Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

استكشاف الوظائف المعرفية لدى الأطفال والرضع والكبار مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة

Published: July 28, 2009 doi: 10.3791/1268
Automatic Translation
1, 1, 2, 2
1Department of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Psychology, University of Toronto Scarborough

Summary

نحن هنا وصف جمع البيانات وأسلوب التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة وظيفية (fNIRS) ، رواية تصوير الدماغ غير الغازية النظام المستخدمة في علم الأعصاب الإدراكي ، وبخاصة الأطفال في دراسة تطور الدماغ. هذا الأسلوب يوفر معيارا عالميا للحصول على البيانات وتحليل حيوي لتفسير البيانات والاكتشاف العلمي.

Abstract

انفجار بالقرب من الأشعة تحت الحمراء دراسات الفنية (fNIRS) الطيفي التحقيق تفعيل القشرية في ما يتعلق العمليات المعرفية العليا ، مثل اللغة 1،2،3،4،5،6،7،8،9،10 والذاكرة 11 ، والاهتمام 12 يجري حاليا في جميع أنحاء العالم بالبالغين والأطفال والرضع 3،4،13،14،15،16،17،18،19 مع الإدراك وغير نمطية نموذجية 20،21،22. التحدي المعاصر لاستخدام fNIRS لعلم الأعصاب الإدراكي هو تحقيق تحليلات منهجية لمثل هذه البيانات بأنها التأويل 23،24،25،26 عالميا ، وبالتالي قد تقدم أسئلة علمية هامة حول التنظيم الوظيفي ونظم العصبية الكامنة وراء ارتفاع الإدراك البشري.

تقنيات تصوير الأعصاب الموجودة إما أقل قوة القرار الزماني أو المكاني. الحدث ذات الإمكانيات وتصوير الدماغ المغناطيسي (ERP وMEG) والقرار الزماني ممتازة ، في حين بوزيترون الانبعاثات الرسم السطحي والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي وPET) وقرار أفضل المكاني. يمتص تفضيلي استخدام المنظمات غير المؤينة موجات الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (700-1000 نانومتر) ، حيث يتم امتصاصه بشكل تفضيلي أوكسي هيموغلوبين بواسطة 680 نانومتر ، والتي ديوكسي الهيموغلوبين - 830 نانومتر (على سبيل المثال ، في الواقع ، موجات كبيرة ماثلة في وهيتاشي fNIRS ETG - 400 نظام يتضح هنا) ، مناسب تماما fNIRS للدراسات العليا الإدراك لأنه قرار جيد على حد سواء الزماني (~ 5S) دون استخدام الإشعاع والمكاني قرار جيد (~ عمق 4 سم) ، ولا تتطلب أن يكون مشاركا في بنية مغلقة 27،28. ويمكن تقييم نشاط المشاركين القشرية أثناء الجلوس في مقعد مريح العادية (للبالغين والأطفال) ، أو حتى الجلوس في حضن أمي ثانية (الرضع). والجدير بالذكر أن تقرير الجرد الوطني هو محمول فريد (حجم جهاز كمبيوتر سطح المكتب) ، صامتة تقريبا ، ويمكن أن يتسامح مع حركة المشاركين خفية. هذه هي معلقة ولا سيما لدراسة اللغة العصبية البشرية ، والذي بالضرورة واحدا من مكوناته الرئيسية لحركة الفم في إنتاج الكلام أو يد في لغة الإشارة.

الطريقة التي يتم المترجمة الاستجابة الدورة الدموية هي مجموعة من بواعث الليزر ، وكاشفات. بواعث تنبعث من كثافة معروفة من غير المؤين الضوء حين كشف عن الكشف عن المبلغ ينعكس مرة أخرى من على سطح القشرة. أقرب معا optodes ، أكبر القرار المكانية ، في حين أن optodes كذلك بعيدا ، وزيادة عمق الاختراق. عن تعيين شركة هيتاشي fNIRS ETG - 4000 اختراق النظام الأمثل / قرار لمجموعة optode 2cm.

