Name: Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-24T12:30:00.000+00:00
Duration: 13 min 18 s
Description: Lernen Sie die simultane EEG- und fNIRS-Aufnahme zur Untersuchung neurokognitiver Prozesse bei der Flanker-Aufgabe. Diese Methode ermöglicht die Analyse von ereignisbezogenen Potentialen und hämodynamischen Reaktionen im präfrontalen Cortex.

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Diese Arbeiten wurden zum Teil im High Performance Computing Cluster (HPCC) durchgeführt, der vom Informations- und Kommunikationstechnologiebüro (ICTO) der Universität Macau unterstützt wird. Diese Studie wurde von MYRG2019-00082-FHS und MYRG 2018-00081-FHS Stipendien der University of Macau in Macau unterstützt und auch vom Science and Technology Development Fund, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 und FDCT 025/2015/A1) finanziert.

Vor den Experimentellen Tests unterzeichneten alle Teilnehmer Einwilligungsdokumente in Kenntnis der Sachlage. Das Protokoll für diese Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Macau genehmigt.
1. Hardware- und Softwareeinstellung für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen
<ol><li>Erstellen Sie eine Kopfkappe für gleichzeitige EEG-fNIRS-Aufnahmen.<ol>
<li>Wählen Sie die entsprechende Kappengröße entsprechend dem Kopfumfang der Teilnehmer aus. Verwenden Sie in dieser Studie eine mittelgroße Kappe, da sie für die meisten jugendlichen und erwachsenen Teilnehmer geeignet ist.</li>
		<li>Entwerfen Sie das Layout von fNIRS-Optoden zusammen mit der EEG-Kappe im präfrontalen Kortex (Abbildung 1).<ol>
<li>Platzieren Sie EEG-Elektroden im Mittelteil der fNIRS-Optoden, um die Messung der gleichen Hirnregion durch die beiden Techniken19,30zu gewährleisten. Aufgrund der geringen räumlichen Auflösung sowohl der EEG- als auch der fNIRS-Neuroimaging-Methoden platzieren Sie die Elektroden jedoch in den entsprechenden Hirnbereich, der von fNIRS-Optoden abgedeckt wird, und nicht in den genauen Positionen der fNIRS-Kanäle.</li>
			<li>Machen Sie 22 Löcher in der EEG-Kappe, um die fNIRS-Optoden im Einklang mit dem spezifischen Layout im präfrontalen Kortex zu halten. Identifizieren und markieren Sie die Positionen von fNIRS-Optoden entsprechend dem entworfenen Layout der Kopfkappe und stanzen Sie dann Löcher in die Kappe, um die Optoden zu platzieren und zu fixieren.</li>
			<li>Platzieren Sie 21 oder 71 EEG-Elektroden entlang der Oberfläche der EEG-Kappe (siehe Materialtabelle)nach dem 10-20 International System und montieren Sie die Gitter für die Optoden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Stellen Sie den Abstand zwischen den einzelnen Quellendetektorpaaren auf 3 cm fest und fixieren Sie dann die Optoden, in denen die blauen Optoden die Lichtdetektoren bezeichnen, während die roten die Laserquellen darstellen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Stellen Sie die EEG- und fNIRS-Ports in der Software ein.</li>
	<li>Verwenden Sie die Zeitauslöser, die über den parallelen und seriellen Port generiert werden, um die Synchronisierung von zwei verschiedenen Signalen sicherzustellen.<ol>
<li>Stellen Sie den Parallelanschluss (z. B. H378 in dieser Studie) für das EEG-System ein (siehe Materialtabelle).</li>
		<li>Stellen Sie den seriellen Anschluss (z. B. 6 9600 in dieser Studie) für das fNIRS-System ein (siehe Tabelle der Materialien). HINWEIS: Der Porttyp und die Nummer sollten in Bezug auf verschiedene EEG- und fNIRS-Setups geändert werden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die Hersteller.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Experimentelle Zubereitung
<ol><li>Erwärmen Sie das fNIRS-System mit eingeschalteten Lasern für 30 min.</li>
	<li>Stellen Sie alle notwendigen Betriebsparameter für das fNIRS-Messsystem ein.</li>
	<li>Zeigen Sie den Teilnehmern den verschmolzenen Versuchsaufbau einschließlich der EEG- und fNIRS-Messsysteme.</li>
	<li>Messen und markieren Sie den Cz-Punkt gemäß dem 10-20 International System. Identifizieren Sie die Elektrodenposition von Cz in der Hälfte des Abstands zwischen Inionen und Nasion und die Hälfte des Abstands zwischen dem linken und rechten interauralen Einkerbungen.</li>
