Name: functional near infrared spectroscopy of the sensory and motor brain regions with simultaneous kinematic and emg monitoring during motor tasks
Uploaded: 2014-12-05T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks at JoVE.com

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><tbody><tr><td>CW6</td><td>TechEn</td><td>http://nirsoptix.com/</td><td>fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included</td></tr><tr><td>MX system with ten T40-series cameras</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td>http://www.vicon.com/System/TSeries</td><td>Motion capture cameras</td></tr><tr><td>reflective 4 mm markers</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td></td><td>Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates.</td></tr><tr><td>reflective 9.5 mm markers</td><td>Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK</td><td></td><td>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><td>Trigno Wireless EMG system</td><td>Delsys, Inc. Natick, MA</td><td>http://www.delsys.com/products/wireless-emg/</td><td>Electromyography</td></tr><tr><td>Bertec split-belt instrumented treadmill</td><td>Bertec Corporation, Columbus, OH</td><td>http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html</td><td>Treadmill</td></tr><tr><td>ZeroG body-weight support system</td><td>Aretech, LLC, Ashburn, VA</td><td>http://www.aretechllc.com/overview.html</td><td>Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials</td></tr><tr><td>3DS Max 2013</td><td>Autodesk, Inc., San Francisco, CA&amp;nbsp;</td><td>http://www.autodesk.com/</td><td>3-D animation software used to animate animals for instructional videos</td></tr><tr><td>Windows Movie Maker</td><td>Microsoft Corporation, Redmond, WA</td><td>http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker</td><td>software used to combine animation footage with music</td></tr><tr><td>Audacity</td><td>open source</td><td>http://audacity.sourceforge.net/</td><td>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

15.1K 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.

비디오: Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

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, ...

연구

행동분석학

fMRI Validation of fNIRS Measurements During a Naturalistic Task

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced version of the task using fMRI (functional magnetic resonance imaging). Recently, it has been shown that fNIRS can accurately record functional brain activities equivalent to those concurrently recorded with functional magnetic resonance imaging for classic psychophysical tasks and simple finger tapping paradigms. However, an often quoted benefit of fNIRS is that the technique allows for studying neural mechanisms of complex, naturalistic behaviors that are not possible using the constrained environment of fMRI. Our goal was to extend the findings of previous studies that have shown high correlation between concurrently recorded fNIRS and fMRI signals to compare neural recordings obtained in fMRI procedures to those separately obtained in naturalistic fNIRS experiments. Specifically, we developed a modified version of the dance video game Dance Dance Revolution (DDR) to be compatible with both fMRI and fNIRS imaging procedures. In this methodology we explain the modifications to the software and hardware for compatibility with each technique as well as the scanning and calibration procedures used to obtain representative results. The results of the study show a task-related increase in oxyhemoglobin in both modalities and demonstrate that it is possible to replicate the findings of fMRI using fNIRS in a naturalistic task. This technique represents a methodology to compare fMRI imaging paradigms which utilize a reduced-world environment to fNIRS in closer approximation to naturalistic, full-body activities and behaviors. Further development of this technique may apply to neurodegenerative diseases, such as Parkinson&#8217;s disease, late states of dementia, or those with magnetic susceptibility which are contraindicated for fMRI scanning.

We present a method to compare functional brain activity recorded during a naturalistic task using fNIRS with activity recorded during fMRI.

자연주의 작업하는 동안 fNIRS 측정의 fMRI 검증

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced ...

Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular function include transcranial magnetic stimulation, electromyography, and three-dimensional motion capture. The advent of readily available and cost-effective virtual reality solutions has expanded the capabilities of researchers in recreating &#8220;real-world&#8221; environments and movements in a laboratory setting. Naturalistic movement analysis will not only garner a greater understanding of motor control in healthy individuals, but also permit the design of experiments and rehabilitation strategies that target specific motor impairments (e.g. stroke). The combined use of these tools will lead to increasingly deeper understanding of neural mechanisms of motor control. A key requirement when combining these data acquisition systems is fine temporal correspondence between the various data streams. This protocol describes a multifunctional system&#8217;s overall connectivity, intersystem signaling, and the temporal synchronization of recorded data. Synchronization of the component systems is primarily accomplished through the use of a customizable circuit, readily made with off the shelf components and minimal electronics assembly skills.

Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.

경 두개 자기 자극, 근전도, 모션 캡쳐, 가상 현실을 이용하여 인간의 모터 제어 유학을위한 다기능 설치

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular ...

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 ...

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments1. MazeSuite can be used to design and edit adapted virtual 3D environments, track a participants' behavioral performance within the virtual environment and synchronize with external devices for physiological and neuroimaging measures, including electroencephalogram and eye tracking.
Functional near-infrared spectroscopy (fNIR) is an optical brain imaging technique that enables continuous, noninvasive, and portable monitoring of changes in cerebral blood oxygenation related to human brain functions2-7. Over the last decade fNIR is used to effectively monitor cognitive tasks such as attention, working memory and problem solving7-11. fNIR can be implemented in the form of a wearable and minimally intrusive device; it has the capacity to monitor brain activity in ecologically valid environments. 
Cognitive functions assessed through task performance involve patterns of brain activation of the prefrontal cortex (PFC) that vary from the initial novel task performance, after practice and during retention12. Using positron emission tomography (PET), Van Horn and colleagues found that regional cerebral blood flow was activated in the right frontal lobe during the encoding (i.e., initial na&iuml;ve performance) of spatial navigation of virtual mazes while there was little to no activation of the frontal regions after practice and during retention tests. Furthermore, the effects of contextual interference, a learning phenomenon related to organization of practice, are evident when individuals acquire multiple tasks under different practice schedules13,14. High contextual interference (random practice schedule) is created when the tasks to be learned are presented in a non-sequential, unpredictable order. Low contextual interference (blocked practice schedule) is created when the tasks to be learned are presented in a predictable order.
Our goal here is twofold: first to illustrate the experimental protocol design process and the use of MazeSuite, and second, to demonstrate the setup and deployment of the fNIR brain activity monitoring system using Cognitive Optical Brain Imaging (COBI) Studio software15. To illustrate our goals, a subsample from a study is reported to show the use of both MazeSuite and COBI Studio in a single experiment. The study involves the assessment of cognitive activity of the PFC during the acquisition and learning of computer maze tasks for blocked and random orders. Two right-handed adults (one male, one female) performed 315 acquisition, 30 retention and 20 transfer trials across four days. Design, implementation, data acquisition and analysis phases of the study were explained with the intention to provide a guideline for future studies.

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments. Functional near-infrared spectroscopy (fNIR) is an optical brain imaging technique that enables noninvasive and portable monitoring of cerebral blood oxygenation changes. This paper summarizes collective use of MazeSuite and fNIR within a cognitive processing learning paradigm.

공간 탐색 구역에서 &#39;학습 연구에 적외선 분광학 가까이 MazeSuite 및 기능 사용

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments1. MazeSuite can be used to design and edit adapted ...

신경과학

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children &amp; Adults with Near Infrared Spectroscopy

