باستخدام MazeSuite والوظيفية الأدنى مطياف الأشعة تحت الحمراء لدراسة التعلم في الملاحة المكانية

هدفنا في هذا العرض التقديمي ذو شقين. أولا ، لتوضيح عملية تصميم البروتوكول التجريبي واستخدام مجموعة مايو وثانيا ، لتوضيح إعداد ونشر نظام مراقبة نشاط الدماغ FNIR. يمكن استخدام مجموعة مايو لتصميم وتحرير بيئات ثلاثية الأبعاد معدلة ، بالإضافة إلى تتبع الأداء السلوكي للمشارك.

لإثبات ذلك ، تم الإبلاغ عن عينة فرعية من دراسة لتوضيح كيفية استخدام كل من May suite و FNIR في تجربة واحدة. تتضمن الدراسة تقييم النشاط المعرفي لقشرة الفص الجبهي الظهري الجانبي أثناء اكتساب وتعلم مهام صولجان الكمبيوتر لأوامر الممارسة المحظورة والعشوائية. FNIR هي تقنية مراقبة بصرية للدماغ تستخدم الأشعة تحت الحمراء القريبة ، مثل تتبع التغيرات في الاستجابات الديناميكية الدموية داخل القشرة.

تم عرض المراقبة غير الغازية لديناميكا الدم الدماغية والأكسجين لأول مرة من قبل Job Ossy وزملاؤه في عام 1977. تسمح هذه التقنية بتصميم أنظمة مراقبة محمولة وآمنة وبأسعار معقولة وغير جراحية وأقل تدخلا يمكن استخدامها لقياس نشاط الدماغ في البيئات الطبيعية. يمكن للظروف المتنقلة والميدانية بالقرب من ضوء الأشعة تحت الحمراء أن تخترق الأنسجة بضعة سنتيمترات في حدود 700 إلى 900 نانومتر.

عندما يدخل الضوء إلى الأنسجة ، يتم امتصاصه أو تشتثته. يرجع الامتصاص إلى جزيئات امتصاص الضوء بقوة الكروم ، مثل الهيموجلوبين وتشتت الماء في بنية الأنسجة مثل أغشية الخلايا وطبقاتها. يحتوي قياس FNIR النموذجي على وحدة قياس تحتوي على مصادر ضوء وكاشفات.

عندما ينشط مصدر الضوء ، يتم إدخال الضوء فوق فروة الرأس ، ويخترقها ويسافر في جميع الاتجاهات في الأنسجة ويفقد شدته أثناء انتقاله ، ويعود بعض الضوء إلى السطح بسبب التشتت المتسلسل المتعدد ويتم تسجيله بواسطة الكاشف ، والفوتونات التي تصل إلى الكاشف تنتقل في الواقع عبر حجم على شكل موزة. توفر القياسات في الكاشف معلومات حول هذا الحجم بين مصدر الضوء والكاشف. يطلق على زوجين اسم oid ، عمق الاختراق ، بمعنى آخر ، انحناء الموز هو دالة على المسافة بين مصدر الضوء والكاشف.

هذا هو السبب في أن هندسة مستشعر FNIR هي المفتاح في التصميم. اعتمادا على نوع قياسات المهمة المعرفية والقياس من قشرة الفص الجبهي ، عادة ما يكون فصل البصر من 2.5 سم إلى ثلاثة سنتيمترات. في هذه الدراسة ، استخدمنا أجهزة FNIR موديل 1000.

يعتمد ذلك على تصميمات Chance والزملاء في التسعينيات وتم تطويره بشكل أكبر في مختبر التصوير البصري للدماغ بجامعة Drexel. لا تعتمد هذه الأداة على الألياف أو أدلة الضوء لربط البصريات مع الجلد. وبالتالي ، فهو أسهل في الإعداد وأكثر راحة للجلسات الطويلة وأقل عرضة للقطع الأثرية الحركية.