هدفنا هو إظهار لدينا وسيلة لاكتساب وتحليل البيانات لمساعدة fNIRS توحيد هذا المجال وتمكين مختلف أنحاء العالم لfNIRS مختبرات لديهم خلفية مشتركة.

Protocol

الجزء 1 : قبل المشاركين قادمة إلى المختبر

  1. تأكد من أن الغرفة خالية من المواد الغريبة التي قد تكون تشتيت للمشارك.
  2. انشاء وتحميل بروتوكول تجريبي على نظام fNIRS ETG - 4000 هيتاشي.
  3. انشاء النموذج الخاص التجريبية. يمكن برمجتها نماذج تجريبية مع برامج العرض المختلفة ، بما في ذلك ، Eprime Psyscope ، وعرض الأدوات أو مطلب أساس علم النفس. هنا نستخدم الأدوات مطلب أساس علم النفس.
  4. التوقيت هو المفتاح لتحليل البيانات ، وبالتالي يجب أن يكون النموذج التجريبي الوقت المناسب تماما مع جمع البيانات. وهيتاشي fNIRS ETG - 4000 وقد اثار القدرات ، والسماح للنموذج تجريبي لتحريك عملية جمع البيانات أو العكس بالعكس. اختبار اثار برنامج العرض التقديمي من شركة هيتاشي fNIRS ETG - 4000. ويمكن القيام به اثار موازية ، المسلسلات ، أو منافذ USB. نحن هنا تظهر اثار عبر المنفذ المتوازي.
  5. قبل البدء في دراسة fNIRS من المهم إجراء فحص المشاركين في الخلفية. في المختبر Petitto ، نجري فحص الخلفية عن طريق الحصول على والديهم أو المشاركين ملء استبيانات الدراسة المناسبة الموحدة 29.

وصول المشاركين

  1. من المهم أن تجري الدورة ولعلاج المشاركين بطريقة مهنية. يجب على المشترك أو الآباء المشاركين / أولياء الأمر بالتوقيع على استمارة الموافقة قبل بدء التجربة. فمن الأهمية بمكان أن أشكر المشاركين على وقتهم في هذه التجارب الهامة والمثيرة.
  2. يجلس المشارك قريبة بشكل مريح إلى غرفة الاختبار fNIRS. قد يكون جالسا مشاركا الرضع في اللفة أحد الوالدين.

الجزء 2 : وضع Optodes وباستخدام هذا النظام 10-20

مكون آخر من أسلوب تحليل البيانات التي تمكن يتفق التفسير هو توحيد بروتوكول تسجيل fNIRS. يستتبع هذا التنسيب optode ، وتحديد المواقع المشاركين ، واثار من برنامج العرض التحفيز. وتتحقق كل دقيقة العصبية التشريحية موضع تحقيقات وتأكيدا لاهتمام مناطق (رويس) باستخدام نظام 20/10 3،4،30. كذلك ، تم تأكيد توطين المجسم للصفيف دقق في الجمجمة المشارك التي تتراكب 3D تتبع المعلومات من نظام بزليموس تراك السريع على تفحص شارك في تسجيل الرنين المغناطيسي للمشارك التشريحية التي أجريت مع كبسولات فيتامين (ه) وضعت في كل مكان التحقيق 3،4. الأمثل لتحديد المواقع عدد المشتركين المشاركين في وضع مريح في كرسي مستلق ، مع الألياف البصرية شنقا فضفاضة من دون اتصال مع هيئة أو كرسي.