An explosion of functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studies investigating cortical activation in relation to higher cognitive processes, such as language1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, memory11, and attention12 is underway worldwide involving adults, children and infants 3,4,13,14,15,16,17,18,19 with typical and atypical cognition20,21,22. The contemporary challenge of using fNIRS for cognitive neuroscience is to achieve systematic analyses of data such that they are universally interpretable23,24,25,26, and thus may advance important scientific questions about the functional organization and neural systems underlying human higher cognition.
Existing neuroimaging technologies have either less robust temporal or spatial resolution. Event Related Potentials and Magneto Encephalography (ERP and MEG) have excellent temporal resolution, whereas Positron Emission Tomography and functional Magnetic Resonance Imaging (PET and fMRI) have better spatial resolution. Using non-ionizing wavelengths of light in the near-infrared range (700-1000 nm), where oxy-hemoglobin is preferentially absorbed by 680 nm and deoxy-hemoglobin is preferentially absorbed by 830 nm (e.g., indeed, the very wavelengths hardwired into the fNIRS Hitachi ETG-400 system illustrated here), fNIRS is well suited for studies of higher cognition because it has both good temporal resolution (~5s) without the use of radiation and good spatial resolution (~4 cm depth), and does not require participants to be in an enclosed structure27,28. Participants cortical activity can be assessed while comfortably seated in an ordinary chair (adults, children) or even seated in mom s lap (infants). Notably, NIRS is uniquely portable (the size of a desktop computer), virtually silent, and can tolerate a participants subtle movement. This is particularly outstanding for the neural study of human language, which necessarily has as one of its key components the movement of the mouth in speech production or the hands in sign language. 
The way in which the hemodynamic response is localized is by an array of laser emitters and detectors. Emitters emit a known intensity of non-ionizing light while detectors detect the amount reflected back from the cortical surface. The closer together the optodes, the greater the spatial resolution, whereas the further apart the optodes, the greater depth of penetration. For the fNIRS Hitachi ETG-4000 system optimal penetration / resolution the optode array is set to 2cm. 
Our goal is to demonstrate our method of acquiring and analyzing fNIRS data to help standardize the field and enable different fNIRS labs worldwide to have a common background.

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy

Here we describe a data collection and data analysis method for functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS), a novel non-invasive brain imaging system used in cognitive neuroscience, particularly in studying child brain development. This method provides a universal standard of data acquisition and analysis vital to data interpretation and scientific discovery.

가까운 적외선 분광학과 함께 아기, 어린이 및 성인의인지 기능을 탐색

An explosion of functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studies investigating cortical activation in relation to higher cognitive processes, such as ...

생물학

Conducting Concurrent Electroencephalography and Functional Near-Infrared Spectroscopy Recordings with a Flanker Task

Concurrent EEG and fNIRS recordings offer an excellent opportunity to gain a full understanding of the neural mechanism of cognitive processing by inspecting the relationship between the neural and hemodynamic signals. EEG is an electrophysiological technology that can measure the rapid neuronal activity of the cortex, whereas fNIRS relies on the hemodynamic responses to infer brain activation. The combination of EEG and fNIRS neuroimaging techniques can identify more features and reveal more information associated with the functioning of the brain. In this protocol, fused EEG-fNIRS measurements were performed for concurrent recordings of evoked-electrical potentials and hemodynamic responses during a Flanker task. In addition, the critical steps for setting up the hardware and software system as well as the procedures for data acquisition and analysis were provided and discussed in detail. It is expected that the present protocol can pave a new avenue for improving the understanding of the neural mechanisms underlying various cognitive processes by using the EEG and fNIRS signals.

The present protocol describes how to perform concurrent EEG and fNIRS recordings and how to inspect the relationship between the EEG and fNIRS data.&#160;

플랭커 태스크를 이용한 동시 전류 뇌파 및 기능적 근적외선 분광 기록 수행

Concurrent EEG and fNIRS recordings offer an excellent opportunity to gain a full understanding of the neural mechanism of cognitive processing by ...

Cerebrovascular Reactivity Measurement with Functional Near Infrared Spectroscopy

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in response to chemical or physical stimuli. The amount of reactivity in the cerebral microvasculature depends on the integrity of the capacitance vasculature and is the primary function of endothelial cells. CVR is, therefore, an indicator of the microvasculature&#8217;s physiology and overall health. Imaging methods that can measure CVR are available but can be costly, and require magnetic resonance imaging centers and technical expertise. In this study, we used fNIRS technology to monitor changes of oxyhemoglobin (HbO) and deoxyhemoglobin (HbR) in the cerebral microvasculature to assess the CVR of 15 healthy controls (HC) in response to a vasoactive stimulus (inhaled 5% carbon dioxide or CO2). Our results suggest that this is a promising imaging technology that offers a non-invasive, accurate, portable, and cost-effective method of mapping cortical CVR and associated microvasculature function, resulting from a traumatic brain injury or other conditions associated with cerebral microvasculopathy.

Presented here is a protocol for imaging and measurement of cerebrovascular reactivity in humans with functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a novel imaging modality that captures the concentration changes of hemoglobin species in the brain&#8217;s outermost cortex under specific stimuli.

