Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Độ tin cậy test-retest của các thí nghiệm fMRI trong quá trình đi bộ chủ động và thụ động hỗ trợ bởi robot
Tóm tắt
Hoạt động não đã được chứng minh là trải qua sự tổ chức lại chức năng vỏ não và dưới vỏ trong suốt quá trình phục hồi đi bộ ở những bệnh nhân bị chấn thương tủy sống hoặc đột quỵ. Tuy nhiên, những thay đổi này vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn bằng hình ảnh thần kinh cho đến nay, chủ yếu là do sự khan hiếm của các nghiên cứu theo dõi dài hạn. Thiết bị tập đi tương thích hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) mang tên MARCOS được phát triển đặc biệt để cho phép nghiên cứu các sự thích nghi siêu tủy ở những bệnh nhân liệt vận động đang thực hiện phục hồi đi bộ một cách có kiểm soát và lặp lại. Với mục tiêu nghiên cứu lâm sàng trong tương lai, nghiên cứu hiện tại nhằm kiểm tra độ tin cậy test-retest của các thí nghiệm funcional MRI (fMRI) sử dụng MARCOS. Ảnh hưởng của các chuyển động đi bộ chủ động và thụ động lặp lại đối với hoạt động não được nghiên cứu ở 16 người tham gia khỏe mạnh dựa trên dữ liệu fMRI thu thập trong hai buổi chụp hình riêng biệt cách nhau sáu tuần. Các sai số bình phương gốc (RMSE) đã được tính toán cho các chỉ số về hiệu suất vận động. Sự trùng lặp vùng kích hoạt não giữa các phiên, cũng như hệ số tương quan trong lớp (ICC) đã được tính toán từ bản đồ kích hoạt của từng đối tượng và nhóm cho năm vùng quan tâm (ROI). Dữ liệu từ tám người tham gia phải bị loại trừ do chuyển động đầu quá mức. Độ tin cậy của hiệu suất vận động cao hơn trong các chuyển động thụ động so với các chuyển động chủ động, với RMSE cho các chuyển động thụ động thấp hơn từ 4,5 đến 13 lần. Ngược lại, ICC dao động từ 0,48 đến 0,72 trong các chuyển động thụ động và từ 0,77 đến 0,85 trong các chuyển động chủ động. Sự trùng lặp vùng kích hoạt cũng cao hơn trong các chuyển động chủ động so với các chuyển động thụ động. Những phát hiện này gợi ý rằng sự biến đổi cao hơn của hiệu suất vận động trong các chuyển động chủ động của những người tham gia khỏe mạnh có thể liên quan đến một mẫu kích hoạt neuron ổn định qua các lần đo lặp lại. Ngược lại, hiệu suất vận động ổn định trong các chuyển động thụ động có thể đi kèm với độ tin cậy hạn chế của hoạt động não trong các lần đo lặp lại.
Từ khóa
#fMRI #độ tin cậy #đi bộ #phục hồi chức năng #kích hoạt nãoTài liệu tham khảo
Winchester P, McColl R, Querry R, Foreman N, Mosby J, Tansey K, et al. Changes in supraspinal activation patterns following robotic locomotor therapy in motor-incomplete spinal cord injury. Neurorehabil Neural Repair. 2005;19(4):313–24. doi:10.1177/1545968305281515.
Luft AR, Macko RF, Forrester LW, Villagra F, Ivey F, Sorkin JD et al. Treadmill exercise activates subcortical neural networks and improves walking after stroke a randomized controlled trial. Stroke. 2008;39(12):3341–50. doi: 10.1161/Strokeaha.108.527531.
Newton JM, Dong Y, Hidler J, Plummer-D'Amato P, Marehbian J, Albistegui-DuBois RM, et al. Reliable assessment of lower limb motor representations with fMRI: Use of a novel MR compatible device for real-time monitoring of ankle, knee and hip torques. Neuroimage. 2008;43(1):136–46. doi:10.1016/j.neuroimage.2008.07.001.
Hollnagel C, Brügger M, Vallery H, Wolf P, Dietz V, Kollias S, et al. Brain activity during stepping: A novel MRI-compatible device. J Neurosci Methods. 2011;201(1):124–30. doi:10.1016/j.jneumeth.2011.07.022.