	<li>Legen Sie zuerst den vorderen Teil der Kappe entlang der Stirn des Teilnehmers und ziehen Sie dann den hinteren Teil der Kappe in Richtung Hals nach unten.</li>
	<li>Überprüfen Sie die Positionen.<ol>
<li>Messen Sie den Abstand zwischen Cz und Inion und Nasion erneut mit einem weichen Lineal, und überprüfen Sie, ob er sich am Mittelpunkt befindet. Ebenso messen Sie den Abstand zwischen dem Cz und der linken und rechten interaural, und überprüfen Sie, ob sich der Cz in der Mitte befindet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereiten Sie sich auf die EEG-Aufnahmen vor. HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, zuerst die EEG-Elektroden und dann die fNIRS-Optoden einzurichten. Wenn EEG leitfähiges Gel die Löcher für die Platzierung von fNIRS-Optoden bedeckt, sollte es gereinigt werden, um die Kontamination von Optoden zu verhindern.<ol>
<li>Füllen Sie leitfähiges Gel, indem Sie eine stumpfe Nadel durch die Löcher des EEG-Elektrodengitters setzen.</li>
		<li>Legen Sie alle Elektroden entsprechend den Etiketten in das EEG-Elektrodengitter.</li>
		<li>Öffnen Sie die EEG-Software und prüfen Sie die Signalqualität von EEG-Elektroden.</li>
		<li>Stellen Sie die Elektrode durch Nachfüllen leitfähiges Gel nach, wenn die Signalqualität nicht gut genug ist, um die Anforderungen (40 mV) zu erfüllen.</li>
		<li>Stellen Sie die Elektrode durch Nachfüllen leitfähigen Gels nach, wenn die Impedanz die Anforderungen nicht erfüllen kann.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereiten Sie sich auf die fNIRS-Aufnahmen vor. Achtung: Setzen Sie die Augen der Teilnehmer nicht direkt dem Laserstrahl von fNIRS-Quellen aus.<ol>
<li>Platzieren Sie die optischen Fasern entlang der Halterarme, die am fNIRS-Messsystem sowie am Halter befestigt sind. Stellen Sie sicher, dass die Fasern sauber und ordentlich sind.</li>
		<li>Setzen Sie die optischen Quellen und Detektoren entsprechend dem Layout in die Löcher ein.</li>
		<li>Testen Sie die Signalqualität. Wenn ein Kanal kein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist (d. h., wenn der Kanal gelb markiert ist), überprüfen Sie vorsichtig das Haar des Teilnehmers, das die optischen Sonden umgibt, um sicherzustellen, dass zwischen der optischen Sonde und der Kopfhaut nichts existiert.</li>
		<li>Wenn Schritt 2.8.3 die Signalqualität nicht verbessern kann, schalten Sie die Signalintensität auf. Wenn zu viel Signal vorhanden ist (d. h., wenn der Kanal rot markiert ist), schalten Sie die Signalintensität herunter.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Führen Sie das Experiment aus
<ol><li>Starten Sie das Experiment, wenn die Signale mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis stabil sind und die Teilnehmer mit den Versuchsanweisungen vertraut sind. Verwenden Sie das klassische Flanker-Paradigma für den experimentellen Test29,31.</li>
	<li>Speichern und exportieren Sie nach dem Experiment die Daten aus EEG und fNIRS.</li>
	<li>Entfernen Sie EEG-Elektroden und fNIRS optische Sonden sorgfältig.</li>
</ol>4. Messung dreidimensionaler (3D) MNI-Koordinaten von fNIRS-Optoden mit 3D-Digitizer
<ol><li>Lassen Sie die Teilnehmer in einem Stuhl sitzen und die Brille mit dem Sensor tragen.</li>
	<li>Öffnen Sie die Digitizer-Software auf dem Computer. Stellen Sie sicher, dass das 3D-Digitalisierersystem über einen entsprechenden COM-Port mit dem Computer in Verbindung steht.</li>
	<li>Laden Sie das Layout der Optodeseinstellungsdatei.</li>
	<li>Bewegen Sie den 3D-Digitalisierer-Stift über die Schlüsselpositionen (Nz, Iz, linkes Ohr, rechtes Ohr, Cz) zusammen mit dem Bildschirm und drücken Sie die Taste auf dem Stift.</li>
	<li>Lokalisieren Sie die optischen Quellen und Detektoren</li>
	<li>Exportieren Sie die 3D-Koordinatendateien.</li>
</ol>5. Datenanalyse
<ol><li>fNIRS Datenanalyse<ol>
