JoVE   
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Biology

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Neuroscience

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Immunology and Infection

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Clinical and Translational Medicine

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Bioengineering

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Applied Physics

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Chemistry

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Behavior

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Environment

|   

JoVE Science Education

General Laboratory Techniques

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Basic Methods in Cellular and Molecular Biology

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms I

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms II

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Automatic Translation

This translation into Turkish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Biology

Yakın Kızılötesi Spektroskopisi ile bebekler, Çocuk ve Yetişkin Bilişsel Fonksiyonları keşfetmek

1, 1, 2, 2

1Department of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Psychology, University of Toronto Scarborough

Article
    Downloads Comments Metrics

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    This article is a part of   JoVE Biology. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.

    Recommend JoVE to Your Librarian

    Current Access Through Your IP Address

    You do not have access to any JoVE content through your current IP address.

    IP: 54.91.255.151, User IP: 54.91.255.151, User IP Hex: 911998871

    Current Access Through Your Registered Email Address

    You aren't signed into JoVE. If your institution subscribes to JoVE, please or create an account with your institutional email address to access this content.

     

    Summary

    Burada Near Infrared Spektroskopisi (fNIRS), bilişsel sinirbilim kullanılan non-invaziv bir roman beyin görüntüleme sistemi, özellikle çocuğun beyin gelişimi eğitim işlevsel bir veri toplama ve analiz yöntemi açıklar. Bu yöntem, veri toplama ve verilerin yorumlanması ve bilimsel keşif için hayati analiz evrensel bir standart sağlar.

    Date Published: 7/28/2009, Issue 29; doi: 10.3791/1268

    Cite this Article

    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).

    Abstract

    Fonksiyonel Infrared Spektroskopisi (fNIRS) gibi dil 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, bellek 11 gibi yüksek bilişsel süreçleri ile ilgili kortikal aktivasyon araştıran çalışmalar ve dikkat 12 civarında bir patlama devam içeren dünya çapında yetişkinler, çocuklar ve bebekler 3,4,13,14,15,16,17,18,19 tipik ve atipik biliş 20,21,22. Bilişsel sinirbilim fNIRS kullanarak çağdaş meydan onlar 23,24,25,26 evrensel olarak yorumlanabilir, ve böylece fonksiyonel organizasyon ve insan yüksek biliş altında yatan sinir sistemleri ile ilgili önemli bilimsel soruları önceden bu tür verilerin sistematik analizler elde etmektir.

    Mevcut beyin görüntüleme teknolojileri, zamansal ve mekansal çözünürlükte ya da daha az güçlü. , Pozitron Emisyon Tomografi ve fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (PET ve fMRI) iyi mekansal çözünürlüğe sahip ise Olaylarla İlgili Potansiyeller ve Magneto Ensefalografi (ERP ve MEG), mükemmel zamansal çözünürlüğe sahip. Oksi-hemoglobin tercihen 680 nm ve deoksi-hemoglobin tarafından emilir yakın-kızılötesi aralığı (700-1000 nm), non-iyonize dalga boylarında ışık kullanarak tercihen 830 nm (örneğin, gerçekten, çok dalga boylarını içine kablolu tarafından emilir Burada gösterilen fNIRS Hitachi ETG-400 sistemi) de iyi temporal çözünürlük (~ 5 saniye), radyasyon ve iyi uzaysal çözünürlük (~ 4 cm derinlik) kullanmadan, çünkü, fNIRS yüksek biliş çalışmaları için uygundur katılımcıların kapalı bir yapısı 27,28 olması gerekir. Sıradan bir sandalye (yetişkinler, çocuklar) rahatça oturarak veya hatta anne s tur (bebeklerde) otururken Katılımcılar kortikal aktivite tespit edilebilir. Özellikle, NIRS neredeyse sessiz, (bir masaüstü bilgisayar boyutunda) benzersiz taşınabilir ve katılımcılar ince hareketi tolere edebilir. Bu, mutlaka onun anahtar bileşenleri işaret dili konuşma üretim veya eller ağız hareketi biri olarak insan dili, sinir çalışması için, özellikle göz alıcı.

