로 : 감지 리듬 장애를 누르면 동기화 손가락 및 지각 타이밍 작업에

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.

실제 세계인지 작업의 뇌 활동을 모니터 Fiberless, 착용 할 수있는 fNIRS 사용

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.

로봇 형 조작기와 모터 스킬 학습 과정 조사

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).

인간의 운동 적응의 일반화를 평가 하는 분할 벨트 디딜 방 아를 사용 하 여

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.