<li>Verarbeiten Sie die 3D MNI-Koordinatendaten mit der Registrierungsoption in NIRS-SPM mit MATLAB 2019. Wählen Sie: eigenständige räumliche Registrierung | Mit 3D Digitalize. Wählen Sie die zuvor gespeicherten anderen und Ursprungstextdateien aus, und wählen Sie dann Registrierungaus.</li>
		<li>Vorververarbeiten deFS-Signale mit Homer2 Software32.<ol>
<li>Konvertieren Sie die Rohdaten in optische Dichteänderungen für unterschiedliche Wellenlängen und wandeln Sie sie mit einem modifizierten Beer-Lambert-Gesetz weiter in die Konzentrationsänderungen von HbO zu verschiedenen Zeitpunkten um. Im Allgemeinen ist der typische Differenzpfadlängenfaktor (DPF) wert, der von Alter, Geschlecht und Wellenlänge beeinflusst wird, und der Abstand zwischen der Quelle und dem Decetor33,34 ist 6, was dem durchschnittlichen DPF aus früheren Studien34,35entspricht.</li>
			<li>Verwenden Sie den Spline-Bewegungsartefakte-Erkennungsalgorithmus aus dem Homer2 fNIRS-Verarbeitungspaket für die Bewegungskorrektur. Bitte wählen Sie die geeigneten Methoden der Bewegungskorrektur basierend auf Literatur36aus.</li>
			<li>Verarbeiten Sie die rohen Hämoglobin-Kontinuierlichen Daten mit einem Tiefpassfilter von 0,2 Hz und anschließend einem Hochpassfilter von 0,015 Hz.</li>
			<li>Normalisieren Sie die hämodynamische Signalamplitude, indem Sie die gemittelten Werte dividieren.</li>
			<li>Generieren Sie die fNIRS-Daten für jeden Kanal basierend auf den 3D-Digitizer-Informationen. Wählen Sie die Kanäle mit einer Registrierungswahrscheinlichkeit von 100% oder mehr im überlegenen Frontalkortex (SFC) gemäß der Regressionsberechnung des NIRS-SPM für die weitere Analyse aus.</li>
			<li>Exportieren Sie die Spitzenwerte der Sauerstoffhämoglobin (HbO) Konzentrationsänderungen. HINWEIS: In dieser Studie wurden aufgrund ihres hohen Signal-Rausch-Verhältnisses nur HbO-Signale analysiert. Die Spitzenwerte der laufgemittelten HbO-Daten wurden für jeden Kanal von jedem Teilnehmer zur weiteren Analyse extrahiert.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>EEG-Datenverarbeitung HINWEIS: Die Offline-EEG-Datenanalyse wurde mit dem EEGLAB durchgeführt. Nur N200 bei Fz war die interessante Komponente für die vorliegende Studie. Alle Elektroden wurden einer automatischen Artefaktkorrektur unterzogen, um Augenbewegungen mithilfe eines internen Modells von Artefakttopographien zu entfernen. Kontinuierliche EEG-Daten wurden dann in verschiedene Versuche nach Ziel- und Nichtzielreizen unterteilt, in denen die Epoche für jede Studie 2500 ms dauerte, mit einer Vor-Stimulus-Periode von 500 ms (Basisepoche) und einer Post-Stimulus-Periode von 2000 ms (Aufgabenepoche).<ol>
<li>Laden Sie den unformatierten EEG-Datenordner mit den Plugins in das EEGLAB. Wählen Sie in dieser Studie das BIOSIG-Plugin für die BDF-Datei aus. HINWEIS: Bitte wählen Sie ein passendes Plugin nach dem EEG-Datendateiformat.</li>
		<li>Legen Sie die Kanalpositionsinformationen für EEGLAB37 fest. Laden Sie die entsprechende Speicherortdatei der Kappe.</li>
		<li>Referenzelektroden im ERPLAB, einem Plugin von EEGLAB. Wählen Sie die Kanäle, die in den Mastoiden platziert sind, als Referenzelektroden aus.</li>
		<li>Extrahieren Sie EEG-Datenepochen basierend auf den Ereignis- und Bin-Dateien im ERPLAB37.</li>
		<li>Filtern Sie die EEG-Datensegmente im ERPLAB mithilfe des FIR-Filters, indem Sie die tiefen Frequenzen mit einem Cutoff von 30Hz filtern und die hohen Frequenzen mit einem Cutoff von 0,1 Hz filtern.</li>
		<li>Entfernen Sie okuläre EEG-Artefakte mit der unabhängigen Komponentenanalyse in EEGLAB.</li>
		<li>Ablehnen Sie EEG-Datensegmente mit Amplitudenwerten von mehr als 100 V an jedem Kanal in ERPLAB.</li>
		<li>Durchschnitt der EEG-Datensegmente in ERPLAB. HINWEIS: Dies sind die allgemein verwendete Datenanalysemethode und die Software zur Verarbeitung von EEG und den fNIRS-Daten. Es stehen zahlreiche Verarbeitungssoftware und -methoden zur Verfügung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Korrelationsberechnung<ol>
<li>Generieren Sie die Beziehung zwischen fNIRS- und EEG-Aufzeichnungen mithilfe der Pearson-Korrelationsanalyse.</li>
	</ol>
</li>i></ol>