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in ...

Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional magnetic resonance imaging (fMRI), which makes it highly suitable for conducting naturalistic studies of brain function and for use with developmental and clinical populations. Both fNIRS and fMRI methodologies detect changes in cerebral blood oxygenation during functional brain activation, and prior studies have shown high spatial and temporal correspondence between the two signals. There is, however, no quantitative comparison of the two signals collected simultaneously from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. This comparison is necessary to comprehensively validate area-level activations and functional connectivity against the fMRI gold standard, which in turn has the potential to facilitate comparisons of the two signals across the lifespan. We address this gap by describing a protocol for simultaneous data collection of fMRI&#160;and fNIRS signals that: i) provides whole-head fNIRS coverage; ii) includes short-distance measurements for regression of the non-cortical, systemic physiological signal; and iii) implements two different methods for optode-to-scalp co-registration of fNIRS measurements. fMRI and fNIRS data from three subjects are presented, and recommendations for adapting the protocol to test developmental and clinical populations are discussed. The current setup with adults allows scanning sessions for an average of approximately 40 min, which includes both functional and structural scans. The protocol outlines the steps required to adapt the fNIRS equipment for use in the magnetic resonance (MR) environment, provides recommendations for both data recording and optode-to-scalp co-registration, and discusses potential modifications of the protocol to fit the specifics of the available MR-safe fNIRS system. Representative subject-specific responses from a flashing-checkerboard task illustrate the feasibility of the protocol to measure whole-head fNIRS signals in the MR environment. This protocol will be particularly relevant for researchers interested in validating fNIRS signals against fMRI across the lifespan.

We present a method for simultaneously collecting fMRI and fNIRS signals from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. The protocol has been tested with three young adults and can be adapted for data collection for developmental studies and clinical populations.

전체 헤드 옵토드 어레이 및 근거리 채널을 사용한 fMRI 및 fNIRS 측정의 동시 데이터 수집

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional ...

하지 로봇 치료 세션 중 fNIRS에 의한 뇌 활성화 평가

An Experiment Using Functional Near-Infrared Spectroscopy and Robot-Assisted Multi-Joint Pointing Movements of the Lower Limb

Stroke affects approximately 17 million individuals worldwide each year and is a leading cause of long-term disability. Robotic therapy has shown promise in helping stroke patients regain lost motor functions. One potential avenue for increasing the understanding of how motor recovery occurs is to study brain activation during the movements that are targeted by therapy in healthy individuals. Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) has emerged as a promising neuroimaging technique for examining neural underpinnings of motor function. This study aimed to investigate fNIRS neural correlates of complex lower limb movements in healthy subjects. Participants were asked to perform cycles of rest and movement for 6 min using a robotic device for motor rehabilitation. The task required coordinated knee and ankle joint movements to point to targets displayed on a computer screen. Two experimental conditions with different levels of movement assistance provided by the robot were explored. The results showed that the fNIRS protocol effectively detected brain regions associated with motor control during the task. Notably, all subjects exhibited greater activation in the contralateral premotor area during the no-assistance condition compared to the assisted condition. In conclusion, fNIRS appears to be a valuable approach for detecting changes in oxyhemoglobin concentration associated with multi-joint pointing movements of the lower limb. This research might contribute to the understanding of stroke motor recovery mechanisms and might pave the way for improved rehabilitation treatments for stroke patients. However, further research is needed to fully elucidate the potential of fNIRS in studying motor function and its applications in clinical settings.

저자 스포트라이트: fNIRS를 사용한 로봇 보조 하지 재활에서 뇌 활동 평가

It is estimated that 1 in 6 individuals worldwide will have a stroke in their lifetime, causing long-term disability, whose rehabilitation mechanisms are still poorly understood. This study proposes a protocol to evaluate brain activation by functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) during a lower limb robotic therapy session.

기능적 근적외선 분광법과 하지의 로봇 보조 다관절 포인팅 운동을 이용한 실험

Stroke affects approximately 17 million individuals worldwide each year and is a leading cause of long-term disability. Robotic therapy has shown promise ...