Qualitative und vergleichende kortikale Aktivitätsdatenanalysen aus einem funktionellen Nahinfrarot-Spektroskopie-Experiment unter Anwendung des Blockdesigns

Summary

Wir beschreiben die Analyse eines kontinuierlichen funktionellen Nahinfrarot-Spektroskopie-Experiments mit einem Blockdesign mit einer sensomotorischen Aufgabe. Um die Zuverlässigkeit der Datenanalyse zu erhöhen, verwendeten wir das qualitative allgemeine lineare modellbasierte statistische parametrische Mapping und die vergleichenden hierarchischen Mischmodelle für Mehrkanalmodelle.

Abstract

Neuroimaging-Studien spielen eine zentrale Rolle bei der Beurteilung von prä- vs. postinterventionellen neurologischen Erkrankungen wie rehabilitation und chirurgischer Behandlung. Unter den vielen Neuroimaging-Technologien, die zur Messung der Gehirnaktivität verwendet werden, ermöglicht die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) die Bewertung dynamischer kortikaler Aktivitäten durch Messung der lokalen Hämoglobinspiegel ähnlich der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Aufgrund der geringeren körperlichen Einschränkung in fNIRS können auch mehrere Varianten sensomotorischer Aufgaben bewertet werden. Viele Labore haben verschiedene Methoden zur fNIRS-Datenanalyse entwickelt; Trotz der Tatsache, dass die allgemeinen Prinzipien die gleichen sind, gibt es keine universell standardisierte Methode. Hier stellen wir die qualitativen und vergleichenden Analysemethoden von Daten aus einem Mehrkanal-fNIRS-Experiment unter Verwendung eines Blockdesigns vor. Für die qualitative Analyse verwendeten wir eine Software für NIRS als massenunivariariaten Ansatz, der auf dem verallgemeinerten linearen Modell basiert. Die NIRS-SPM-Analyse zeigt qualitative Ergebnisse für jede Sitzung, indem der aktivierte Bereich während der Aufgabe visualisiert wird. Darüber hinaus kann der nicht-invasive dreidimensionale Digitizer verwendet werden, um die fNIRS-Kanalpositionen relativ zum Gehirn abzuschätzen. Um die NIRS-SPM-Ergebnisse zu bestätigen, kann die Amplitude der durch die sensomotorische Aufgabe induzierten Veränderungen des Hämoglobinspiegels statistisch analysiert werden, indem die Daten aus zwei verschiedenen Sitzungen (vor und nach der Intervention) desselben Studienteilnehmers mit einem mehrkanaligen hierarchischen Mischmodell verglichen werden. Mit unseren Methoden kann die Prä- vs. Post-Interventionsanalyse bei einer Vielzahl von neurologischen Störungen wie Bewegungsstörungen, zerebrovaskulären Erkrankungen und neuropsychiatrischen Störungen gemessen werden.

Introduction

Die Neurorehabilitation spielt eine wichtige Rolle bei der funktionellen Erholung nach sensomotorischen Störungen. Um die Mechanismen der neuroplastizitätsassoziierten funktionellen Erholung zu klären, wurden verschiedene Neuroimaging-Technologien wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), die Positronenemissionstomographie (PET), die Elektroenzephalographie (EEG) und die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) eingesetzt. Unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Obwohl die fMRT das typischste Gerät ist, wird sie von Magnetfeldern beeinflusst, hat hohe Kosten, hohe physikalische Einschränkungen und begrenzte ....

Protocol

Diese Studie wurde vom Institutional Review Board (IRB) der Fukuoka University, Japan (IRB Nr. 2017M017) genehmigt. Vor der Teilnahme gaben alle Patienten eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung ab.

1. Vorbereitung des fNIRS-Experiments

HINWEIS: Für dieses Experiment wurde ein mehrkanaliges, laserbasiertes NIRS-System mit kontinuierlicher Welle verwendet. Die Wellenlängen des Nahinfrarotlichts betrugen 780 nm, 805 nm und 830 nm, und die Abtastrate wurde auf 7,8 Hz festgelegt. Die zeitliche und räumliche Auflösung (Abstände zwischen Lichtemitter und Detektorsonde) lagen bei 0,13 s bzw. 3,0 cm.

1. Ste....

Results

Hier stellen wir die roboterassistierte Rehabilitation vor, an der unsere Gruppe derzeit arbeitet: die Biofeedback-Effekte auf das motorische Defizit der oberen Extremitäten bei Patienten mit akutem Schlaganfall. Wir schlossen 10 zustimmende Schlaganfallpatienten (Durchschnittsalter: 66,8 ± 12,0 Jahre; zwei Frauen und acht Männer) ein, die in unser Krankenhaus eingeliefert wurden. Im subakuten Schlaganfallstadium, mehr als 2 Wochen nach Beginn, bewerteten wir die motorische kortikale Akti.......

Discussion

In unserer Gruppe analytische Methoden für fNIRS haben wir neben der Durchführung einer bildgebenden Analysemethode durch qualitative t-statistischeMappings auch Pre- vs. Post-Intervention (robotergestützte Übung) mit der vergleichenden Mehrkanalanalyse verglichen. Für die qualitative Analyse verwendeten wir die NIRS-SPM-Software als massenunivariaten Ansatz auf Basis des verallgemeinerten linearen Modells. Die NIRS-SPM-Analyse zeigt qualitative Ergebnisse jeder Sitzung, indem der aktivierte Bereich während der .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-Digitalisierer-Software		TOPCON-NS-1000	Software Ver.1.50
NIRS-System
Roboter	CYBERDYNE-Eingelenk-Hybrid-Assitive		Gliedmaße (HAL-SJ)