<ol><li>Kennan, R. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+recording+of+event-related+auditory+oddball+response+using+transcranial+near+infrared+optical+topography+and+surface+EEG%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Simultaneous recording of event-related auditory oddball response using transcranial near infrared optical topography and surface EEG.</a> NeuroImage. 16 (3), Pt 1 587-592 (2002).</li>
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<li>Mansouri, F. A., Tanaka, K., Buckley, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conflict-induced+behavioural+adjustment%3A+a+clue+to+the+executive+functions+of+the+prefrontal+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Conflict-induced behavioural adjustment: a clue to the executive functions of the prefrontal cortex.</a> Nature Reviews Neuroscience. 10 (2), 141-152 (2009).</li>
<li>Wood, J. N., Grafman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+prefrontal+cortex%3A+processing+and+representational+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives.</a> Nature Reviews Neuroscience. 4 (2), 139-147 (2003).</li>
<li>Wallis, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Orbitofrontal+Cortex+and+Its+Contribution+to+Decision-Making%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Orbitofrontal Cortex and Its Contribution to Decision-Making.</a> Annual Review of Neuroscience. 30 (1), 31-56 (2007).</li>
<li>Forbes, C. E., Grafman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Role+of+the+Human+Prefrontal+Cortex+in+Social+Cognition+and+Moral+Judgment%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The Role of the Human Prefrontal Cortex in Social Cognition and Moral Judgment.</a> Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 299-324 (2010).</li>
<li>Nguyen, D. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+continuous+EEG-fNIRS+recording+of+temporal+lobe+seizures%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsy+Research%22%5BJournal%5D)">Non-invasive continuous EEG-fNIRS recording of temporal lobe seizures.</a> Epilepsy Research. 99 (1-2), 112-126 (2012).</li>
<li>Peng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((fNIRS-EEG+study+of+focal+interictal+epileptiform+discharges%5BTitle%5D)+AND+%22Epilepsy+Research%22%5BJournal%5D)">fNIRS-EEG study of focal interictal epileptiform discharges.</a> Epilepsy Research. 108 (3), 491-505 (2014).</li>
<li>Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multisubject+%22learning%22+for+mental+workload+classification+using+concurrent+EEG%2C+fNIRS%2C+and+physiological+measures%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Multisubject "learning" for mental workload classification using concurrent EEG, fNIRS, and physiological measures.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).</li>
<li>Aghajani, H., Garbey, M., Omurtag, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+mental+workload+with+EEG%2BfNIRS%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Measuring mental workload with EEG+fNIRS.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).</li>
<li>Balconi, M., Vanutelli, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hemodynamic+%28fNIRS%29+and+EEG+%28N200%29+correlates+of+emotional+inter-species+interactions+modulated+by+visual+and+auditory+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Hemodynamic (fNIRS) and EEG (N200) correlates of emotional inter-species interactions modulated by visual and auditory stimulation.</a> Scientific Reports. 6, (2016).</li>
<li>Donohue, S. E., Appelbaum, L. G., McKay, C. C., Woldorff, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+neural+dynamics+of+stimulus+and+response+conflict+processing+as+a+function+of+response+complexity+and+task+demands%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychologia%22%5BJournal%5D)">The neural dynamics of stimulus and response conflict processing as a function of response complexity and task demands.</a> Neuropsychologia. 84, 14-28 (2016).</li>
<li>Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mental+workload+classification+with+concurrent+electroencephalography+and+functional+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Brain-Computer+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Mental workload classification with concurrent electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy.</a> Brain-Computer Interfaces. 4 (3), 175-185 (2017).</li>
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<li>Horovitz, S. G., Gore, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+event-related+potential+and+near-infrared+spectroscopic+studies+of+semantic+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing.</a> Human Brain Mapping. 22 (2), 110-115 (2004).</li>
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</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