    Hemodinamik yanıt lokalize olduğu yolu lazer üreten ve dedektörleri bir dizi. Dedektörleri geri kortikal yüzeyinden yansıyan miktarını tespit ederken Yayıcılar bilinen bir yoğunluk non-iyonize ışık yayarlar. Optodes birbirine yaklaştırır, daha fazla uzaysal çözünürlüğü daha ayrı optodes ise, daha derin penetrasyon. FNIRS Hitachi ETG-4000 sisteminin optimum penetrasyon / çözünürlük optode dizi 2cm.

    Amacımız alanında standartlaştırmak yardımcı olmak ve ortak bir arka plana sahip, dünya çapında farklı fNIRS laboratuvarları etkinleştirmek için fNIRS veri edinme ve analiz yöntemi ortaya koymaktır.

    Protocol

    Bölüm 1: katılımcıya önce laboratuara gelen

    1. Oda katılımcıya rahatsız edici olabilir gereksiz makaleler ücretsiz olduğundan emin olun.
    2. Set-up ve deneysel protokol fNIRS Hitachi ETG-4000 sistem üzerinde yük.
    3. Deneysel paradigma set-up. Deneysel paradigmalar Eprime, Tanıtım, Psyscope veya bir Matlab tabanlı psikoloji araç kutusu dahil olmak üzere farklı sunum yazılımı ile programlanmış olabilir. Burada Matlab tabanlı psikoloji araç kutusu kullanın.
    4. Zamanlama veri analizi için önemli olan, bu nedenle deneysel paradigma veri toplama ile mükemmel zamanlanmış olmalıdır. FNIRS Hitachi ETG-4000, veri toplama ya da tam tersi tetiklemek için deneysel paradigma için izin yetenekleri tetikleme. FNIRS Hitachi ETG-4000 sunum programı tetikleme sınayın. Tetikleme, paralel dizi kullanarak veya USB portları yapılması olabilir. Burada paralel port üzerinden tetikleme göstermektedir.
    5. FNIRS çalışmaya başlamadan önce katılımcı arka plan tarama yapmak için önemlidir. Petitto laboratuvarda, katılımcı ya da ebeveynleri çalışmaya uygun standart anketlerle 29 doldurunuz sahip arka plan tarama yapıyoruz.

    Katılımcı Geldi

    1. Oturumu yürütmek ve profesyonel bir şekilde katılımcılara tedavi için önemlidir. Katılımcı veya katılımcıların ebeveynleri / yasal vasiler, deney başlamadan önce bir onay formu imzalamanız gerekir. Bu önemli ve heyecan verici bu deneylerde onların zaman katılımcı teşekkür etmek hayati önem taşımaktadır.
    2. Katılımcı fNIRS test odasına rahat yakın oturmuştur. Bir bebek katılımcı, bir ebeveynin kucağında oturmuş olabilir.

    Bölüm 2: Optodes yerleştirilmesi ve 10-20 sistemini kullanarak

    Analiz yöntemi, tutarlı bir veri yorumlama sağlayan diğer bir bileşeni fNIRS kayıt protokol standardizasyon. Bu optode yerleştirme, katılımcı konumlandırma ve uyaran sunum yazılımı, tetikleme gerektirir. Probların doğru nöro-anatomik yerleşimi ve faiz (ROI) bölgeleri onay Her ikisi de, 10-20 sistemi 3,4,30 kullanılarak elde edilir . Ayrıca, prob dizi stereotaktik yerelleştirme Polhemus Fast Trak sistemi, her prob konumu 3,4 bulunan E vitamini kapsülleri ile yapılan katılımcının bir anatomik MR co-kayıt tarama üzerine 3D izleme bilgilerini çakıştırılarak katılımcının kafatası teyit edilmiştir . Optimal katılımcı konumlandırma gevşek vücut ya da sandalye ile temas etmeden asılı fiber optik, katılımcıların yerleştirerek uzanmış bir sandalyede rahat bir yer.