ومع ذلك ، تم تصميم هذا المستشعر خصيصا للكشف عن التنشيط القشري لقشرة الفص الجبهي الظهرية الجانبية الموجودة تحت الجبهة ولا يمكن استخدامها في مناطق الرأس الأخرى بسبب تداخل الشعر. تحتوي لوحة مستشعر FNIR المستخدمة في الدراسة على أربعة صمامات ثنائية باعثة للضوء تضيء ضوءا غير متماسك عند 730 نانومتر و 850 نانومتر. هناك 10 أجهزة كشف للصور ومصابيح LED المضيئة بترتيب تسلسلي ، إلى جانب استخدام أجهزة الكشف المحيطة 16 موقعا للقياس.

يتم أخذ عينات من الصناديق في كل عملية فحص. يتضمن ذلك قياس شدة الضوء لطولين موجيين مختلفين وأيضا قياسا مظلما للضوء المحيط ، بإجمالي ثلاث قنوات لكل موقع قياس ، لذلك في المجموع ، هناك 48 قناة مسجلة من المسح. يتم وضع لوحة المستشعر على جبهة جانب الهدف.

يجب أن يكون المرء على يسار الموضوع والجانب الثاني. على الجانب الأيمن من الموضوع ، يجب وضع المستشعر فوق الحاجبين مباشرة ويجب أن يكون في المنتصف عموديا. يمر خط التماثل الرأسي الوهمي عبر خط الوسط للجبهة ثم الأنف.

يتزامن الخط المركزي لمنصات الاستشعار مع خط الوسط للجبهة والأنف. بمجرد وضع وسادة المستشعر ، يتم سحب الكابلات على الجانبين وتوصيلها في الجزء الخلفي من الرأس. مع تثبيت الكبل بالمشبك ، من الأهمية بمكان التحقق من أن وسادة المستشعر مقترنة بشكل صحيح بالجلد وعدم وجود نتوءات أو مسافات بين البصريات والجلد.

تتمثل إحدى الطرق الجيدة للتحقق من وجود اقتران مناسب في الضغط قليلا على وسادة المستشعر والشعور بما إذا كان الوضع يتغير مع الضغط. في بعض الأحيان ، يمكن وضع عصابة رأس أو قطعة قماش مرنة و / أو صلبة ، مثل شريط تنس أو باندانا ، فوق مستشعر FNIR لتأمين اقتران البصريات بالجلد. بعد موضع المستشعر ، يجب التحقق من الإشارات في جميع القنوات عن طريق بدء الحصول على البيانات أولا ، يجب توصيل لوحة المستشعر بصندوق التحكم في أجهزة FNIR.

يجب توصيل الجهاز بالكمبيوتر عن طريق كابل USB ، ويجب تشغيل كلا النظامين. بعد ذلك ، قم بتشغيل Kobe Studio على الكمبيوتر من خلال النقر على الاختصار في الجزء الأيسر ، وانقر فوق رابط بدء تشغيل الجهاز الحالي. إذا كانت الإعدادات صحيحة، فسيعرض جزء الرسائل أن الجهاز قد تم بدء تشغيله وستعرض الرسوم البيانية الإشارات التي تم الحصول عليها حديثا.

تعتمد مستويات الإشارة على تيار LED وإعدادات الكسب. القاعدة الأساسية الجيدة هي أن تكون هذه المعلمات أعلى من 700 مللي فولت وأقل من 4000 مللي فولت. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون الإشارات مستقرة.

قد يشير الكثير من الاختلافات والمسامير إلى اقتران المستشعر غير الصحيح أو مشاكل في اتصال الكابلات أو الأجهزة. في بعض الحالات ، قد يتم وضع قناة أو قناتين جانبيتين ، واحدة واثنتان على اليسار و 15 و 16 على اليمين على الشعر وتكون قيم إشارتها منخفضة جدا. يمكنك فقط الاستمرار وإزالة هذه القنوات لاحقا في التحليل.