In diesem Protokoll wurden kombinierte EEG- und fNIRS-Aufnahmen durchgeführt, um die Gehirnaktivierungsmuster mit einem ereignisbezogenen Flanker-Paradigma zu untersuchen, indem die neuronalen Signale des gesamten Gehirns und gleichzeitige hämodynamische Reaktionen des präfrontalen Kortex aufgezeichnet wurden. Die ERP-Ergebnisse zeigten, dass N200 bei Fz in der Lage war, die kongruenten und inkongruenten Bedingungen signifikant zu unterscheiden (P=0,037). In der Zwischenzeit zeigten die HbO-Signale in SFC (Kanäle 21) auc...

Diese Studie zielt darauf ab, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das neuronale Aktivierungsmuster aufzudecken, das der Flanker-Aufgabe zugrunde liegt, indem verschmelzende EEG- und fNIRS-Neuroimaging-Techniken verwendet werden. Interessanterweise ermöglichen die gleichzeitigen fNIRS-EEG-Aufnahmen die Untersuchung der Beziehung zwischen den hämodynamischen Signalen im präfrontalen Kortex und verschiedenen ereignisbezogenen Potentialkomponenten (ERP) des gesamten Gehirns, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind.
Die Integration verschiedener nichtinvasiver neuroimagingrischer Modalitäten, einschließlich der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), der Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), ist wesentlich, um das Verständnis zu verbessern, wo und wann die Informationsverarbeitung im Gehirn stattfindet1,2,3. Zusätzlich besteht das Potenzial, fNIRS und EEG zu kombinieren, um die Beziehung zwischen lokaler neuronaler Aktivität und nachfolgenden Veränderungen der hämodynamischen Reaktionen zu untersuchen, bei denen EEG und fNIRS sich ergänzen können, wenn es darum geht, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Funktion des menschlichen Gehirns zu offenbaren. fNIRS ist eine vaskuläre funktionelle Neuroimaging-Technik, die auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. fNIRS misst die relativen Oxyhämoglobin - und Deoxyhämoglobin (HbR) Konzentrationsänderungen in der Großhirnrinde, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung3,4,5,6,7spielt. Gemäß dem neurovaskulären und neurometabolischen Kopplungsmechanismus8wird die Veränderung der lokalen neuronalen Aktivität im Zusammenhang mit der kognitiven Verarbeitung in der Regel von nachfolgenden Veränderungen des lokalen Blutflusses und des Blutsauerstoffs mit einer Verzögerung von 4-7 Sekunden begleitet. Es wird gezeigt, dass die neurovaskuläre Kopplung wahrscheinlich ein Leistungswandler ist, der die schnelle Dynamik der neuronalen Aktivität in den vaskulären Input der langsamen Hämodynamik9integriert. Insbesondere wird fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet, insbesondere des präfrontalen Kortex, der für hohe kognitive Funktionen verantwortlich ist, wie Executive Functions10,11,12, Argumentation und Planung13, Entscheidungsfindung14, und soziale Kognition und moralisches Urteilsvermögen15. Die hämodynamischen Reaktionen, die mit fNIRS gemessen werden, erfassen jedoch nur indirekt die neuronale Aktivität mit einer geringen zeitlichen Auflösung, während EEG zeitlich feine und direkte Messungen neuronaler Aktivitäten bieten kann. Folglich kann die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufzeichnung mehr Merkmale identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns aufdecken.
Noch wichtiger ist, dass die multimodale Erfassung von EEG- und fNIRS-Signalen durchgeführt wurde, um die Gehirnaktivierung zu untersuchen, die verschiedenen kognitiven Aufgaben zugrunde liegt16,17,18,19,20,21,22 oder Gehirn-Computer-Schnittstelle23,24. Insbesondere wurden gleichzeitige ERP- (ereignisbezogenes Potential) und fNIRS-Aufnahmen auf Basis des ereignisbezogenen auditorischen Oddball-Paradigmas1durchgeführt, bei dem fNIRS die hämodynamischen Veränderungen im frontotemporalen Kortex einige Sekunden nach dem Auftreten der P300-Komponente identifizieren kann. Horovitz et al. demonstrierten auch die gleichzeitigen Messungen von fNIRS-Signalen und der P300-Komponente während einer semantischen Verarbeitungsaufgabe25. Interessanterweise zeigten frühere Studien, die auf simultanen EEG- und fNIRS-Aufnahmen basierten, dass P300 während Oddball-Stimuli eine signifikante Korrelation mit fNIRS-Signalen26aufwiesen. Es wurde entdeckt, dass die multimodalen Maßnahmen das Potenzial haben, den umfassenden kognitiven neuronalen Mechanismus auf der Grundlage des ereignisbezogenen Paradigmas26zu enthüllen. Neben der Oddball-Aufgabe ist die Flanker-Aufgabe im Zusammenhang mit der ERP-Komponente N200 auch ein wichtiges Paradigma, das für die Untersuchung der Erkennung kognitiver Fähigkeiten und der Bewertung mit gesunden Kontrollen und Patienten mit verschiedenen Störungen verwendet werden kann. Insbesondere war N200 eine negative Komponente, die 200-350 ms vom vorderen zerkäuterten Kortex frontal27 und dem überlegenen temporalen Kortex28erreicht. Obwohl frühere Studien die Beziehung zwischen dem überlegenen frontalen Kortex und der Alpha-Oszillation in der Flanker-Aufgabe29untersuchten, wurde die Korrelation zwischen der N200-Amplitude und den hämodynamischen Reaktionen während der Flanker-Aufgabe nicht untersucht.
In diesem Protokoll wurde ein hausgemachter EEG/fNIRS-Patch auf Basis der Standard-EEG-Kappe für die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Aufnahmen verwendet. Die Anordnung von Optoden/Elektroden mit Unterstützung wurde durch die Platzierung von fNIRS-Optoden erreicht, die in die EEG-Kappe verschmolzen sind. Die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Datenerfassungen wurden mit den gleichen Reizaufgaben der E-prime-Software durchgeführt. Wir gehen davon aus, dass ERP-Komponenten, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind, eine signifikante Korrelation mit den hämodynamischen Reaktionen im präfrontalen Kortex aufweisen können. In der Zwischenzeit können die kombinierten ERP- und fNIRS-Aufnahmen mehrere Signalindikatoren extrahieren, um die Aktivierungsmuster des Gehirns mit erhöhter Genauigkeit zu identifizieren. Um die Hypothese zu testen, wurden das fNIRS-Setup und die EEG-Maschine integriert, um den komplexen neuronalen Kognitionsmechanismus aufzudecken, der der ereignisbezogenen Flanker-Aufgabe entspricht.

<table><tbody><tr><td>EEG-Kappe</td><td>EASYCAP GmbH</td>-<td>-</td><td></td></tr><tr><td>EEG-Anlage</td><td>BioSemi</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>fNIRS-Anlage</td><td>TechEn-CW6</td><td></td> <td>Anlage</td></tr></tbody></table>

durchführung gleichzeitiger elektroenzephalographie und funktioneller nahinfrarot-spektroskopie-aufnahmen mit einer flanker-aufgabe

Conducting Concurrent Electroencephalography and Functional Near-Infrared Spectroscopy Recordings with a Flanker Task

Gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen bieten eine ausgezeichnete Gelegenheit, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Verarbeitung vollständig zu verstehen, indem die Beziehung zwischen den neuronalen und hämodynamischen Signalen untersucht wird. EEG ist eine elektrophysiologische Technologie, die die schnelle neuronale Aktivität des Kortex messen kann, während fNIRS auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. Die Kombination von EEG und fNIRS Neuroimaging-Techniken können mehr Funktionen identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns offenbaren. In diesem Protokoll wurden verschmolzene EEG-fNIRS-Messungen für gleichzeitige Aufnahmen evoziert-elektrischer Potentiale und hämodynamischer Reaktionen während einer Flanker-Aufgabe durchgeführt. Darüber hinaus wurden die entscheidenden Schritte zum Aufbau des Hard- und Softwaresystems sowie die Verfahren zur Datenerfassung und -analyse detailliert zur Verfügung gestellt und diskutiert. Es wird erwartet, dass das vorliegende Protokoll einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses der neuronalen Mechanismen ebnen kann, die verschiedenen kognitiven Prozessen zugrunde liegen, indem die EEG- und fNIRS-Signale verwendet werden.

Abbildung 2 zeigt die HbO-Signale für alle Kanäle, während in Abbildung 3 die ERPs bei Fz und FCz für die beiden Bedingungen der Flanker-Aufgabe angezeigt werden. Figure 4 veranschaulichte die Pearson-Korrelationsanalyseergebnisse zeigten, dass die fNIRS-Signale in SFC eine signifikante Korrelation mit der ERP-N200-Komponente bei Fz für den inkongruenten Zustand aufwiesen (P&lt;0.05). Dies ist jedoch n...

Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufzeichnungen durchgeführt werden und wie die Beziehung zwischen eEG- und fNIRS-Daten überprüft wird.

Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe

Concurrent EEG and fNIRS recordings offer an excellent opportunity to gain a full understanding of the neural mechanism of cognitive processing by ...

Ziel dieser Studie war es, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das Neuroaktivierungsmuster aufzudecken, die Flankeraufgabe durch die Verwendung von eEG- und fNIRS-Neuro-Bildgebungstechnik zu unterstreichen. Die gleichzeitigen fNIRS EEG-Aufnahmen ermöglichen die Untersuchung der Beziehung zwischen dem präfrontalen Kortex und verschiedenen Ereignissen im Zusammenhang mit den potenziellen Komponenten des gesamten Gehirns. fNIRS in der Großhirnrinde, die ziemlich wichtige Gesetz in der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung.Wir wissen, dass fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet wird. ist mit hohen kognitiven Funktionen des Gehirns verbunden. Die hämodynamische Reaktion von fNIRS kann jedoch nur die Aktivitäten mit geringer zeitlicher Auflösung lesen, aber EEG kann vorübergehende Fund- und direkte Messungen von Neuroaktivitäten bieten.Die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufnahmen ist in der Lage, mehr Funktionen zu identifizieren und mehr Informationen zu den Gehirnfunktionen aufzudecken. In dieser Studie verwenden Sie die EEG fNIRS Techniken wurden für die gleichzeitige Aufzeichnung von ERP-Komponenten und hämodynamische Reaktion mit einer Flanker-Aufgabe verwendet. Es ist rational anzunehmen, dass ERP-Komponenten, die mit der Flankeraufgabe assoziiert werden, eine signifikante Korrelation mit der hämodynamischen Reaktion aufweisen können.Um diese Annahme zu treffen, wurden die eingerichtete fNIRS und die EEG-Maschine zusammengeführt, um den komplexen Neurokognitionsmetismus zu enthüllen, der dem Ereignis mit Flankeraufgabe entspricht. Vor dem Experimenttest unterzeichneten alle Teilnehmer Informierteeinwilligdokumente. Die Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Macau genehmigt.Nummer eins, Hardware- und Softwareeinstellung für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen. Konstruieren Sie eine machbare Kopfkappe für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen. Wählen Sie die richtige Kappengröße entsprechend dem Kopfumfang der Teilnehmer aus.In dieser Studie wird eine mittelgroße Kappe verwendet, da sie für die meisten jugendlichen oder erwachsenen Teilnehmer geeignet ist. Zeichnen Sie das Layout entsprechend dem Experimententwurf in der Literatur. Graben Sie 22 Löcher in der EEG-Kappe, um fNIRS-Optoden in Übereinstimmung mit einem speziell ausdemierten frontalen Kortex zu halten.Platzieren Sie 21 oder 71 EEG-Elektroden entlang der Oberfläche der EEG-Kappe nach dem internationalen System 10-20 und montieren Sie die Gitter für die Optoden. Legen Sie den Abstand zwischen den einzelnen Quelldetektorpaaren auf drei Zentimeter fest, und fixieren Sie dann die Optoden. In jedem sind die blauen Optoden Detektoren, während die roten Laserquellen sind.Einstellen des EEG- und fNIRS-Ports in der Software. Stellen Sie den Parallelanschluss, Beispiel H378, in dieser Studie für das EEG-System ein. Legen Sie die seriellen Ports fest, Beispiel 600 in dieser Studie für das fNIRS-System.Der Porttyp und die Nummer sollten in Bezug auf verschiedene EEG- und fNIRS-Setups geändert werden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die Hersteller. Vorbereitung vor dem Experiment.Erwärmen Sie das fNIRS-System mit Lasern. Schalten Sie es für 30 Minuten ein. Stellen Sie alle notwendigen Betriebserplauder für das fNIRS-Messsystem ein.Sollte der Aufbau, einschließlich der EEG- und fNIRS-Messsysteme, zum Teilnehmer. Messen und markieren Sie den CZ-Punkt nach dem internationalen System 10-20. Identifizieren Sie die Elektrodenposition von CZ in der Hälfte des Abstands zwischen der und der Hälfte des Abstands zwischen dem linken und rechten interorbitalen Einzug.Legen Sie zuerst den vorderen Teil der Kappe entlang der Stirn der Teilnehmer und ziehen Sie dann die hintere Sitzung der Kappe in Richtung Desnacken nach unten. Validierung der Positionen. Hinweis, es wird dringend empfohlen, eEG-Elektroden zuerst und anschließend die nächsten Optoden einzustellen.Wenn EEG leitfähiges Gel die Löcher für die Platzierung der nächstgelegenen Optoden bedeckt, sollte es sauber sein, um die Kontamination von Optoden zu verhindern. Vorbereitung der EEG-Aufnahmen. Füllen Sie leitfähiges Gel, indem Sie eine stumpfe Nadel durch die Löcher von EEG-Elektrodenrost einsetzen.Legen Sie alle Elektroden entsprechend den Pegeln in das EEG-Elektrodengitter. Öffnen Sie die EEG-Software und prüfen Sie die Signalqualität der Elektroden. Elektroden durch Nachfüllen leitfähiges Gel nachjustieren, wenn die Signalqualität die Anforderungen nicht erfüllen kann.Vorbereitung für die fNIRS-Aufnahmen. Vorsicht setzen die Teilnehmer augennicht direkt dem Laserstrahl der Quelle aus. Platzieren Sie die optischen Fasern entlang der Halterarme, die am fNIRS-Messsystem und zusätzlichem Halter befestigt sind.Stellen Sie sicher, dass die Fasern ordentlich und ordentlich sind. Setzen Sie die optische Quelle und detektoren entsprechend dem Layout in die Löcher ein. Testen Sie die Signalqualität.Wenn ein Kanal kein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Beispiel, wenn der Kanal gelb markiert ist, tauschen Sie das Haar der Teilnehmer, das die optischen Sonden