Dobkin BH, Firestine A, West M, Saremi K, Woods R. Ankle dorsiflexion as an fMRI paradigm to assay motor control for walking during rehabilitation. Neuroimage. 2004;23(1):370–81. doi:10.1016/j.neuroimage.2004.06.008.
Loubinoux I, Carel C, Alary F, Boulanouar K, Viallard G, Manelfe C, et al. Within-session and between-session reproducibility of cerebral sensorimotor activation: a test-retest effect evidenced with functional magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 2001;21(5):592–607.
Alkadhi H, Crelier GR, Boendermaker SH, Golay X, Hepp-Reymond M-C, Kollias SS. Reproducibility of primary motor cortex somatotopy under controlled conditions. Am J Neuroradiol. 2002;23(9):1524–32.
Kimberley T, Khandekar G, Borich M. fMRI reliability in subjects with stroke. Exp Brain Res. 2008;186(1):183–90. doi:10.1007/s00221-007-1221-8.
Kimberley T, Birkholz DD, Hancock RA, VonBank SM, Werth TN. Reliability of fMRI during a continuous motor task: assessment of analysis techniques. J Neuroimaging. 2008;18(1):18–27. doi:10.1111/j.1552-6569.2007.00163.x.
Raemaekers M, Vink M, Zandbelt B, van Wezel RJA, Kahn RS, Ramsey NF. Test–retest reliability of fMRI activation during prosaccades and antisaccades. Neuroimage. 2007;36(3):532–42. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2007.03.061.
Estévez N, Yu N, Brügger M, Villiger M, Hepp-Reymond M-C, Riener R, et al. A reliability study on brain activation during active and passive arm movements supported by an mri-compatible robot. Brain Topogr. 2014;27(6):731–46. doi:10.1007/s10548-014-0355-9.
Havel P, Braun B, Rau S, Tonn JC, Fesl G, Brückmann H, et al. Reproducibility of activation in four motor paradigms. J Neurol. 2006;253(4):471–6. doi:10.1007/s00415-005-0028-4.
Caceres A, Hall DL, Zelaya FO, Williams SCR, Mehta MA. Measuring fMRI reliability with the intra-class correlation coefficient. Neuroimage. 2009;45(3):758–68. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.12.035.
Cicchetti DV, Sparrow SA. Developing criteria for establishing interrater reliability of specific items: applications to assessment of adaptive behavior. Am J Ment Defic. 1981;86(2):127–37.
Bennett CM, Miller MB. How reliable are the results from functional magnetic resonance imaging? Ann N Y Acad Sci. 2010;1191(1):133–55. doi:10.1111/j.1749-6632.2010.05446.x.
Hollnagel C, Vallery H, Schädler R, López I-L, Jaeger L, Wolf P, et al. Non-linear adaptive controllers for an over-actuated pneumatic MR-compatible stepper. Med Biol Eng Comput. 2013;51(7):1–11. doi:10.1007/s11517-013-1050-9.
Werner C, Von Frankenberg S, Treig T, Konrad M, Hesse S. Treadmill training with partial body weight support and an electromechanical gait trainer for restoration of gait in subacute stroke patients: a randomized crossover study. Stroke. 2002;33(12):2895–901.
Mayr A, Kofler M, Quirbach E, Matzak H, Fröhlich K, Saltuari L. Prospective, blinded, randomized crossover study of gait rehabilitation in stroke patients using the Lokomat Gait Orthosis. Neurorehabil Neural Repair. 2007;21(4):307–14. doi:10.1177/1545968307300697.
Miyai I, Yagura H, Hatakenaka M, Oda I, Konishi I, Kubota K. Longitudinal optical imaging study for locomotor recovery after stroke. Stroke. 2003;34(12):2866–70. doi:10.1161/01.STR.0000100166.81077.8A.
Ciccarelli O, Toosy A, Marsden J, Wheeler-Kingshott C, Sahyoun C, Matthews P, et al. Identifying brain regions for integrative sensorimotor processing with ankle movements. Exp Brain Res. 2005;166(1):31–42. doi:10.1007/s00221-005-2335-5.
Mehta JP, Verber MD, Wieser JA, Schmit BD, Schindler-Ivens SM. A novel technique for examining human brain activity associated with pedaling using fMRI. J Neurosci Methods. 2009;179(2):230–9. doi:10.1016/j.jneumeth.2009.01.029.
Jaeger L, Marchal-Crespo L, Wolf P, Riener R, Michels L, Kollias S. Brain activation associated with active and passive lower limb stepping. Front Hum Neurosci. 2014;8:828.
Bland JM, Altman DG. Measurement error. BMJ. 1996;313(7059):744.
Andersson JL, Hutton C, Ashburner J, Turner R, Friston K. Modeling geometric deformations in EPI time series. Neuroimage. 2001;13(5):903–19. doi:10.1006/nimg.2001.0746.
Friston KJ, Holmes AP, Worsley KJ, Poline JP, Frith CD, Frackowiak RSJ. Statistical parametric maps in functional imaging: A general linear approach. Hum Brain Mapp. 1994;2(4):189–210. doi:10.1002/hbm.460020402.
Zaehle T, Schmidt CF, Meyer M, Baumann S, Baltes C, Boesiger P et al. Comparison of “silent” clustered and sparse temporal fMRI acquisitions in tonal and speech perception tasks. Neuroimage. 2007;37(4):1195–204. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S105381190700479X.
Liem F, Lutz K, Luechinger R, Jäncke L, Meyer M. Reducing the interval between volume acquisitions improves “Sparse” scanning protocols in event-related auditory fMRI. Brain Topogr. 2012;25(2):182–93. doi:10.1007/s10548-011-0206-x.
Slotnick SD, Moo LR, Segal JB, Hart Jr J. Distinct prefrontal cortex activity associated with item memory and source memory for visual shapes. Cogn Brain Res. 2003;17(1):75–82. http://dx.doi.org/10.1016/S0926-6410(03)00082-X.
Forman SD, Cohen JD, Fitzgerald M, Eddy WF, Mintun MA, Noll DC. Improved assessment of significant activation in functional magnetic resonance imaging (fMRI): use of a cluster-size threshold. Magn Reson Med. 1995;33(5):636–47. doi:10.1002/mrm.1910330508.
Eickhoff SB, Stephan KE, Mohlberg H, Grefkes C, Fink GR, Amunts K et al. A new SPM toolbox for combining probabilistic cytoarchitectonic maps and functional imaging data. Neuroimage. 2005;25(4):1325–35. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S105381190400792X.
Geyer S, Ledberg A, Schleicher A, Kinomura S, Schormann T, Burgel U, et al. Two different areas within the primary motor cortex of man. Nature. 1996;382(6594):805–7. doi:10.1038/382805a0.
Geyer S, Schleicher A, Zilles K. Areas 3a, 3b, and 1 of human primary somatosensory cortex: 1. Microstructural organization and interindividual variability. Neuroimage. 1999;10(1):63–83.
Geyer S, Schormann T, Mohlberg H, Zilles K. Areas 3a, 3b, and 1 of human primary somatosensory cortex: 2. Spatial normalization to standard anatomical space. Neuroimage. 2000;11(6):684–96.
Grefkes C, Geyer S, Schormann T, Roland P, Zilles K. Human somatosensory area 2: observer-independent cytoarchitectonic mapping, interindividual variability, and population map. Neuroimage. 2001;14(3):617–31.
Eickhoff SB, Schleicher A, Zilles K, Amunts K. The human parietal operculum. I. Cytoarchitectonic mapping of subdivisions. Cereb Cortex. 2006;16(2):254–67. doi:10.1093/cercor/bhi105.
Eickhoff SB, Amunts K, Mohlberg H, Zilles K. The human parietal operculum. II. Stereotaxic maps and correlation with functional imaging results. Cereb Cortex. 2006;16(2):268–79. doi:10.1093/cercor/bhi106.
Diedrichsen J, Balsters JH, Flavell J, Cussans E, Ramnani N. A probabilistic MR atlas of the human cerebellum. Neuroimage. 2009;46(1):39–46.
Tzourio-Mazoyer N, Landeau B, Papathanassiou D, Crivello F, Etard O, Delcroix N, et al. Automated anatomical labeling of activations in SPM using a macroscopic anatomical parcellation of the MNI MRI single-subject brain. Neuroimage. 2002;15(1):273–89. doi:10.1006/nimg.2001.0978.
Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH. An automated method for neuroanatomic and cytoarchitectonic atlas-based interrogation of fMRI data sets. Neuroimage. 2003;19(3):1233–9.
Mehta JP, Verber MD, Wieser JA, Schmit BD, Schindler-Ivens SM. The effect of movement rate and complexity on functional magnetic resonance signal change during pedaling. Motor Control. 2012;16(2):158–75.
Christensen LO, Johannsen P, Sinkjaer T, Petersen N, Pyndt HS, Nielsen JB. Cerebral activation during bicycle movements in man. Exp Brain Res. 2000;135(1):66–72.
Kapreli E, Athanasopoulos S, Papathanasiou M, Van Hecke P, Strimpakos N, Gouliamos A, et al. Lateralization of brain activity during lower limb joints movement. An fMRI study. Neuroimage. 2006;32(4):1709–21. doi:10.1016/j.neuroimage.2006.05.043.
Rombouts SA, Barkhof F, Hoogenraad FG, Sprenger M, Valk J, Scheltens P. Test-retest analysis with functional MR of the activated area in the human visual cortex. Am J Neuroradiol. 1997;18(7):1317–22.
Dice LR. Measures of the amount of ecologic association between species. Ecology. 1945;26(3):297–302.
Sørensen T. A method of establishing groups of equal amplitude in plant sociology based on similarity of species and its application to analyses of the vegetation on Danish commons. Biol Skr. 1948;5:1–34.
Shrout PE, Fleiss JL. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychol Bull. 1979;86(2):420–8.
Winter DA. Kinematic and kinetic patterns in human gait: Variability and compensating effects. Hum Mov Sci. 1984;3(1–2):51–76. http://dx.doi.org/10.1016/0167-9457(84)90005-8.
Masani K, Kouzaki M, Fukunaga T. Variability of ground reaction forces during treadmill walking. J Appl Physiol. 2002;92(5):1885–90.
Martinez M, Villagra F, Loayza F, Vidorreta M, Arrondo G, Luis E, et al. MRI-compatible device for examining brain activation related to stepping. IEEE Trans Med Imaging. 2014;33(5):1044–53. doi:10.1109/tmi.2014.2301493.
Rushworth MFS, Krams M, Passingham RE. The attentional role of the left parietal cortex: the distinct lateralization and localization of motor attention in the human brain. J Cogn Neurosci. 2001;13(5):698–710. doi:10.1162/089892901750363244.
Floyer-Lea A, Matthews PM. Changing brain networks for visuomotor control with increased movement automaticity. J Neurophysiol. 2004;92(4):2405–12. doi:10.1152/jn.01092.2003.
Field AS, Yen Y-F, Burdette JH, Elster AD. False cerebral activation on BOLD functional MR images: study of low-amplitude motion weakly correlated to stimulus. Am J Neuroradiol. 2000;21(8):1388–96.
Jezzard P, Balaban RS. Correction for geometric distortion in echo planar images from B0 field variations. Magn Reson Med. 1995;34(1):65–73.
Wei X, Yoo S-S, Dickey CC, Zou KH, Guttmann CRG, Panych LP. Functional MRI of auditory verbal working memory: long-term reproducibility analysis. Neuroimage. 2004;21(3):1000–8. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2003.10.039.
Eaton KP, Szaflarski JP, Altaye M, Ball AL, Kissela BM, Banks C et al. Reliability of fMRI for studies of language in post-stroke aphasia subjects. Neuroimage. 2008;41(2):311–22. http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.02.033.
Seto E, Sela G, McIlroy WE, Black SE, Staines WR, Bronskill MJ, et al. Quantifying head motion associated with motor tasks used in fMRI. Neuroimage. 2001;14(2):284–97. doi:10.1006/nimg.2001.0829.
Huettel SA, Singerman JD, McCarthy G. The Effects of Aging upon the Hemodynamic Response Measured by Functional MRI. Neuroimage. 2001;13(1):161–75. http://dx.doi.org/10.1006/nimg.2000.0675.
D'Esposito M, Zarahn E, Aguirre GK, Rypma B. The effect of normal aging on the coupling of neural activity to the bold hemodynamic response. Neuroimage. 1999;10(1):6–14. doi:10.1006/nimg.1999.0444.
Maclaren J, Herbst M, Speck O, Zaitsev M. Prospective motion correction in brain imaging: A review. Magn Reson Med. 2012. doi:10.1002/mrm.24314.