قد تحتاج إلى ضبط الإعدادات بناء على كل موضوع نظرا لأنه قد تكون هناك اختلافات فردية كبيرة بسبب الخصائص البصرية المختلفة للبشرة الفردية. لتغيير إعدادات الجهاز أولا ، انقر فوق إيقاف الجهاز الحالي. ثم انقر فوق خصائص الجهاز في الجزء الأيمن.

انتقل إلى علامة التبويب إعدادات الحصول على البيانات في مربع الحوار. إذا كنت ترغب في زيادة قيم الإشارة أولا ، فقم بزيادة القيمة الحالية لمؤشر LED. تعني الزيادة في القيمة الحالية لمؤشر LED أن مصابيح LED ستتألق بشكل أكثر إشراقا.

إذا كنت ترغب في درجة مستويات الإشارة أولا ، فقم بتقليل الكسب. يتم استخدام قيمة الكسب الأولي لجميع الفوكسيل. بعد تعيين القيم، انقر فوق حفظ ثم انقر فوق ابدأ.

الجهاز الحالي لبدء الحصول على البيانات بمعلمات محددة حديثا ، من الشائع والمفيد أيضا استخدام العلامات لتحديد أحداث معينة أثناء التجارب. هناك نوعان من العلامات ، يدوي وتلقائي. يتم إنشاء العلامات اليدوية عن طريق نقرات الأزرار على النافذة الرئيسية ل K ، ويتم وضع علامة عليها بالوقت وحفظها ببيانات FNIR.

يتم تلقي العلامات التلقائية من جهاز خارجي أو برنامج كمبيوتر لتلقي علامات تلقائية أثناء إيقاف الجهاز. انتقل إلى إعدادات الجهاز الموجودة في الجزء الأيسر وضمن علامة تبويب إعدادات المزامنة ، تحقق ، واستمع إلى العلامات. المنفذ التسلسلي هو طريقة مقترحة لاتصال العلامة.

تحقق من تعيين رقم المنفذ التسلسلي إلى رقم منفذ صالح على الكمبيوتر. ثم يمكن إرسال برامج التحفيز مثل ePrime أو May Suite لإرسال العلامات حسب القيم التي يتم استلامها ووضع علامة عليها وحفظها جنبا إلى جنب مع بيانات FNIR على هذا الكمبيوتر. إشارات FNIR الأولية هي إشارات السلاسل الزمنية التي تكون شدة الضوء.

يمكن إزالة الضوضاء الموجودة في البيانات قبل أو بعد تحويل الضوء الخام. قوة. قيم الأكسجين يجب التخلص من البيانات غير ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية مثل التنفس ونبض القلب وضوضاء المعدات من قياسات FNIR الخام. عادة ما يكون للمكون المرتبط بمعدل ضربات القلب ذروة تبلغ حوالي 0.5 هرتز أو أعلى ، ويتراوح التنفس بين 0.2 هرتز إلى 0.4 هرتز للقضاء على هذه القطع الأثرية الفسيولوجية.

يتم استخدام استجابة النبضات المحدودة ومرشحات التمرير المنخفض للطور الخطي. قد تتلف الإشارات أيضا بواسطة القطع الأثرية للحركة. عندما تنزلق مصادر ضوء مستشعر FNIR و / أو أجهزة الكشف من موقعها الأصلي المرفق أو تفقد الاتصال بالجلد بسبب حركة الرأس ، يمكن أن يحدث انفجار أو طفرات مفاجئة غير متوقعة في قياسات FNIR.

علاوة على ذلك ، إذا فقد مصدر الضوء الاقتران بالجلد ، فقد يسجل الكاشف إما قيما منخفضة جدا حيث قد لا يمر أي ضوء نحوه أو شدة عالية للغاية وتشبع مؤقت بسبب الضوء المنعكس من سطح الجلد. قد تحدث تأثيرات تشبع مماثلة إذا انفجر الكاشف وفقد الاتصال بالجلد. يمكن أن يؤدي التسبب في تسرب الضوء المحيط لحركة الرأس إلى حدوث تغييرات في الضغط المطبق على لوحة المستشعر أو على مصادر الضوء وأجهزة الكشف.

قد تسمح هذه التغييرات لمزيد من الفوتونات بالدخول إلى الأنسجة ، وبالتالي تغيير شدة الضوء المكتشفة مؤقتا. بخلاف مجرد الفحص المرئي للبيانات بحثا عن القطع الأثرية المحتملة للحركة ، هناك عدد متزايد من خوارزميات الكشف عن القطع الأثرية المتحركة وإزالتها لأتمتة العملية والقضاء على ذاتية خوارزميات إزالة القطع الأثرية في الأدبيات من مرشحات تمرير منخفض وتمرير VAM إلى تحليل المويجات من تحليل المكونات المستقل أو الأساسي: إلى التصفية المثلى مثل مرشحات wiener التكيفية ومرشحات رعاة البقر أنظمة الموجات المستمرة. يتم تحويل إشارات FNIR الخام إلى تغيرات الأكسجين النسبية باستخدام قانون لامبرت المعدل.

الكثافة الضوئية عند طول موجة إدخال محدد هي النسبة اللوغاريتمية لشدة ضوء الإدخال وشدة ضوء الإخراج OD ترتبط أيضا بتركيز ومعامل امتصاص قوة الكروم ، والمسافة المصححة لمصدر الضوء والكاشف بالإضافة إلى عامل توهين ثابت له نفس شدة ضوء الإدخال في حالتين زمنيتين مختلفتين. يمكن كتابة الفرق في OD من حيث قيم شدة الضوء المكتشفة فقط. عادة ما يكون الطولان الموجيان المختاران أحدهما في حدود 700 إلى 900 نانومتر حيث يكون امتصاص أوكسي هيموغلوبين وديوكسي هيموغلوبين هو السائد مقارنة بكروموفور الأنسجة الأخرى واثنان أسفل والآخر فوق iso التشنجي ، وهو ما يقرب من 805 نانومتر حيث تتقاطع أطياف امتصاص الديوكسي وأوكسي هيموغلوبين مع بعضهما البعض.

يمكن ضبط هذه المعادلة لحل التركيزات إذا كانت المصفوفة اثنين في اثنين غير معنوية. بعد التغيرات النسبية لقيم الهيموجلوبين المؤكسج وغير المؤكسج. الخطوة التالية هي استخراج الميزات اعتمادا على البروتوكول التجريبي والمهمة المعرفية المستخدمة.

يستخدم استخراج الميزات بشكل شائع لتقليل كمية البيانات وإجراء مقارنات بين المهام المعرفية المختلفة ومجموعات الموضوعات والمواقع التشريحية باستخدام التحليل الإحصائي. تتضمن الميزات شائعة الاستخدام الحد الأقصى للمتوسط أو القيمة المتوسطة للهيموجلوبين المؤكسج وغير المؤكسج ووقت التفاعل ، وهو الوقت المنقضي حتى الوصول إلى الحد الأدنى أو الحد الأقصى. يمكن استخراج هذه الميزات ضمن استجابة ديناميكية دموية مستحثة لبعض المحفزات المعرفية التي يتم الحصول عليها من خلال استخدام نماذج تجربة واحدة أو مع حقبة بيانات أو كتلة من البيانات تتوافق مع ظروف معينة تنفذ من خلال تصميمات ونماذج تجارب الكتلة.

قد يتكون الجناح من ثلاثة مكونات يستهدف كل منها مرحلة معينة من التجربة. التصميم والتجريب والتحليل. يسمح Maze Maker للمستخدم بتصميم بيئة ثلاثية الأبعاد بسهولة لكل مرحلة من مراحل البروتوكول التجريبي.