umgibt, sanft, um sicherzustellen, dass zwischen der optischen Sonde und dem Schädel nichts existiert. Wenn Schritt 2.8.3 die Signalqualität nicht verbessern kann, wird die Signalintensität erhöht.Wenn es zu viel Signal gibt. Beispiel, wenn der Kanal rot markiert ist, schalten Sie die Signalintensität herunter. Führen Sie das Experiment aus.Starten Sie das Experiment, wenn die Signale mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis stabil sind und die Teilnehmer mit den Experimentanweisungen vertraut sind. Speichern und exportieren Sie die Daten nach dem Experiment aus dem EEG fNIRS. Entfernen Sie EEG-Elektroden und fNIRS optische Sonden sorgfältig.Messung dreidimensionaler, 3D MNI-Koordinaten von fNIRS-Optoden mit 3D-Digitalisierer. Lassen Sie die Teilnehmer auf einem Stuhl sitzen und die Brille mit einem Sensor tragen. Öffnen Sie die Digitizer-Software auf dem Computer.Stellen Sie sicher, dass das 3D-Digitalisierersystem über einen entsprechenden COM-Port mit dem Computer in Verbindung steht. Laden Sie das Layout von Optoden, die in einer Datei festgelegt sind. Verschieben Sie die 3D-Digitalisiererstile, die den Schlüsselpositionen entsprechen.NZ, LZ, linkes Ohr, rechtes Ohr, CZ entlang des Bildschirms und drücken Sie die Taste auf dem Stift. Lokalisieren Sie optische Quellen und Detektoren. Exportieren Sie die 3D-Koordinatendatei.Datenanalyse. fNIRS-Datenanalyse. Verarbeiten Sie die 3D MNI-Koordinatendatei mithilfe der Registrierungsoption in fNIRS SPM mit MetLife 2019.Wählen Sie eigenständige Sonderregistrierung mit 3D-Digitalisierung aus. Wählen Sie die vorherige, speichern Sie es andere und Ursprung Textdatei. Registrierung. Vorverarbeitet fNIRS Signale mit Homer2 Software nach den folgenden Schritten.Die Anwendung der modifizierten Motion-Artefaktkorrektur. Übergeben Sie dann die Filterung 0,015 Hertz auf 0,2 Hertz. Normalisieren Sie eine dynamischere Signalamplitude, indem Sie die Durchschnittswerte dividieren.Generieren Sie die fNIRS-Daten für jeden Kanal auf der Grundlage einer 3D-digitalisierten Information. Wählen Sie die Kanäle mit einer Registrierungswahrscheinlichkeit von 100 % oder mehr in SFC gemäß der Regressionsberechnung des fNIRS SPM für die weitere Analyse aus. Exportieren Sie die Spitzenwerte von HbO.EEG-Datenverarbeitung. Laden Sie den unformatierten EEG-Datenordner mithilfe der Plugins in das EEG-Labor. Wählen Sie in dieser Studie das BOC-Plugin für die BDF-Datei aus.Bitte wählen Sie das passende Plugin nach dem EEG-Datendateiformat aus. Legen Sie die Kanalstandortinformationen für EEG lab fest. Laden Sie die entsprechende Speicherortdatei der Kappe.Wir verweisen auf Elektroden im ERP-Labor, das ein Plugin des EEG-Labors ist. Wählen Sie die Kanäle, legen Sie sie als referenzierte Elektroden in den Massenspeicher. Extrahieren Sie EEG-Daten basierend auf den Ereignis- und Bin-Dateien im ERP-Labor.Filtern Sie das EEG-Datensegment im ERP-Labor mit dem IIR-Filter. Durch Filtern der tiefen Frequenzen mit einem Cutoff von 30 Hertz und durch Filtern der hohen Frequenzen mit einer Kurve von 0,1 Hertz. Entfernen Sie okuläre EEG-Artefakte in der Bendon-Komponentenanalyse im EEG-Labor.Ablehnen Sie das EEG-Datensegment mit Amplitudenwerten, die den Bereich von positiven 100 bis zu den negativen 100 Mikrovolt an jedem Kanal im ERP-Labor überschreiten. EEG-Datensegment im ERP-Labor. Beachten Sie, dass dies die allgemein verwendete Datenanalysemethode und die Software zur Vorverarbeitung von EEG- und fNIRS-Daten sind.Es stehen zahlreiche Verarbeitungssoftware und -methoden zur Verfügung. Korrelationsberechnung. Generieren Sie die Beziehung zwischen fNIRS- und EEG-Aufzeichnungen mit der Pearson-Korrelationsanalyse.Repräsentative Ergebnisse. fNIRS Headset Platzierung und Kanalkonfiguration. Das digitalisierte Optodeslayout wird in das MNI-Koordinatensystem konvertiert und entlang des Hirnrindens überlappt.HbO-Signal für alle Kanäle, die mit der Flankeraufgabe verbunden sind. Die rosa Kurven bezeichnen den kongruenten Zustand, während die grünen den kongruenten Zustand angeben. ERP-Signal für FZ- und FCZ-Elektroden.Die schwarzen Kurven definieren die inkongruente Bedingung, während die roten die kongruente Bedingung bezeichnen. Korrelation zwischen dem ERP N200 und fNIRS Signal entlang der SFC für die inkongruente Bedingung. Zusammenfassend kombiniert die EEG und fNIRS Neuro-Bildgebung wurde durchgeführt, um die Gehirnaktivierung beteiligt flankiert durch die Aufzeichnung der Neurosignale des gesamten Gehirns und hämodynamische Reaktion des präfrontalen Kortex zugeordnet.Die EEG- und fNIRS-Daten haben wir erfolgreich mit einer Flankeraufgabe erworben. Unser Befund zeigte, dass die fNIRS hämodynamische Reaktion und ERP N200 Komponenten sind signifikant korreliert, die unterschiedliche Perspektive der kognitiven Mechanismus mit der Flanker-Aufgabe verbunden zeigen. Unsere multimodalen Neuro-Bildgebungsergebnisse unterstützen eine wesentliche Rolle der Kombination der EEG- und fNIRS-Technik bei der Entwicklung des Gehirns, was einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses des Neuromechanismus verschiedener kognitiver Verarbeitung ebnet.

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