This project was funded by the Intramural Research Program at the National Institutes of Health Clinical Center. We acknowledge the helpful discussions with Dr. Thomas Bulea, PhD and Laurie Ohlrich, PT in refining the procedures presented in this protocol. Muyinat W. Osoba and Andrew Gravunder, MS assisted with the animations.

NOTA: Este protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Instituto Nacional de Saúde (identificador ClinicalTrials.gov: NCT01829724). Todos os participantes têm a oportunidade de fazer perguntas e dar seu consentimento informado antes de sua participação. Em consideração de alterações à resposta hemodinâmica causada pelo uso recente de vasodilatadores e vasoconstritores, os participantes são convidados a abster-se de álcool e cafeína durante 24 horas antes do experimento 3 vídeos de animação .Estes foram personalizado feito em nosso laboratório, mas poderia ser gravadas com outro sons ou imagens específicas para questões de pesquisa alternativos. 1. Configurar o ambiente antes da chegada do Participante. <ol><li> Calibrar o câmeras de captura de movimento em relação às coordenadas de um laboratório de acordo com processo específico do fabricante captura o movimento. Certifique-se de que as posições de câmera irá permitir a gravação de todos os marcadores, tanto no corpoe chefe do participante durante as tarefas que serão testadas. O processo de calibração garante a precisão do sistema de captura de movimento e é uma prática comum em qualquer laboratório de movimento. Use um sistema de dez câmera, com um volume aproximado de 17 m 3, onde marcadores reflexivos puderam ser identificados de forma confiável. </li><li> Conecte o gatilho do computador instrução para entradas BNC a captura e fNIRS movimento dos computadores. Certifique-se de que o gatilho é conectado a um botão do mouse e clicar com o mouse completa o circuito e envia um pulso simultaneamente ao EMG placa de captura de movimento / aquisição de dados e à placa de aquisição de dados fNIRS como auxiliares entradas analógicas. </li><li> Conecte este rato através da porta USB para o computador que executa instruções vídeos de animação, de tal forma que a partir do vídeo irá provocar uma mudança de tensão simultaneamente em ambos os sistemas de aquisição de dados. NOTA: sinais EMG são automaticamente sincronizados e salvos pelo software de captura de movimento, de modo additional sincronização do sistema de EMG não é necessário. </li><li> Configure a tela e projetor para obter instruções para ser mostrado para o participante. Remova todos os itens desnecessários que poderiam ser distracters. Coloque o tripé e câmera de vídeo digital, onde terão visão completa dos movimentos dos participantes. </li><li> Verifique se marcadores reflexivos estão bem presos ao topo de cada optode na sonda. </li><li> Reúna todos os documentos necessários: cópias de consentimento e de parecer favorável, folhas de exame clínico e folhas da nota experimentais, por exemplo. </li></ol> 2. Medidas básicas <ol><li> Depois de completar o processo de consentimento informado, medir e altura, peso, idade e circunferência da cabeça do participante registro. </li><li> Administrar Manual de Edimburgo Inventory 10 e outros exames clínicos, como indicado. Grave-participante relatou cabelo e pele tipos. </li><li> Coloque marcadores reflexivos sobre as espinhas ilíacas posteriores superiores (EIPS) bilateralmente. Já a caminhada participante em seu ritmo confortável através do laboratório de 3-5 vezes, e, em média, a velocidade entre os ensaios para estimar a sua auto-selecionado ritmo de passeio. </li></ol> 3. Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho (fNIRS) Setup NOTA: Este pode ser concluído em simultâneo com a instalação do EMG e motion capture, se houver experimentadores suficientes ou pessoal de investigação para ajudar, e se o participante é confortável com várias pessoas estarem próximos a eles ao mesmo tempo. <ol><li> Medir a distância entre o násio (Nz) e ínion (Iz), e entre os pontos pré-auricular na (Al) OD (Ar) e. A intersecção do ponto médio das duas medidas é Cz, o qual está marcado sobre o couro cabeludo com um marcador lavável. </li><li> Se o participante tem cabelo comprido, seção off pequenas porções do cabelo com tranças ou rabos de cavalo, a fim de expor o couro cabeludo onde optodes será colocado. </li><li> Coloque as fNIRS sondar sobre tele cabeça do participante, tendo o cuidado de alinhar com Cz, Ar. Em seguida, mova o cabelo longe do âmbito de cada optode como este é colocado no couro cabeludo. Por último, coloque tiras de velcro para prender firmemente os optodes no lugar. NOTA: Neste protocolo, use um boné que tem uma alça que vai atrás da cabeça, um que vai através da testa, e que passa por baixo do queixo. Optodes são ancoradas a este tampão com velcro em um anel de plástico flexível que circunda a orelha. <ol><li> Se o participante tem o cabelo curto (menos de cerca de 2 centímetros de comprimento), puxe o cabelo entre optodes com uma vara fina pequeno ou final de plástico de um pente. </li></ol></li><li> Verificar se todos os cabos são optode deitado, e que são optodes aproximadamente perpendicular à superfície do couro cabeludo. <ol><li> Se necessário, coloque um pequeno pedaço de espuma sob o grupo de cabos optode para promover o alinhamento perpendicular das optodes. </li></ol></li><li> Verifique com o participante sobre o conforto das sondas, eajustar, se necessário. Instruí-los para contar os experimentadores se o seu conforto diminui em qualquer momento durante o experimento. </li><li> Ligue fontes e verificar os sinais. <ol><li> Neste sistema, garantir um sinal que tem uma intensidade de, pelo menos, 80 dB e uma pulsação claramente visível na deltaOD (mudança de densidade óptica) de sinal, em ambos os comprimentos de onda de 690 e 830 nm. Quando os canais têm sinais que não cumpram estes critérios, confirmar que o cabelo não está bloqueando o optode (s) e depois ajustar os ganhos detector conforme necessário para maximizar a intensidade do sinal. Certifique-se de que as câmeras de captura de movimento estão desligados durante este tempo. NOTA: Outras máquinas fNIRS pode operar em comprimentos de onda diferentes para 690 e 830 nm; neste caso, verificar os comprimentos de onda mais adequados para a máquina a ser utilizada. </li></ol></li><li> Adicionar marcadores reflexivos para Nz, Iz, Ar, e Al. Pergunte ao participante para prender ainda e recolher cerca de 2 segundos de dados de captura de movimento para estes e os marcadores fNIRS optode. Verifique setodos os marcadores foram registrados, e recolher ensaios adicionais, conforme necessário. Ela pode exigir que o participante para mudar a posição da cabeça para melhorar a linha de visão entre as câmeras e os marcadores. Use esses recolhidos três locais dimensionais durante a análise para registro probabilística de ressonância magnética estrutural individual de um participante, se estiver disponível. </li><li> Adicionar uma cobertura com várias camadas de feltro preto ou outro material opticamente absorvente em cima dos optodes fNIRS para proteger detectores de interferência ou a saturação das câmeras de captura de movimento. Certifique-se de que os cabos e o painel frontal da unidade fNIRS são também bem blindado usando o mesmo material opticamente absorvente. </li></ol> A eletromiografia (EMG) Setup 4. Superfície <ol><li> Localize o ventre muscular de cada músculo alvo usando marcos anatômicos, palpação durante a contração muscular, e colocação de eletrodos orienta 11. NOTA: Os músculos alvo neste protocolo incluem bilgastrocnêmio medial ateral, tibial anterior, reto femoral, vasto lateral, bíceps femoral, extensor radial do carpo e flexor radial do carpo. </li><li> Prepare-se para a colocação do eletrodo EMG sobre o ventre muscular pelo barbear, removendo as células mortas da pele com fita adesiva, e, em seguida, limpar com uma compressa embebida em álcool isopropílico, como recomendado pelo SENIAM 12 e esperar para a pele para secar. </li><li> Coloque eléctrodo EMG orientado para a direcção das fibras musculares. </li><li> Enrole firmemente com um envoltório aderente self. </li><li> Verifique sinais musculares no computador enquanto a realização de testes de força muscular para assegurar a colocação adequada do eletrodo, e clara visualização de mudança de sinal quando o músculo está ativo. </li></ol> 5. Proposta de configuração de captação <ol><li> Coloque marcadores reflexivos em marcos conjuntas. Estes incluem medial e do maléolo lateral, medial e articulação do joelho lateral, anterior superior espinha ilíaca (ASIS), ilíaca superior posterior da coluna (PSIS), estilóide radial, syloid ulnar, medial epicondyl humeral, e epicondyl humeral lateral. </li><li> Coloque 3 ou mais marcadores, ou um cluster de corpo rígido de marcadores, em cada segmento de interesse, incluindo o pé, pernil, coxa, mão e antebraço. </li><li> Recolha de aproximadamente 2 segundos de dados de captura de movimento, enquanto o participante ainda está de pé em uma posição padronizada, como está com os braços a 90 ° de flexão de ombro e 90 ° de flexão do cotovelo. Assegurar que todos os marcadores são claramente visíveis para as câmeras. </li></ol> 6. Gait Task <ol><li> Já a transferência participante para a esteira. Ajudá-los, apoiando os cabos fNIRS optode e fixe os cabos ao apoio teto depois que o paciente está em posição. Se o paciente é de alto risco para quedas, use um cinto de suporte de peso corporal para a segurança durante esta tarefa. </li><li> Comece a esteira, construindo lentamente até a auto selecionado velocidade de caminhada medida para obter o participante confortável com as condições estabelecidas. Então lento até pararnovamente. </li><li> Configure o arquivo de animação com o feedback auditivo que irá sinalizar que o participante quer descansar ou se mover. Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de &quot;descanso&quot; e para andar na velocidade conjunto da esteira durante o período de &quot;tarefa&quot;, ao focalizar a sua atenção para o pequeno círculo preto na tela para a duração de aquisição de dados. </li><li> Apague as luzes, e começar a aquisição de dados no computador de captura de movimento e o computador fNIRS. Comece a gravação na câmera de vídeo. </li><li> Usando o gatilho do mouse, clique no botão de reprodução do arquivo de animação associado a esta tarefa. Certifique-se de que o gatilho foi recebido tanto pela captura de movimento e os sistemas de NIRS. <ol><li> Mudar para uma imagem de um ponto preto localizado na linha do participante de visão, de modo que eles têm um ponto de focagem para a duração do ensaio. NOTA: O esquema geral para cadaexperimentação é mostrado na Figura 2. </li></ol></li><li> Monitorar o desempenho do participante e fornecer feedback sobre a velocidade, ou movimentos voluntários externos quando necessário. </li><li> No final da animação de instrução, parar a gravação sobre a captura de movimento, EMG, e sistemas fNIRS, bem como a câmara de vídeo. Dê ao participante a oportunidade de descansar ou trocar de posição, se necessário. </li></ol> 7. Bilateral Lower Extremity Ciclismo Task <ol><li> Já a transição participante para um plinto com volta móveis e apoio para as pernas, tendo o cuidado de apoiar os cabos fNIRS optode e para não bater ou desalojar os marcadores de captura de movimento ou eletrodos EMG. Tenha um assento almofada de espuma para melhorar o conforto durante o experimento. </li><li> Levante o quadro da bicicleta para a posição e fixá-lo ao pedestal com uma cinta. </li><li> Fixar os pés nos pedais e ajustar a posição do ciclo, conforme necessário para promover uma distância confortável e natural aos pedais. Emo ponto mais distante do ciclo, manter o seu joelho em aproximadamente 10 ° de flexão. NOTA: Neste ponto, o participante estará numa posição semi-deitada, que proporciona algum suporte do tronco e facilita o relaxamento durante o período de repouso. </li><li> Instruções tarefa de revisão com o participante, dizendo-lhes para permanecer como ainda e relaxado possível durante os períodos de &quot;descanso&quot; e para o ciclo de aproximadamente 60 rpm durante o período de &quot;missão&quot;. </li><li> Repita os passos de 6,4-6,7. Em vez de mudar para uma imagem de um ponto, projeto da animação dos desenhos animados que vai sinalizar que o participante quer descansar ou se mover através de feedback visual e auditiva. Maximizar a janela do filme de modo que o participante não é capaz de monitorar o tempo que passou ou que resta, no ensaio actual. </li></ol> 8. Mão que espreme Task <ol><li> Depois de retirar os pés do ciclo e do próprio ciclo, colocar uma tabela cama em frente do participante, fazendog certeza de que os braços do participante são suportadas na mesa em uma posição confortável. </li><li> Instrua participante para espremer um objeto macio aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de &quot;missão&quot;, e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de &quot;descanso&quot;. </li><li> Repita o passo 7.5. </li></ol> 9. Ankle Dorsiflexão Task <ol><li> Remover a tabela de cama, e aumentar a porção pé resto do plinto para trazer os pés à vista do participante. </li><li> Remover sapato ea meia do participante, e substituir marcadores pé em posições adequadas. Apoiar o bezerro apenas acima de sua articulação do tornozelo com uma almofada de espuma para permitir tornozelo movimento articular. </li><li> Instrua o participante a dorsiflex seu tornozelo aproximadamente uma vez por segundo (1 Hz) durante o período de &quot;missão&quot;, e permanecer o mais relaxado possível durante os períodos de &quot;descanso&quot;. </li><li> Repita o passo 7.5. </li></ol> 10. Conclusão do Protocol <ol><li> Retire a tampa e inspecionar pele para áreas de pressão ou vermelhidão. </li><li> Remova todos os marcadores refletivos e unidades de EMG. </li><li> Obrigado o participante para o seu tempo e convidar os seus contributos sobre a experiência subjetiva do protocolo. Isso pode ser um questionário formais (como o usado por Garvey e colegas para a estimulação magnética transcraniana 13), ou uma discussão informal para identificar fontes comuns de desconforto que podem ser melhorados no futuro. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Coleta simultânea de atividade cerebral a partir de áreas específicas do córtex e dados quantitativos sobre a forma como a pessoa está se movendo apresenta um enorme potencial para melhorar a nossa compreensão do controle neural do movimento, tanto em uma população com desenvolvimento normal, bem como aqueles com distúrbios do movimento. Há também uma ampla aplicação em termos de idades e tarefas de movimento que poderiam ser concluídas, como os participantes não são restritos a uma posição supina como...