  1. يتم أخذ القياسات التالية مع رئيس شريط قياس ويكتب على ورقة بيانات المشاركين :
    • Nasion إلى حوالي Inion
    • Nasion إلى أكثر من رأس Inions
    • الأذن إلى الأذن أكثر من أعلى
  2. ويمكن استخدام الشريط الجراحية للاحتفال مواقع مستهدفة محددة. في هذه التجربة سوف نحتفل FP ، T3/T4 ، F8/F7
  3. يتم وضع مصفوفات Optode على رأس المشاركين مع optodes محددة الراسية في 10-20 نقطة حسب توجيهات لأغراض التجربة.

الجزء 4 : اختبار صفيف Optode

  1. مدخل إلى واجهة المستخدم الرسومية هيتاشي ETG - 4000 واختبار التحقيق.
  2. اختبار الإشارات : توضع على فروة الرأس مرة واحدة optodes المشاركين ، يتم اختبار جودة الإشارة. إذا كان لا يملك optode إشارة واضحة ، والباحثين إزالة الشعر بلطف من اتصال من optode وفروة الرأس. في بعض الأحيان قد تحتاج إلى optodes أن تمحى مع مسحة الكحول.

الجزء 5 : تشغيل التجربة.

  1. يجب أن لا يقل عن اثنين المجربون يكون دائما حاضرا في القاعة ، واحدة مراقبة هيتاشي fNIRS ETG - 4000 في الوقت الحقيقي وتلا والآخر مراقبة مشارك. وجود كاميرا الفيديو التي تركز على المشاركين ينصح بشدة لمرحلة ما بعد مخصص الملاحظات. ميزة للشركة هيتاشي fNIRS ETG - 4000 هو أن synched الفيديو وإشارة fNIRS وشارك المسجلة. يتم الاحتفاظ سجل يحتوي على كافة المعلومات ذات الصلة والملفات المتولدة.
  2. هناك أساليب راسخة لبناء نماذج تجريبية الدورة الدموية ، وهي كتلة التصميم والرسوم والنماذج ذات الصلة بالحدث. للحصول على وصف أكثر اكتمالا الرجاء راجع ورقة الاستعراض الأخير 31.

الجزء 6 : تحليل

بمجرد أن يتم جمع كل البيانات ، وشكر المشاركين على وقتهم والرغبة في المشاركة ويترك المختبر. كما لم يتم التحليل على هيتاشي fNIRS ETG - 4000 ، وبدلا من ذلك ، ويتم تصدير البيانات إلى جهاز كمبيوتر التحليل.

  1. التحويل من μV لتركيزات الهيموغلوبين. كما يتم جمع قيم توهين الخام في توهين قوة الليزر (مقاسا في μV) ، يجب تحويل هذه القيم إلى valu الهيموجلوبين المؤكسج وامؤكسجوفاق. يتم ذلك باستخدام تعديل بئر لامبرت المعادلة.
  2. ويجري تطبيق لامبرت بير تعديل في خطوتين. في ظل افتراض أن تشتت هو ثابت على طول الطريق ، لأول مرة التوهين لكل طول موجي ويتم احتساب (ΔA λ (ر)) وذلك بمقارنة كثافة بصرية من شدة الضوء أثناء المهمة (مهمة لي) لحساب خط الأساس للإشارة ( أنا المرجعية). قيم ΔA لكل طول موجي وأخذ عينات نقطة زمنية (ر) ليحل تعديل بئر لامبرت المعادلة.
    المعادلة 1 المعادلة 1 المعادلة 2 المعادلة 2

λ ∈ ديوكسي 1 ، 1 λ ∈ الأكسجين ، 2 λ ∈ ديوكسي و2 λ ∈ أوكسي هي ثوابت للمعاملات الانقراض التي تقيس نسبة ضئيلة من ضوء خسر أمام استيعاب المسافة في تركيز الوحدة في الأنسجة. وديوكسي C والقيم الناتجة C أوكسي هي تركيز الهيموغلوبين امؤكسج والاوكسيجين لكل طن.

الجزء 7 : النتائج الممثل

نتائج الدورة الدموية استجابة نموذجية في عدة خصائص مميزة. في الاستجابة أوكسي هيموغلوبين ، هناك تراجع لأول مرة مميزة. يحدث هذا الانخفاض في شكل منطقة ينشط الخلايا العصبية ويستنفد الأكسجين المتاحة. كما يزيد من تدفق الدم المحمل بالأوكسجين الهيموغلوبين ، واستجابة أوكسي هيموغلوبين يرتفع بسرعة أعلى من مستويات خط الأساس الأولي إلى مستوى حالة مستقرة. عندما لم يعد في المنطقة التي يجري تفعيلها ، ويضمحل استجابة أوكسي هيموغلوبين خلال 12-15 ثانية المقبل ويسقط ببطء الى مستويات خط الأساس. هناك في بعض الأحيان قد الرمية التي تحدث قبل الدورة الدموية استجابة العودة إلى مستويات خط الأساس الأولي.

النتائج السيئة عادة ما تكون في شكل صحيح optodes لا يجلس على فروة الرأس أو الحركة المفرطة. هذه الأنواع من الضجيج -- دعا "Flatling' -- واضحة في إشارة إلى القيم microvolt تشبع وعدد من قنوات مختلفة ، ونقل كل من الأكسجين والاستجابة ديوكسي بطريقة منسقة.

مظاهرة : المصافحة والألياف البصرية.

التحليلات الإحصائية : ويمكن بعد ذلك استخلاص الأوكسجين والهيموغلوبين ديوكسي قيم لكل قناة ، ولكل المشاركين ولكل مهمة سيقدم إلى التحليل الإحصائي التقليدي ، بما في ذلك اختبارات - T ، ANOVAs والعلاقات المتبادلة الخ

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذه الدراسة ، وأثبتنا في استخدام الرواية والتكنولوجيا fNIRS غير الغازية تصوير الدماغ للتحقيق في وظائف المخ البشري فيما يتعلق الإدراك البشري والادراك. تصوير الدماغ قد fNIRS يمثلون مستقبل تصوير الدماغ غير الغازية ، ولا سيما مع السكان الرضع والأطفال ، والتي قد يكون يوم واحد على نطاق واسع في مختبرات البحوث ، ومكاتب للأطباء ، ونظم في المدرسة السماح للأطباء لتطبيق النتائج العلمية الأساسية حول الدماغ لممارساتهم السريرية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل عن طريق منح لLAP (PI) :

معاهد الصحة الوطنية R21 HD50558 ، منحت 2005-07 ؛ الوطني

معاهد الصحة HD045822 R01 ، منحت 2004-09 ؛ دانا مؤسسة غرانت ،

منحت 2004-06 ؛ المؤسسة الكندية للابتكار ("CFI" منحة) ، منح

منح صندوق المنح للبحوث أونتاريو ، 2008-2012 ؛ 2008-2012.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ETG-4000 Hitachi
Matlab Mathworks Psychology toolbox

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
  2. Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
  3. Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
  4. Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
  5. Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
  6. Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
  7. Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
  8. White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
  9. Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
  10. Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
  11. Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
  12. Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
  13. Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
  14. Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
  15. Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
  16. Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
  17. Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
  18. Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
  19. Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
  20. Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
  21. Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
  22. Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
  23. Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
  24. Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
  25. Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
  26. Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
  27. Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
  28. Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
  29. Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
  30. Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
  31. Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).

Tags

علم الأعصاب ، العدد 29 ، الرضع والأطفال ، بالقرب من التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، fNIRS ، التصوير المقطعي البصرية ، وعلم الأعصاب الإدراكي ، وعلم النفس والدماغ والأعصاب الإدراكي التنموية ، وتحليل
استكشاف الوظائف المعرفية لدى الأطفال والرضع والكبار مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shalinsky, M. H., Kovelman, I.,… More

Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (29), e1268, doi:10.3791/1268 (2009).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter