Verwendung fiberlosen, Wearable fNIRS die Hirnaktivität in realen kognitiven Aufgaben Überwachen
December 2nd, 2015
Überwachung der Hirnaktivität außerhalb des Labors ohne körperliche Einschränkungen präsentiert methodische Herausforderungen. Ein fiberlose, tragbare funktionellen Nahinfrarotspektroskopie System (fNIRS) wurde verwendet, um die Gehirnaktivität während einer ökologischen prospektiven Gedächtnisaufgabe zu messen. Es wurde gezeigt, daß dieses System verwendet werden, um die Gehirnaktivität während der Nicht-lab basierte Experimente überwachen.
Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, die Verwendung eines faserigen, funktionellen Nahinfrarotspektroskopiesystems zur Überwachung von Veränderungen des Frontallappens, der hämodynamischen und der Oxygenierung zu bewerten, die durch eine kognitive Aufgabe induziert werden. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen zur Funktion des präfrontalen Kortex zu beantworten, die am besten in naturalistischen Umgebungen und nicht im Labor untersucht werden. Ner Leidende.
Die Vorteile des nicht-invasiven, tragbaren Wearables mit minimalen Einschränkungen machen es geeignet, die funktionelle Aktivierung des Gehirns bei frei beweglichen Probanden in naturalistischen Umgebungen, wie z. B. im Zentrum von London, zu überwachen. Diese Technik kann möglicherweise verwendet werden, um Anomalien des rostralen präfrontalen Kortex zu erkennen, die sich in naturalistischen Aufgaben, aber nicht im Labor bewähren. Es kann auch in klinischen Umgebungen wie der Neurorehabilitation eingesetzt werden, um die neuronale Wirkung von Trainingsverfahren zu untersuchen.
Die Demonstration des Verfahrens wird von einem Flossenleiter, einem Forschungsassistenten hier am UCL und Beth Wickler, Sarah Power, Doktorandinnen hier am UCL, demonstriert. Beginnen Sie damit, eine Kamera auf der Brust des Experimentators aufzustellen, um die Bewegungen des Teilnehmers zu verfolgen. Montieren Sie dann eine Kopfkamera an der funktionalen Nahinfrarotspektroskopie oder F in der Nähe der Schattierungskappe, die zum Schutz des Geräts vor Sonnenlicht und zur Verfolgung des Blickwinkels des Teilnehmers während des Experiments verwendet wird, bereiten Sie eine Kamera für den zweiten Experimentator vor und schalten Sie ihn ein, der dem ersten Experimentator und dem Teilnehmer während der gesamten Sitzung folgt. Reinigen Sie abschließend das F N'S-Headset mit einem Desinfektionstuch.
Lassen Sie den Teilnehmer vor Beginn des Experiments die Einverständniserklärung unterschreiben. Verwenden Sie das 10 20 System, um die Optos zu digitalisieren, und verwenden Sie die 10 20 Standardpositionen, um eine konsistente Platzierung des FNE R Headsets bei allen Teilnehmern zu erreichen. Markieren Sie Nasion und Ian mit einem abwaschbaren Marker und messen Sie den Abstand zwischen diesen beiden Punkten.
Markieren Sie dann den linken und rechten präaurikulären Punkt und messen Sie den Abstand über den Kopf zwischen diesen Punkten. Markieren Sie die FPZ- und FZ-Punkte basierend auf dem 10 20 System. Platzieren Sie als Nächstes das F Ns-Headset auf dem Kopf des Teilnehmers und richten Sie die Kanäle acht und neun auf die FPZ-fz-Linie aus und überlappen Sie.
Der neunte Kanal zur FPZ stellt sicher, dass die Sonde sicher am Kopf des Teilnehmers befestigt ist. Der Steuersatz der F N muss gut am Ende befestigt werden, um eine Verschiebung beim natürlichen Gehen zu verhindern, die zu Bewegungsartefakten führen kann, die die Messung beeinträchtigen. Platzieren Sie nach der Digitalisierung die Schattierungskappe mit der montierten Kopfkamera über dem F NS Headset.
Um das Gerät vor Sonnenlicht zu schützen, ist die Abwurfkappe notwendig, um das Risiko einer Sättigung der optischen Detektoren zu verringern, die durch Sonnenlicht verursacht wird. Erklären Sie dem Teilnehmer abschließend die experimentellen Regeln. Informieren Sie sie, dass kein Laufen erlaubt ist und dass sie sich innerhalb des ausgewiesenen Außenbereichs aufhalten müssen.
Gehen Sie nach draußen, um das Experiment zu beginnen. Drücken Sie zunächst den Netzschalter an der tragbaren Box und versetzen Sie die F ns in den drahtlosen Modus. Öffnen Sie dann die F NS-Erfassungssoftware auf dem F NS-Laptop und stellen Sie eine Verbindung mit der tragbaren Box her.
Drücken Sie die Sondeneinstelltaste, um die Verstärkung des Detektors an der Basis des erkannten Lichts zu optimieren. Drücken Sie anschließend die Bereitschaftstaste und beginnen Sie dann eine Minute lang mit der Datenerfassung. Prüfen Sie, ob auf den Konzentrationssignalen ein Heartbeat sichtbar ist, der eine gute Signalqualität gewährleistet.
Drücken Sie die Ein-/Aus-Taste an der tragbaren Box, um den Wireless-Modus auszuschalten. Drücken Sie außerdem die Ein-/Aus-Taste und die Modus-Taste an der tragbaren Box, um den F nears in den Standalone-Modus zu versetzen. Schalten Sie als Nächstes die Kopfkamera und die beiden Kameras des Experimentators ein.
Um mit dem Filmen zu beginnen, drücken Sie die Sondeneinstelltaste an der tragbaren F N'S-Box, um die Verstärkung des Detektors zu optimieren. Drücken Sie dann die Play-Stop-Taste an der tragbaren Box, um die Aufnahme des F N'S zu starten. Fügen Sie schließlich manuell eine Markierung zu den Daten des F N hinzu, indem Sie die Markierungstaste auf der tragbaren Box des F N in Verbindung mit einem Audioauslöser verwenden, der auf allen Videokameras deutlich aufgezeichnet werden muss.
Starten Sie dann das Experiment, um die Funktion des frontalen Kortex zu beurteilen, und lassen Sie den Teilnehmer eine perspektivische Gedächtnisaufgabe erledigen. Beginnen Sie damit, den Teilnehmer stationär auf einer Straße stehen zu lassen, auf der der Test durchgeführt wird, und zählen Sie die Anzahl der Reize auf einem Blatt Papier. Lassen Sie den Teilnehmer dann eine kurze Strecke in normalem Gehtempo gehen.
Lassen Sie den Teilnehmer für die Ausgangsbedingung um die Straße herumlaufen, auf der das Experiment durchgeführt wird. Lassen Sie den Teilnehmer als Nächstes durch den Versuchsbereich gehen und das Vorkommen bestimmter Gegenstände zählen, um den nicht kontaminierten Dauerzustand zu vervollständigen. Lassen Sie den Teilnehmer für die Gedächtnisbedingung der nicht-sozialen Perspektive jeder Parkuhr einen Fauststoß geben, wenn er sich einer bestimmten Entfernung von ihr nähert.
Gleichzeitig muss der Teilnehmer die Anzahl der Termine und Öffnungszeiten zählen, die an den Gebäuden angebracht sind. Lassen Sie den Teilnehmer als Nächstes für die Gedächtnisbedingung der sozialen Perspektive einem Konföderierten, der sich an vorher festgelegte Orte im Versuchsbereich begibt, einen Fauststoß geben. Lassen Sie den Teilnehmer gleichzeitig die Anzahl der Türklingeln zählen.
Lassen Sie den Teilnehmer dann die Anzahl der ungehinderten Treppen innerhalb des Testbereichs zählen, um den kontaminierten Dauerzustand zu vervollständigen. Wiederholen Sie die beiden Ruhebedingungen in umgekehrter Reihenfolge. Sehen Sie sich abschließend den synchronisierten Videostream an, und kommentieren Sie den Anfang und das Ende jeder experimentellen Bedingung der kognitiven Aufgabe.
Rufen Sie Zeitstempel für den Punkt ab, an dem jedes perspektivische Speicherziel erreicht wird. Verarbeiten Sie abschließend die F NS-Daten vor. Entfernen Sie physiologische Geräusche mit einem Bandpassfilter und korrigieren Sie Bewegungsartefakte.