Imaging Neural durante tarefas funcionais tornou-se mais portáteis e custo-eficiente usando espectroscopia no infravermelho próximo funcional não invasiva (fNIRS) para identificar áreas de atividade cerebral medindo dinâmica do fluxo sanguíneo no córtex. A portabilidade de fNIRS é especialmente útil para o estudo das funções na posição vertical e funcionais, tais como marcha 1, o que não é possível com outras tecnologias, tais como imagem de ressonância magnética (RMF). Esta capacidade é fundamental nas áreas de neurologia e neurociências, e poderia fornecer novos insights sobre os mecanismos subjacentes distúrbios do movimento em crianças e adultos com paralisia cerebral (PC) e outras condições neurológicas que afetam o controle motor. Compreender os mecanismos de melhora a capacidade de projetar intervenções eficazes para atingir a fonte de deficiências e limitações de atividade. Muitos fNIRS estudos de tarefas motoras até à data foram com uma população saudável de adultos onde parteicipants são instruídos a executar uma determinada tarefa e monitoramento do desempenho da tarefa se limita à inspecção visual. Isso pode ser suficiente para aqueles com movimentos típicos e um alto nível de engajamento, mas não é aceitável quando se estuda os participantes com distúrbios do movimento ou aqueles que têm dificuldade em participar de uma tarefa por longos períodos de tempo, incluindo crianças com desenvolvimento típico. A fim de informar a análise de activação cerebral nestes casos, é necessária a monitorização simultânea do padrão motor que está realmente completa. Revisões completas de sistemas fNIRS e usos têm sido apresentados na literatura 2-5 que orientam o uso e ajudar a demonstrar a precisão e sensibilidade desses sistemas, mas problemas técnicos na coleta, processamento e interpretação de dados fNIRS ainda permanecem. Cor e espessura do cabelo afetar a qualidade do sinal óptico, com cabelo escuro e espesso mais provável para bloquear ou distorcer transmi ópticassion 3,6. Isto é especialmente relevante quando se estudam as áreas sensório-motores localizados na área da coroa da cabeça, onde a densidade folículo piloso é o maior, e alguns estudos relatam que não responderam 6,7. O sistema internacional 10/20 bem estabelecida pode ser utilizado para a colocação dos optodes, mas em particular no caso das pessoas com a anatomia do cérebro atípico, co-registro de localização optode para MRI anatômica de um participante é muito útil se não essencial para interpretar com precisão o resultados. O uso de fNIRS para avaliar a ativação do cérebro em lesão cerebral de início na infância é relativamente recente, mas ganhando força na área de unilateral 6,8,9 paralisia cerebral. Em consideração aos desafios acima mencionados, este protocolo combina fNIRS, captura de movimento, e eletromiografia (EMG) de monitoramento durante uma série de tarefas, incluindo as tarefas de single-conjuntos simples, bem como mais complexos movimentos de corpo inteiro. Orientação visual e auditiva é-nosed para melhorar o desempenho de atenção e de tarefas através de múltiplas idades dos participantes. O objetivo do protocolo é o de identificar as diferenças nos padrões de ativação cerebral em pessoas com a infância de início lesão cerebral unilateral e bilateral em comparação com aqueles que são tipicamente em desenvolvimento. Nós exploramos um movimento de corpo inteiro (marcha), uma extremidade inferior movimento multi-articular bilateral (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão espremendo) para ilustrar a variedade de aplicações dos métodos. O mesmo ou um protocolo muito semelhante pode ser utilizada para estudar outras distúrbios sensoriais ou do movimento ou outras tarefas de interesse. Onda contínua perto de luz infravermelha emitida e foi detectada a 690 nm e 830 nm ao longo dos córtices sensório-motores que utilizam o sistema fNIRS a uma velocidade de 50 Hz, utilizando uma configuração personalizada da fonte eo detector. Dados EMG foram coletados sem fio a uma frequência de 1.000 Hz. Marcadoras Reflective locais 3-D foramrecolhido por um sistema de captura de movimento óptico a uma velocidade de 100 Hz. Dois computadores diferentes tratadas de aquisição de dados, um para os fNIRS e outro para a captura de movimento e EMG. Os dados foram sincronizados usando um pulso de disparo de um terceiro computador que corresponde a um botão do mouse prima para iniciar a animação de instrução para cada tarefa. Para todas as tarefas, com exceção da marcha, animações instrucionais foram projetados para padronizar desempenho dos participantes usando a orientação visual do ritmo de uma tarefa (1 Hz), representado por um animal do salto ou chutar, bem como um sinal sonoro.

<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

Há várias vantagens que a espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS) apresenta no estudo do controlo de movimento neural humana. É relativamente flexível no que diz respeito ao posicionamento participante e permite alguns movimentos de cabeça durante as tarefas. Além disso, é de baixo custo, peso leve, portátil e, com muito poucas contra-indicações para a sua utilização. Isto representa uma oportunidade única para estudar a atividade cerebral funcional durante tarefas motoras em indivíduos com desenvolvimento típico, bem como aqueles com distúrbios do movimento, como a paralisia cerebral. Uma consideração adicional quando se estuda distúrbios do movimento, no entanto, é a qualidade dos movimentos reais executadas eo potencial para movimentos adicionais, não intencionais. Portanto, o monitoramento simultâneo de ambas as alterações de fluxo sanguíneo no cérebro e movimentos reais do corpo durante o teste é necessário para a interpretação adequada de fNIRS resultados. Aqui, nós mostramos um protocolo para a combinação de fNIRS commuscular e monitoramento cinemática durante tarefas motoras. Nós exploramos a marcha, um movimento unilateral multi-articular (ciclismo), e dois movimentos single-joint unilaterais (isolado dorsiflexão do tornozelo, e isolado mão apertar). As técnicas apresentadas pode ser útil no estudo de controlo, tanto típicos e atípicos do motor, e podem ser modificados para investigar uma variedade de tarefas e perguntas científicas.

Este protocolo coordena aquisição simultânea de três modalidades para capturar o fluxo de sangue do cérebro, a atividade elétrica muscular e cinemática do movimento das articulações, enquanto um participante executa tarefas motoras (Figura 1). <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52391/52391fig1highres.jpg" /> Figura 1. Localização da Sonda. A parte esquerda desta figura mostra as localizações apr...

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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.

Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho das Regiões sensoriais e motoras do cérebro com simultânea cinemática e Monitoramento EMG Durante tarefas motoras

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

functional-near-infrared-spectroscopy-sensory-motor-brain-regions

Research

JoVE Journal

Behavior

15.0K visualizações.  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.

Vídeo: 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.

Melhores práticas correntes para obtenção de dados de alta qualidade durante o EEG fMRI simultâneo

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 ...

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.

Monitorização EEG simultâneo Durante direto Estimulação Transcraniana atual

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.

Eletroencefalografia simultânea Scalp (EEG), eletromiografia (EMG), e gravação de inércia segmentar de corpo inteiro para Multi-modal Neural Decoding

Recent  studies support the involvement of supraspinal networks in control of bipedal  human walking. Part of this evidence  encompasses studies, ...

Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and retrieve food rewards positioned at a specific location, their motor performance (defined as accuracy and speed) improves progressively over time, and plateaus after persistent training. Once such reaching skill is mastered, its further maintenance does not require constant practice. Here we introduce a single-pellet reaching task to study the acquisition and maintenance of skilled forelimb movements in mice. In this video, we first describe the behaviors of mice that are commonly encountered in this learning and memory paradigm, and then discuss how to categorize these behaviors and quantify the observed results. Combined with mouse genetics, this paradigm can be utilized as a behavioral platform to explore the anatomical underpinnings, physiological properties, and molecular mechanisms of learning and memory.

Persistent practice improves the precision of coordinated movements.&#160;Here we introduce a single-pellet reaching task, which is designed to assess the learning and memory of forelimb skill in mice.&#160;

Estudo Motor Habilidade Aprendizagem por Single-pelota Tarefas atingindo em Ratos

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and ...

Stimulating the Lip Motor Cortex with Transcranial Magnetic Stimulation

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception. Researchers have used single-pulse and repetitive TMS to stimulate the lip representation in the motor cortex. The excitability of the lip motor representation can be investigated by applying single TMS pulses over this cortical area and recording TMS-induced motor evoked potentials (MEPs) via electrodes attached to the lip muscles (electromyography; EMG). Larger MEPs reflect increased cortical excitability. Studies have shown that excitability increases during listening to speech as well as during&#160;viewing speech-related movements. TMS can be used also to disrupt the lip motor representation. A 15-min train of low-frequency sub-threshold repetitive stimulation has been shown to suppress motor excitability for a further 15-20 min. This TMS-induced disruption of the motor lip representation impairs subsequent performance in demanding speech perception tasks and modulates auditory-cortex responses to speech sounds. These findings are consistent with the suggestion that the motor cortex contributes to speech perception. This article describes how to localize the lip representation in the motor cortex and how to define the appropriate stimulation intensity for carrying out both single-pulse and repetitive TMS experiments.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) has proven to be a useful tool in investigating the role of the articulatory motor cortex in speech perception.&#160; This article describes how to record motor evoked potentials (MEPs) from the lip muscles and how to disrupt the motor lip representation using repetitive TMS.

Estimular o Lip Motor Cortex com Estimulação Magnética Transcraniana

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.

Descobrindo batida Surdez: Distúrbios Detecção de ritmo com o dedo Sincronizado Tapping e Tarefas de temporização da Percepção

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.

Usando sem fibras, fNIRS Wearable para monitorar a atividade do cérebro em tarefas cognitivas do mundo real

Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is a neuroimaging technique that uses near-infrared light to monitor brain activity. Based on neurovascular ...

Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be time-intensive and ambiguous to quantify beyond simple success rates. Here, we describe the training procedure for reach-and-pull tasks with ETH Pattus, a robotic platform for automated forelimb reaching training that records pulling and hand rotation movements in rats. Kinematic quantification of the performed pulling attempts reveals the presence of distinct temporal profiles of movement parameters such as pulling velocity, spatial variability of the pulling trajectory, deviation from midline, as well as pulling success. We show how minor adjustments in the training paradigm result in alterations in these parameters, revealing their relation to task difficulty, general motor function or skilled task execution. Combined with electrophysiological, pharmacological and optogenetic techniques, this paradigm can be used to explore the mechanisms underlying motor learning and memory formation, as well as loss and recovery of function (e.g. after stroke).

A paradigm is presented for training and analysis of an automated skilled reaching task in rats. Analysis of pulling attempts reveals distinct subprocesses of motor learning.

Investigação dos processos de aprendizagem motora habilidade com uma 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 ...

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).

Usando uma escada rolante Split-cinto para avaliar a generalização de adaptação de locomoção humana

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.