    1. Aşağıdaki baş ölçümleri bir mezura ile çekilen ve katılımcılara bilgi formunda yazılı:
      • Inion için nasion etrafında
      • Üstünden Inions için nasion
      • Kulak üstünden Kulak için
    2. Cerrahi bant, hedeflenen belirli yerleri işaretlemek için de kullanılabilir. Bu deneyde, Fp, T3/T4 F8/F7 işareti
    3. Optode diziler, deney amacıyla yönettiği 10-20 puanlık demirli özel optodes katılımcıların kafasına yerleştirilir.

    Bölüm 4: Optode Array Test

    1. Hitachi ETG-4000 GUI Arabirimi ve prob test Giriş.
    2. Test sinyali: Once optodes katılımcılar 'kafa derisi üzerine yerleştirilir, sinyal kalitesi test edilir. Bir optode net bir sinyal yoksa, araştırmacılar optode ve kafa derisi bağlantı hafifçe saç kaldırmak. Optodes vesileyle bir alkollü bez ile silinmelidir gerekebilir.

    Bölüm 5: Deney.

    1. Her zaman en az iki deneyci odasında bulunması gereken bir okuma fNIRS Hitachi ETG-4000 gerçek-zamanlı gözlemleme ve diğer katılımcı gözlemleyerek. Katılımcı odaklanmış bir video kameraya sahip yüksek post-hoc gözlemler için tavsiye edilir. FNIRS Hitachi ETG-4000 bir avantajı, video ve fNIRS sinyal senkronize ve co-kayıtlı olduğunu. Ilgili tüm bilgileri ve dosyaları içeren bir günlük tutulur.
    2. Deneysel hemodinamik paradigmalar binanın köklü bir yöntem vardır, yani tasarım ve Olay ile ilgili tasarımlar engelleyin. Son derlemede 31 daha eksiksiz bir açıklaması için bakınız.

    Bölüm 6: Analiz

    Bir kez tüm veri toplanan katılımcı katılmak için zaman ve istekli teşekkür etti ve laboratuar bırakır. FNIRS Hitachi ETG-4000 tarihinde yapılan analiz değildir, bunun yerine, bir analiz bilgisayara veri ihraç edilmektedir.

    1. Hemoglobin konsantrasyonları μV dönüşüm. Lazer gücünün zayıflaması (μV olarak ölçülür) toplanan ham zayıflama değerleri olarak bu değerler, oksijenli ve deoxygenated hemoglobin valu dönüştürülmesi gerekires. Bu değiştirilmiş Beer-Lambert denklemi kullanılarak yapılır.
    2. Değiştirilmiş Beer-Lambert uygulama iki adımda yapılır. Saçılma, ilk yol uzunluğu, sinyal hesaplanan bazal her dalga boyu (ΔA λ (t)) görev (görev I) sırasında ışık şiddeti optik yoğunluk karşılaştırılarak hesaplanır (zayıflama boyunca sabit olduğu varsayımı altında Ben bazal). Her dalga boyu için ΔA değerleri ve örneklenmiş bir zaman noktasında (t) değiştirilmiş Beer-Lambert denklemi çözmek için.
      Denklem 1 denklemi 1 Denklem 2 denklem 2

    λ 1deoksi, 1 λ ∈ oksi 2 λ ∈ deoksi ve λ 2oksi doku birim konsantrasyon mesafe başına emilimini kaybetti ışık kısmını ölçmek yok katsayıları için sabitlerdir. Çıkan C deoksi ve C oksi değerleri her t deoxygenated ve oksijenli hemoglobin konsantrasyonları.

    Bölüm 7: Temsilci Sonuçlar

    Birçok farklı özellikleri tipik hemodinamik yanıtı sonuçları. Oksi-hemoglobin yanıt olarak, karakteristik bir daldırma vardır. Bu dalış, nöronların bir bölge aktive eder ve mevcut oksijeni tüketir oluşur. Kan akımı arttıkça, oksijenli hemoglobin taşıyan, oksi-hemoglobin yanıtı istikrarlı bir devlet düzeyinde ilk başlangıç ​​seviyesinin üstünde hızla yükselir. Bölgede artık aktive edilirken, Oksi-hemoglobin sonraki 12-15 saniye içinde yanıt bozunur ve yavaşça bazal düzeylere geri düşer. Ilk başlangıç ​​seviyelerine geri dönen hemodinamik yanıt öncesinde gerçekleştirilen bir inişte bazen yoktur.

    Kötü sonuçlar, düzgün bir kafa derisi veya aşırı hareketlilik üzerine oturtulmuş optodes form genellikle. Mikrovolt değerleri doyurabilecek ve farklı kanalların bir numarası, oksi-ve deoksi-yanıt koordineli bir biçimde hareket olarak sinyal gürültü Bu tür 'Flatling' denilen belirgindir.

    GÖSTERİ: fiber optik Çalkalamalı.

    İstatistiksel Analizler: Her katılımcı için ve her görev için her kanal için çıkarılan oksi ve deoksi-hemoglobin değerleri, sonra t-testleri, ANOVAs, korelasyon vb dahil olmak üzere, geleneksel istatistiksel analiz sunulacaktır.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Bu çalışmada, insan biliş ve algı ile ilgili olarak, insan beyin fonksiyonu araştırmak için bir roman, non-invaziv fNIRS beyin görüntüleme teknolojisi kullanımı gösterdi. fNIRS beyin görüntüleme, özellikle klinisyenlerin temel bilimsel bulguları uygulamak için izin bebek ve çocuk bir gün araştırma laboratuarlarında yaygın olarak bulunabilir popülasyonları, doktor muayenehanesi ve okul sistemleri, non-invaziv beyin görüntüleme geleceği temsil edebilir klinik uygulamada beyin.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    Acknowledgements

    Bu çalışma LAP (PI) hibeleri tarafından desteklenen:

    Ulusal Sağlık R21 HD50558 Enstitüleri, 2005-07 ödüllendirildi; Ulusal

    Sağlık R01 HD045822 Enstitüleri, 2004-09 ödüllendirildi; Dana Vakfı Hibe

    Kanada Yenilikçilik Vakfı'nın ("CFI" hibe) ödüllendirildi; 2004-06 ödüllendirildi

    2008-2012; Ontario Araştırma Fonu Hibe, 2008-2012 ödüllendirdi.