يمكن إنشاء بيئات بسيطة في لحظات. أولا ، حدد مساحة الأرضية ثم استخدم أداة الحائط لتحديد حدود المتاهة. أخيرا ، ضع موضع بدء الموضوع ثم منطقة الخروج.

بعد الحفظ ، يمكن استخدام أداة التشغيل السريع لاختبار البيئة على الفور. يمكن إنشاء بيئات أكثر تعقيدا لتلبية متطلبات تصميم تجريبي معين. يمكن تخصيص البيئات من خلال إدخال الكائنات التفاعلية وعناصر التحكم في الإضاءة والتركيب.

باستخدام Maze List Builder ، يمكن إنشاء ملفات Mel وحفظها التي تجمع بين مجموعات معينة من المتاهات ورسائل المستخدم لاستخدامها كإجراءات تجريبية. يمكن استخدام وظيفة Masis لتنفيذ مستويات التصميم التجريبية المحددة التي يمكن ترتيبها بصعوبة متزايدة أو عشوائية كلوحة عمل أو مع التحكم مقابل المستويات التجريبية. يتم إجراء التجارب الفردية للتجربة من خلال استخدام برنامج Maze Walker.

تغيير الإعدادات في Maze Walker للمستخدمين بتحديد شروط التجربة بشكل أكبر. يمكن تغيير عنصر التحكم لقبول الإدخال من أجهزة مختلفة بما في ذلك لوحة المفاتيح والماوس وعصا التحكم. يمكن للأجهزة الخارجية الانخراط في اتصال ثنائي الاتجاه مع Maze Walker لجمع المعلومات أو إحداث تغييرات داخل البيئة.

يمكن التعامل مع اتصال الجهاز عبر T-C-P-I-P أو كابل تسلسلي ويمكن أن يتفاعل مع مجموعة متنوعة من الأجهزة بما في ذلك E-E-G-F-M-R-I و FNIR. خلال الجلسات ، قام ميس ووكر بتسجيل حركة الموضوع جنبا إلى جنب مع أي أحداث حدثت أثناء الجلسة. باستخدام برنامج Maze Analyzer ، يمكن عرض ملفات MACE مع مسار مستخدم مسجل للمراجعة.

يمكن تراكب مسارات مختلفة للمساعدة في التحليل ويمكن حساب المعلومات الإحصائية حول التجارب المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تصدير المعلومات التي تم جمعها إلى Excel أو MATLAB لمعالجة إضافية. يتضمن ذخيرتنا المعرفية مجموعة واسعة من الوظائف والقدرات التي يمكن الوصول إليها من خلال استخدام مجموعة متنوعة من المهام ، بما في ذلك الملاحة المكانية الافتراضية ، وتنشيط متاهات الدماغ ، وتختلف الأنماط في القشرة الأمامية عن أداء المهمة الجديدة الأولية بعد الممارسة ، وأثناء الاستبقاء.

باستخدام FNIR والتركيز على قشرة الفص الجبهي ، فإننا نستفيد من وظيفة PFC ، وخاصة الوظيفة التنفيذية ، وتنظيم الوظيفة المعرفية أثناء العمل ، واستخدام PFC أثناء مهام حل المشكلات واستخدام هياكل عالية المستوى مع الحفاظ على عناصر متعددة في الذاكرة العاملة. يعد تنظيم الممارسة عند تعلم مهام متشابهة متعددة ظاهرة تعليمية تسمى تأثير التداخل السياقي. تكون آثار التداخل السياقي واضحة عندما يكتسب الأفراد مهام متعددة في جداول تدريب مختلفة.

يتم إنشاء تداخل سياقي عال عندما يتم تقديم المهام المراد تعلمها بترتيب غير متسلسل غير متوقع. يتم إنشاء ممارسة كتلة التداخل السياقي المنخفض عندما يتم تقديم المهام المراد تعلمها بترتيب يمكن التنبؤ به. أجرى كل منها 315 تجربة اكتساب ، و 105 تجارب لكل من المتاهات الثلاث على مدار ثلاثة أيام ، الاثنين والأربعاء والجمعة.

في يوم الاثنين التالي ، بعد 72 ساعة من الاستحواذ ، تم إجراء 30 تجربة احتفاظ و 20 عملية نقل بترتيب عشوائي. تم رصد نشاط مركبات الكربون المشبعة بالفلور خلال جميع المراحل ل 16 موقعا مرجعيا. تضمن استخدام المقاييس المعتمدة على FNIR التغيرات النسبية في متوسط المقاييس المؤكسجة والهيموجلوبين والمقاييس السلوكية للوقت الإجمالي والمسار والطول ومتوسط السرعة للمتاهات.

تظهر نتائج السلوك أنه بالنسبة لكلا الأمرين من الممارسة ، هناك اتجاه تنازلي رتيب لوقت المتاهة ، وهو الوقت الإجمالي اللازم لإكمال المتاهة مما يشير إلى أنه أثناء ممارسة المشاركين ، أكملوا المتاهة في فترات زمنية أقصر ، وهو أمر متوقع للتقييمات السلوكية للتعلم. بالإضافة إلى ذلك ، تزداد سرعة المتاهة ، وهي متوسط السرعة التي يتنقل بها المشاركون في المتاهة مع الممارسة. مرة أخرى ، من المتوقع حدوث تحسن في المقاييس السلوكية بمرور الوقت كاستنتاجات للتعلم لهذه النتائج.

هناك مقارنة جنبا إلى جنب بين الممارسة العشوائية مقابل الكتلة لكل مهمة نقل لمهمة النقل الأسهل. تفوقت ممارسة البلوك الأربعة على الممارسة العشوائية. ومع ذلك ، بالنسبة لمهمة النقل الأكثر صعوبة ، المتاهة الخامسة ، كانت الممارسة العشوائية متفوقة على كتلة متوسط المؤكسج.

تشير تغيرات تركيز الهيموجلوبين أثناء تجارب الممارسة إلى أن الترتيب المحظور يتطلب تنشيطا أعلى للدماغ مقارنة بالترتيب العشوائي. بالإضافة إلى ذلك ، عند المقارنة ضمن أمر الممارسة لتعلم الترتيب المحظور ، تتطلب مهمة جديدة ، كما هو الحال في مرحلة النقل ، تنشيطا أعلى للدماغ. بالنظر إلى أن ترتيب الممارسة كان مختلفا بالنسبة للمهام التي تم تعلمها بالفعل.

بالنسبة للمشارك الذي تعلم المهمة بترتيب محظور ، قد يكون ترتيب الممارسة العشوائي الطبقي هذا جديدا بما يكفي ليتطلب جهدا إضافيا وموارد معرفية لأداء المهمة. علاوة على ذلك ، بالنسبة لترتيب الممارسة العشوائية ، لم تكن مرحلة نقل التنشيط العصبي أعلى من مرحلة الاستبقاء. في الختام ، أظهرت هذه الدراسة الاستكشافية استخدام May suite و FNIR لدراسة الجوانب السلوكية العصبية للتعلم في التنقل المكاني.

يتيح May Suite تصميم وتطبيق بيئات ثلاثية الأبعاد بسيطة بواجهة رسومية سهلة الاستخدام ، ويسجل تلقائيا المقاييس السلوكية للمقارنات داخل الموضوع أو عبر الموضوع. FNIR هي أداة محمولة وآمنة وغير جراحية لمراقبة الدماغ تم استخدامها في المختبرات السريرية والبيئات الطبيعية لدراسة تنشيط الدماغ. نأمل أن يكون هذا العرض مفيدا في شرح هذه الأدوات.

حظا سعيدا في تجاربك.