Ein faseriges, tragbares funktionelles Nahinfrarot-Spektroskopiesystem wurde verwendet, um die Aktivität des frontalen Kortex während einer ökologischen prospektiven Gedächtnisaufgabe zu messen. Die auf der Hirnrinde gezeigten Farbkarten zeigen die Amplitudenänderungen der Konzentration von Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin über alle Messkanäle an, während der Teilnehmer soziale und nicht-soziale perspektivische Gedächtnisaufgaben ausführt. Dieses Profil hämodynamischer Veränderungen zeigt Inkremente des Oxyhämoglobins und Dekremente des Desoxyhämoglobins, die für die funktionelle Aktivierung typisch sind.
Dies zeigt sich als Reaktion auf nicht-soziale und sozialperspektivische Gedächtnisaufgaben. Höheres Oxyhämoglobin steigt an und Desoxyhämoglobin sinkt in die soziale Perspektive. Gedächtnisaufgaben sind sowohl im linken als auch im rechten präfrontalen Kortex lokalisiert, während ähnliche hämodynamische Veränderungen bei nicht-sozialen perspektivischen Gedächtnisaufgaben hauptsächlich im linken präfrontalen Kortex lokalisiert sind.
In diesem Video haben wir gezeigt, wie man funktionelle Experimente mit einem tragbaren tragbaren Gerät durchführt, um die Gehirnaktivität für lebensbezogene kognitive Aufgaben zu bewerten. So kann das aktuelle Experiment bis zu einer Stunde und 30 Minuten dauern, was sowohl den experimentellen Aufbau als auch die Durchführung der Funktionsaufgabe beinhaltet. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Instrumentierung zu stabilisieren und zu schützen und alle Aufnahmen zu synchronisieren.
Die prozentualen Ergebnisse sind vorläufig und beziehen sich auf einen Teilnehmer. Statistische Analysen sind erforderlich, um die Funktionsaktivierung zu lokalisieren. Neben der Analyse einer größeren Stichprobe, indem nach diesem Verfahren mehr Teilnehmer einbezogen werden, muss die Analyse der Videoaufzeichnungen durchgeführt werden, um funktionelle Ereignisse wiederherzustellen.
Die Verhaltensanalyse der Videoaufzeichnungen kann uns helfen, die F-Nahen der Neurobildgebungsdaten mit der Leistung des Teilnehmers zu verknüpfen. Es ist auch möglich, systemische Veränderungen wie die Herzfrequenz zu überwachen und zu untersuchen, wie sich diese physiologischen Veränderungen auf unsere ethne Neurobildgebung auswirken können. Diese Technologie kann Forschern der kognitiven Neurowissenschaften den Weg ebnen, die Gehirnfunktion in naturalistischen und offenen Umgebungen zu untersuchen.
Überblick
Diese Studie bewertet ein faserloses, tragbares funktionelles Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) System zur Überwachung der Gehirnaktivität während ökologischer prospektiver Gedächtnisaufgaben. Die Methode ermöglicht eine nicht-invasive Messung der Aktivität des Frontallappens in natürlichen Umgebungen und liefert Einblicke in die Funktion des präfrontalen Kortex.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Neurowissenschaften
- Gehirnabbildung
- Kognitive Psychologie
Hintergrund
- Traditionelle Gehirnüberwachungsmethoden sind oft durch Laborumgebungen eingeschränkt.
- Tragbare fNIRS-Systeme können die Forschung in realen Umgebungen erleichtern.
- Das Verständnis der Funktion des präfrontalen Kortex ist entscheidend für die Analyse kognitiver Aufgaben.
- Nicht-invasive Techniken sind wesentlich für die Untersuchung frei beweglicher Probanden.
Zweck der Studie
- Um die Wirksamkeit eines tragbaren fNIRS-Systems bei der Messung der Gehirnaktivität zu bewerten.
- Um kognitive Aufgaben in natürlichen Umgebungen zu erforschen.
- Um mögliche Anomalien im präfrontalen Kortex während ökologischer Aufgaben zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Die Teilnehmer trugen ein tragbares fNIRS-Headset während kognitiver Aufgaben.
- Die experimentellen Bedingungen umfassten verschiedene Gedächtnisaufgaben in einer Outdoor-Umgebung.
- Die Datenerfassung beinhaltete die Überwachung hämodynamischer Veränderungen im Frontallappen.
- Videoaufnahmen wurden mit fNIRS-Daten synchronisiert, um sie zu analysieren.
Hauptergebnisse
- Das fNIRS-System überwachte erfolgreich die Gehirnaktivität während der Aufgaben.
- Farbkarten zeigten Veränderungen in den Konzentrationen von Oxyhämoglobin und Deoxyhämoglobin an.
- Die Ergebnisse demonstrierten die Machbarkeit der Verwendung von fNIRS in natürlichen Umgebungen.
- Einblicke in die Funktion des präfrontalen Kortex wurden aus den Daten gewonnen.
Schlussfolgerungen
- Das faserlose fNIRS-System ist effektiv für die ökologische Gehirnüberwachung.
- Diese Methode kann das Verständnis kognitiver Prozesse in realen Umgebungen verbessern.
- Zukünftige Anwendungen könnten klinische Umgebungen für die neurologische Rehabilitation umfassen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Fiberless wearable fNIRS enables real-time monitoring of prefrontal cortex activity during naturalistic cognitive tasks, offering a non-invasive, portable solution for assessing brain function in ecologically valid settings. This approach supports target validation and mechanistic de-risking by linking neural responses to behavioral outcomes in real-world contexts, reducing reliance on artificial laboratory paradigms. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing quantitative hemodynamic data that reflects functional activation during complex, ecologically relevant tasks such as prospective memory and social interaction.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of prefrontal cortex function during ecological prospective memory tasks, supporting target validation through real-world neural-behavioral correlations.
- Operational Value: Provides portable, minimally restrictive monitoring of hemodynamic changes in freely moving subjects, reducing environmental confounds.
- Predictive Value: Delivers quantitative oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentration changes as biomarkers of functional activation, aiding in target confidence assessment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, time-resolved hemodynamic readouts during standardized cognitive challenges, enabling assay-like monitoring of neural responses.
- Operational Value: Supports standardization via 10-20 system optode placement and motion artifact correction, enhancing data quality across sessions.
- Scalability: Wireless, fiberless design allows for repeated use across multiple participants and environments, facilitating high-throughput naturalistic screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges lab-based fNIRS findings to real-world cognitive performance, supporting biomarker alignment for prefrontal cortex function.
- Mechanistic De-risking: Enables detection of neural activation patterns during ecological tasks that may not emerge in controlled settings, reducing false negatives in target validation.
- Predictive Confidence: Links video-annotated behavioral events (e.g., fist bumps, object counting) to concurrent hemodynamic responses, strengthening causal inference in cognitive neuroscience.
Pipeline & Workflow Integration
Fiberless wearable fNIRS fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early neuroscience research to lead identification and preclinical validation, particularly for targets involving prefrontal cortex-dependent cognitive functions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of prefrontal cortex engagement during ecological prospective memory tasks, clarifying neural circuits underlying real-world cognition.
- Screening: Enables assay-ready, quantitative monitoring of hemodynamic changes with motion artifact correction, ensuring reliable neural readouts during ambulatory tasks.
- Analytics: Provides time-locked oxyhemoglobin/deoxyhemoglobin concentration data synchronized with video-annotated behavioral markers, enabling condition-specific functional activation analysis.
- Translational Research: Connects neural activity in naturalistic settings to behavioral outcomes, supporting continuity from discovery to preclinical models of cognitive function.
- Enterprise Reuse: The portable, wireless system serves as a reusable platform for multiple cognitive paradigms across diverse populations and environments.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers mechanistic insight into prefrontal cortex function during ecologically valid tasks, reducing ambiguity in target validation.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized optode placement, motion artifact correction, and synchronized multimodal recording.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing ecologically relevant neural data that better predicts real-world cognitive outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS targets based on functional neural responses in naturalistic contexts.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, cognitive task design, and multimodal data synchronization.
- Dependent on portable fNIRS hardware, acquisition software, and video recording systems for synchronized data collection.
- Necessitates cross-team standardization of optode placement (10-20 system), task protocols, and motion correction pipelines.
- Adaptation considerations include varying head sizes, environmental lighting (mitigated by shading cap), and task complexity across populations.
- Practical limitations include signal susceptibility to residual motion artifacts and the need for larger sample sizes to achieve statistical power, as noted in the source.