    Materials

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

    References

    1. Quaresima, V., et al. J. Biomed. Opt. 10, 11012 (2005).
    2. Watanabe, E., et al. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
    3. Kovelman, I., et al. NeuroImage 39:1457-71 (2008).
    4. Kovelman, I., et al. Brain and Language (2008).
    5. Bortfeld, H., et al. Dev. Neuropsychology 34:52-65 (2009).
    6. Petitto, L.A. in The Cambridge Companion to Chomsky (eds. McGilvray, J.) Cambridge University Press, England (2005).
    7. Berens M. S., et al., Society for Research in Child Development, (2009).
    8. White, K. S., et al. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting (2008).
    9. Dubins M., et al. Cognitive Neuroscience Conference (2009).
    10. Dubins, M. H., et al. Society for Research in Child Development (2009)
    11. Kubota, Y., et al. NeuroImage (2006).
    12. Ehlis, A. C., et al., J. Biol. Psychol. 69, 315-31 (2005).
    13. Petitto, L. A., in The Educated Brain (eds. Fischer, K. & Battro, A.) Cambridge University Press, England (2008)
    14. Pena, M., et al. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A. 100, 11702-5 (2003).
    15. Baird, A. A., et al. NeuroImage 16, 1120-5 (2002).
    16. Taga, G., et al. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-7 (2003).
    17. Wilcox, T., et al. Dev. Science 11:361-370 (2008).
    18. Otsuka, Y., et al. NeuroImage 34:399-406 (2007).
    19. Watanabe, H., et al. NeuroImage 43:346-357 (2008).
    20. Kameyama, M., et al. NeuroImage 29, 172-84 (2006).
    21. Arai, H., et al. Brain. Cogn. 61, 189-94 (2006).
    22. Grignon, S., et al. Cognitive and Behavioral Neurology 21:41-45 (2008).
    23. Boas, D.A., et al. Neuroimage 23:S275-S288 (2004).
    24. Aslin, R.N. & Mehler, J. J. of Biomed. Opt. 10:11009-1-3 (2005).
    25. Plichta, M.M., et al. NeuroImage 35:625-634 (2007).
    26. Schroeter, M.L., et al. NeuroImage 21:283-290 (2004).
    27. Jobsis, F. F., Science 198, 1264-7 (1977).
    28. Villringer, A. & Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-42 (1997).
    29. Kovelman, I., et al. Bilingualism: Language & Cognition 11:203–223 (2008).
    30. Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10: 370-1.(1958)
    31. Amaro, E., et al. Brain Cogn 60:220-232 (2006).

    Comments

    6 Comments

    How much dŒs this equipment cost compared to a MEG or fMRI
    Reply

    Posted by: AnonymousNovember 28, 2009, 5:55 AM

    NIRS equipment is significantly cheaper than either MEG or fMRI (on the order of $100K for NIRS vs. $1million++ for MEG or fMRI).
    Reply

    Posted by: AnonymousFebruary 18, 2010, 4:43 PM

    Hi Greg,

    As Michael responded you can get fNIRS machines for significantly cheaper then MRI. An added bonus is you do not need to have a full time tech as graduate & even undergraduate students can be taught how to properly handle the machine. And there is no fear of quenching.

    There are several companies along with Hitachi that sell these systems. The costs are usually directly correlated with the number of channels and other bells & whistles (e.g. Polhemus).

    Let me know if you need any more help!

    Best
    Mark
    Reply

    Posted by: Mark S.June 1, 2010, 1:31 PM

    Awesome video! I wish my lab was so photogenic.
    Reply

    Posted by: AnonymousFebruary 18, 2010, 4:48 PM

    Hi Sir/Mrs.,
    Just want to know what's the reliability and validity of Near Infrared Spectroscopy compared to fMRI and EEG in terms of spatial and temporal resolution.
    Also, is Near Infrared Spectroscopy useful in terms of the investigation of neural substrates(i.e.regions in hippocampus) involved in recognition memory? Would Near Infrared Spectroscopy have similar results as fMRI in terms of recognition memory?

    Thank You,
    Fahad
    Reply

    Posted by: fahad a.June 1, 2010, 11:54 AM

    Hi Fahad,

    fNIRS has better temporal resolution (10 samples / second) then fMRI (1 sample / ² seconds). The fNIRS also has a spatial resolution of ²-3cm. This means that the signal recorded by the fNIRS is typically from the cortical regions.

    In comparison to EEG fNIRS is slower however the spatial resolution is better. There are a number of companies as well as private labs that have & are developing combined EEG / fNIRS systems.
    For learning & memory paradigms the regions of interest are typically too deep and cannot be reliably recorded from using fNIRS.

    Please feel free to contact the two PIs of this project'
    Dr. Laura-Ann Petitto: www.utsc.utoronto.ca/~petitto/
    or
    Dr. Ioulia Kovelman: http://sitemaker.umich.edu/childlanguage/home
    Reply

    Posted by: Mark S.June 1, 2010, 1:39 PM

    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter