Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder & Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie

Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie oder F-nears ist eine Methode zur Messung der hämodynamischen Antwort, die mit der neuronalen Aktivität im Gehirn verbunden ist, indem Nahinfrarot-Laserquellen und -detektoren oder Optoden auf dem Kopf des Probanden platziert werden. Wenn Neuronen in einem bestimmten Hirnareal ihre Aktivität erhöhen, steigt auch ihr Sauerstoffverbrauch. Dies fördert wiederum einen erhöhten Blutfluss in das aktive Hirnareal.

Da sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Blut unterschiedliche optische Absorptionseigenschaften aufweisen, können die außen am Schädel angebrachten Optoden diese subtilen Änderungen überwachen. Diese Änderungen korrelieren mit der zugrundeliegenden Hirnaktivität, und das Wahrscheinlichkeitsmuster der Photonen zwischen der Quelle und dem Detektor hat eine bananenförmige Gestalt. Je näher die Quelle und der Detektor angeordnet sind, desto besser ist die räumliche Auflösung; je weiter sie voneinander entfernt sind, desto größer ist die Eindringtiefe.

Hallo, ich bin Yuli Coman vom kognitiven Neurowissenschafts- und Bildgebungslabor von Dr. Laura und Petito sowie vom Labor von Gene zur Mehrsprachigkeit und kindlichen Entwicklung am Department für Psychologie der University of Toronto. Und hallo, ich bin Dr. Laura Ann Petito. Heute werden Dr. Lauren Petito, Mark Linsky, Melody Barens und ich gemeinsam die Methode zur Datenerfassung und -analyse mittels funktioneller nahinfraroter Spektroskopie demonstrieren.

Wir verwenden dieses Verfahren in unserem Labor, um die Sprach- und Gehirnentwicklung von Säuglingen, Kindern und Erwachsenen zu untersuchen. Beginnen wir also. Bereiten Sie den für die Studie vorgesehenen Raum vor der Ankunft des Teilnehmers vor.

Entfernen Sie überflüssige Gegenstände, die für den Teilnehmer ablenkend wirken könnten. Wenn der Raum vorbereitet ist, richten Sie das experimentelle Protokoll am F Ns Hitachi ETG 4,000-System ein und laden Sie es wie bei einer FMRI. Dieses F NS-System bewertet die hämodynamische Antwort.

Das heißt, es bewertet den Blutfluss zu den Gehirnregionen, die aktiv an der jeweiligen Aufgabe beteiligt sind. F N'S weist zahlreiche Vorteile gegenüber FMRI auf. Beispielsweise ist es geräuschlos, tragbar und erfordert keine Eingrenzung in ein enges Rohr.

Wichtig ist, dass das System es uns ermöglicht, wache und verhaltensaktive Säuglinge und Kleinkinder zu beobachten. Die zeitliche Auflösung von F N ist vergleichbar mit der von FMRT, und die Abtastrate ist deutlich höher. Das Hitachi ETG 4,000 erfasst Daten mit 10 Hertz.

Daher ist f nears optimal, um Gehirnaktivität über die hämodynamische Antwort zu messen. Experimentelle Paradigmen können mit unterschiedlicher Präsentationssoftware programmiert werden, in dieser Studie verwenden wir jedoch ePrime. Da die Zeitgenauigkeit für die Datenanalyse entscheidend ist, muss das experimentelle Paradigma exakt zeitlich abgestimmt sein.

Beim Datensammeln verfügt das EF-Nurse-Hitachi-ETG-4,000-System über Triggereigenschaften, wodurch das experimentelle Paradigma die Datensammlung auslösen kann oder umgekehrt. Hier zeigen wir das Auslösen über den parallelen Port. Das Auslösen kann auch über serielle oder USB-Ports erfolgen, um das Auslösen des Präsentationsprogramms vom FNers-Hitachi-ETG-4,000-System zu testen.

Nach der Überprüfung ist man bereit für die Ankunft des Teilnehmers. Bevor das Experiment beginnen kann, muss der Teilnehmer, dessen Elternteil oder gesetzliche Vertreter eine Einverständniserklärung unterschreiben. Anschließend wird ein Sprachtest durchgeführt.

Nachdem das Einwilligungsformular unterschrieben wurde, wird der Teilnehmer in der Nähe des F NS-Testsystems platziert. Die Position des Teilnehmers ist entscheidend, um das F Ns-Aufzeichnungsprotokoll zu standardisieren. Um eine konsistente Dateninterpretation zu ermöglichen, sollte der erwachsene Teilnehmer oder ein älteres Kind bequem auf einem Stuhl sitzen.

Babys und kleine Kinder sollten am besten auf dem Schoß der Mutter sitzen. Sobald sie richtig platziert sind, kann mit der Platzierung der Opto-Sensoren fortgefahren werden. Eine genaue Platzierung der Opto-Sensoren ist ebenso wichtig wie die Positionierung der Teilnehmer, um die Aufnahmeprotokoll für F Ns zu standardisieren.

Um sowohl eine präzise neuroanatomische Platzierung der Sonden als auch die Bestätigung der interessierenden Regionen zu erreichen, verwenden wir das internationale 10-20-System zur Elektrodenplatzierung. Wir werden das Verfahren für Erwachsene demonstrieren. Dasselbe Vorgehen gilt für alle Altersgruppen, einschließlich Säuglinge, Kinder und Erwachsene. Beginnen Sie damit, die folgenden Kopfmaße mit einem Maßband zu nehmen und sie auf dem Datenerfassungsbogen des Probanden zu dokumentieren.

Zunächst messen und notieren Sie die Distanz von Nain zu Indian rundherum, anschließend messen und notieren Sie die Distanz von Nain zu Indian über die Oberseite. Danach messen und notieren Sie die Distanz von Ohr zu Ohr über die Oberseite. Chirurgisches Klebeband kann verwendet werden, um bestimmte Zielpositionen zu markieren. In diesem Experiment werden wir die Positionen FP T drei, T vier sowie F acht F sieben markieren.

Schließlich werden die Opto-Arrays entsprechend den Versuchszielen an spezifischen 10-20-Punkten am Kopf der Versuchsperson befestigt, was nun durch die Platzierung von chirurgischem Klebeband markiert ist. Achten Sie darauf, dass die Glasfasern locker herabhängen und weder mit dem Körper der Versuchsperson noch mit dem Stuhl in Kontakt kommen. Bei der Arbeit mit Kindern und Säuglingen empfehlen wir, einen Cartoon abzuspielen und eine zusätzliche Person zur Unterhaltung des Kindes bereitzuhalten.

Während des Verfahrens zur Platzierung der Sonde sicherstellen, dass digitale Fotos der Sondenpositionen zur weiteren Überprüfung gemacht werden, um die stereotaktische Lokalisation der Sondenkappe auf dem Schädel des Teilnehmers zu bestätigen. Die 3D-Verfolgungsinformationen werden mit einem Polhemus-Fast-Track-System gewonnen. Diese Informationen werden anschließend auf eine anatomische MRT-Ko-Registrationsaufnahme des Teilnehmers überlagert, die mit Vitamin-E-Kapseln an jeder Sondenposition durchgeführt wurde. Sobald die Optoden auf der Kopfhaut des Teilnehmers platziert sind, wird die Signalqualität geprüft.

Wenn ein Opto kein klares Signal aufweist, weisen beispielsweise flache Linien darauf hin, dass die Optos nicht gut verbunden sind. Entfernen Sie vorsichtig die Haare an der Verbindung zwischen dem Opto und der Kopfhaut. Gelegentlich müssen die Optos mit einem Alkoholtupfer abgewischt werden.

Nachdem überprüft wurde, dass alle Optos klare Signale aufweisen, beginnt das Experiment. Es müssen mindestens zwei Experimentatoren während der Durchführung stets anwesend sein.

Erstens, um das F nahe dem Hitachi ETG 4,000 Echtzeit-Display zu beobachten, und zweitens, um den Teilnehmer zu beobachten. Wir empfehlen dringend, eine Videokamera auf den Teilnehmer gerichtet zu haben, um nachträgliche Beobachtungen nach dem Gespräch durchführen zu können. In diesem Experiment werden Sie die Laute ba da hören.

Also jedes Mal, wenn Sie „da“ hören, möchte ich, dass Sie mit dem Zeigefinger diesen Knopf drücken. Ba BB da BB. Okay. Sie werden auf den Bildschirm schauen und Wörter sehen.

Einige davon werden echte Wörter sein und einige werden falsche Wörter sein, und Sie müssen lediglich die Wörter lesen, die Sie sehen. In Ordnung? Gut. Gut. Jetzt beginne ich, wenn Null weg Schatten kalt. Eine F nahe Studie kann visuelle oder auditorische experimentelle Paradigmen verwenden.

Das System ist vollständig geräuschlos und daher ideal für auditorische Experimente geeignet. Die Teilnehmer sollten Kopf und Oberkörper ruhig halten, was jedoch nicht ausschließt, dass sie eine verbale oder manuelle Antwort geben. Sobald alle Daten gesammelt wurden, werden die Optos vom Teilnehmer entfernt.

Der Teilnehmer wird für seine Zeit und Bereitschaft zur Teilnahme bedankt und verlässt das Labor. Die vom Hitachi ETG 4,000 erfassten Daten werden auf einen anderen Computer zur Datenanalyse exportiert. Das Hitachi ETG 4,000 misst die Streuung und Absorption von nahinfrarotem Licht, aus denen die Änderungen der Konzentration von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin als Indikatoren neuronaler Aktivität berechnet werden.

Daher müssen die rohen Dämpfungswerte, die in Mikrovolt gemessen werden, in Werte für oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin umgerechnet werden. Unter Verwendung der modifizierten Beer-Lambert-Gleichung finden Sie in unserem schriftlichen Protokoll detaillierte Erklärungen, wie diese Gleichungen angewendet werden. Eine typische hämodynamische Reaktion führt zu mehreren charakteristischen Merkmalen in der Reaktion des oxygenierten Hämoglobins.

Zunächst tritt eine charakteristische Delle auf. Diese Delle entsteht, wenn ein Bereich von Neuronen aktiviert wird und den verfügbaren Sauerstoff verbraucht, während der Blutfluss zunimmt und sauerstoffreiches Hämoglobin heranführt; die Oxyhämoglobin-Antwort steigt daraufhin schnell über die anfänglichen Grundwerte auf ein stabiles Niveau an. Wenn der Bereich nicht mehr aktiviert wird, nimmt die Oxyhämoglobin-Antwort innerhalb der nächsten 12 bis 15 Sekunden ab und sinkt langsam wieder auf das Ausgangsniveau zurück.

Gelegentlich tritt ein Unterschwingen auf, bevor die hämodynamische Antwort auf die anfänglichen Basiswerte zurückkehrt. Im Gegensatz dazu sind atypische oder schlechte Ergebnisse gewöhnlich auf ODS zurückzuführen, die nicht richtig auf der Kopfhaut sitzen, oder auf übermäßige Bewegungen. Sowohl die Oxy- als auch die Deoxy-Antworten bewegen sich koordiniert.

Dies wird durch das Schütteln der Glasfaser demonstriert. Wir haben Ihnen soeben gezeigt, wie man die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie verwendet, um die Sprachentwicklung bei Säuglingen, Kindern und Erwachsenen zu untersuchen, eine Methode, die hier an der University of Toronto von Dr. Lauren Petito und ihrem Forschungsteam entwickelt wurde.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens sind vier Dinge wichtig. Erstens: Stellen Sie sicher, dass der Raum sauber und aufgeräumt ist, um die Teilnehmer nicht abzulenken. Zweitens: Stellen Sie sicher, dass das Computersystem ordnungsgemäß funktioniert, bevor der Teilnehmer eintrifft.

Punkt drei: Stellen Sie sicher, dass die Odeolen korrekt gemäß dem 10-20-System positioniert sind. Und Punkt vier: Untersuchen Sie Signalartefakte und analysieren Sie Ihre Daten korrekt. Wenn das NER-System richtig angewendet wird, ermöglicht es Ihnen, die Geheimnisse des menschlichen Gehirns zu entschlüsseln.

Wenn Sie Fragen haben, zögern Sie bitte nicht, mich zu kontaktieren. Laura am Petito an der University of Toronto. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.