הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

היכרות עם תפקודים קוגניטיביים אצל תינוקות, ילדים & מבוגרים עם ספקטרוסקופית אינפרא אדום הקרוב

19.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/1268

⸱

28 ביולי 2009

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Psychology, University of Toronto Scarborough

במאמר זה

סיכום

כאן אנו מתארים איסוף נתונים וניתוח נתונים עבור שיטה תפקודית ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום (fNIRS), הדמיה חדשנית ולא פולשנית המוח מערכת המשמשים המוח הקוגניטיביים, בעיקר לומד המוח התפתחות הילד. שיטה זו מספקת תקן אוניברסלי של רכישת נתונים וניתוח חיוני בפרשנות הנתונים הגילוי המדעי.

תקציר

פיצוץ של פונקציונלי הקרוב אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (fNIRS) מחקרים חוקרת ההפעלה קליפת המוח ביחס לתהליכים קוגניטיביים גבוהים, כגון 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 שפה, זיכרון 11, ותשומת לב 12 היא מתנהלת מבוגרים מעורבים ברחבי העולם, ילדים ותינוקות 3,4,13,14,15,16,17,18,19 עם קוגניציה אופייניות ולא אופייניות 20,21,22. האתגר העכשווי של שימוש fNIRS עבור המוח הקוגניטיביים היא להשיג ניתוח שיטתי של נתונים כאלה כי הם לפירוש אוניברסלית 23,24,25,26, ובכך עשוי לקדם שאלות מדעיות חשובות בנוגע לארגון פונקציונלי מערכות עצביות הבסיסית קוגניציה גבוהות יותר אנושי.

טכנולוגיות הדמייה קיימים יש רזולוציה בזמן או בחלל או פחות חזקים. Related אירוע הפוטנציאל מגנטו Encephalography (ERP ו MEG) יש פתרון זמני מצוין, בעוד טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים ו תהודה מגנטי תפקודי (PET ו fMRI) יש רזולוציה מרחבית טובה יותר. שימוש בלתי מייננת אורכי הגל של האור בטווח קרוב אינפרא אדום (700-1000 ננומטר), שם oxy-המוגלובין נספג מועדף על ידי 680 ננומטר deoxy-המוגלובין נספג מועדף על ידי 830 ננומטר (למשל, אכן, את אורכי הגל מאוד נכבד Hitachi fNIRS ETG-400 מערכת מאויר כאן), fNIRS הוא גם מתאים מחקרים של הכרה גבוהה כי יש לו גם פתרון זמני טוב (~ 5s) ללא שימוש קרינה ברזולוציה מרחבית טובה (~ 4 ס"מ עומק), וכן לא לדרוש מהמשתתפים להיות במבנה סגור 27,28. המשתתפים בפעילות קליפת המוח ניתן להעריך תוך כדי ישיבה נוחה על כיסא רגיל (מבוגרים, ילדים), או אפילו לשבת על הברכיים של אמא (תינוקות). יש לציין, NIRS הוא נייד ייחודי (בגודל של מחשב שולחני), שקט כמעט, יכולים לסבול תנועה המשתתפים עדין. זה בולט במיוחד למחקר העצבי של השפה האנושית, אשר דווקא הוא בתור אחד מרכיבי המפתח שלה את התנועה של הפה של הפקת דיבור או בידי בשפת הסימנים.

הדרך שבה את התגובה hemodynamic הוא מקומי על ידי מערך של גלאי לייזר emitters. Emitters פולטים אור בעוצמה ידועה בלתי מייננת תוך גלאי לזהות את הסכום מוחזר מפני השטח של קליפת המוח. ביחד קרוב optodes, כך גדל ברזולוציה מרחבית, בעוד מזו optodes, את יותר עומק החדירה. עבור HITACHI fNIRS ETG-4000 מערכת אופטימלית חדירה / ההחלטה מערך optode מוגדר 2cm.

המטרה שלנו היא להוכיח השיטה שלנו של רכישת וניתוח נתונים fNIRS לסייע לתקנן את השדה ולאפשר שונים fNIRS מעבדות ברחבי העולם יש רקע משותף.

פרוטוקול

חלק 1: לפני משתתף להגיע למעבדה

  1. ודא כי החדר ללא מאמרים זרים שעשויים להיות להסיח למשתתף.
  2. הקמה עומס פרוטוקול הניסוי על מערכת Hitachi ETG-4000 fNIRS.
  3. הקמה פרדיגמה ניסויית שלך. פרדיגמות ניסיוני ניתן לתכנת עם תוכנת מצגת שונים, לרבות, Psyscope Eprime, מצגת או ארגז כלים פסיכולוגיה מבוסס Matlab. כאן אנו משתמשים בארגז הכלים Matlab פסיכולוגיה מבוסס.
  4. תזמון הוא המפתח לניתוח נתונים, ובכך הפרדיגמה הניסוי חייב להיות מתוזמן היטב עם איסוף הנתונים. Hitachi fNIRS ETG-4000 יש מפעילה יכולות, המאפשר פרדיגמה ניסויית כדי לעורר את איסוף הנתונים או להיפך. מבחן מפעילה תוכנית מצגת מתוך fNIRS Hitachi ETG-4000. מפעילה ניתן לעשות זאת באמצעות במקביל, סדרות, או יציאות USB. כאן אנחנו מראים מפעילה דרך היציאה המקבילית.
  5. לפני תחילת המחקר fNIRS חשוב לנהל רקע הקרנת משתתף. Petitto במעבדה, אנו עורכים הקרנת רקע בכך המשתתפים או הוריהם למלא לימוד המתאימים שאלונים סטנדרטיים 29.

משתתף מגיעה

  1. חשוב לקיים את הישיבה ולנהוג המשתתפים באופן מקצועי. המשתתף או ההורים של המשתתפים / האפוטרופוסים החוקיים חייב לחתום על טופס הסכמה לפני שהניסוי יתחיל. זה חיוני כדי להודות משתתף בפעם שלהם הניסויים האלה חשוב ומרגש.
  2. המשתתף יושב בנוחות קרוב לחדר fNIRS הבדיקה. משתתף התינוק יכול לשבת על הברכיים של ההורה.

חלק 2: הצבת Optodes & באמצעות מערכת 10-20

מרכיב נוסף של שיטת ניתוח המאפשרת פרשנות עקבית הנתונים הוא סטנדרטיזציה של פרוטוקול הקלטה fNIRS. זה כרוך optode מיקום, מיקום משתתף, מפעילה של תוכנות מצגת גירוי. גם מיקום מדויק נוירו אנטומיים של בדיקות ואישור של אזורים של עניין (ROIs) מושגות באמצעות מערכת 10-20 3,4,30. יתר על כן, stereotactic לוקליזציה של המערך בדיקה אושרה על הגולגולת של המשתתף שכיסה על ידי מעקב אחר מידע 3D ממערכת מהיר TRAK Polhemus על סריקה אנטומי שיתוף רישום MRI של המשתתף שנערך עם קפסולות ויטמין E להציב במקום כל בדיקה 3,4. מיקום אופטימלי משתתף מעורב הצבת המשתתפים בנוחות על כורסה נפתחת, עם סיבים אופטיים תלויות ברפיון ללא מגע עם הגוף או כיסא.

  1. המדידות ראש הבאים נלקחים עם סרט מדידה ואת הכתב בגיליון נתונים המשתתפים:
    • Nasion כדי Inion סביב
    • Nasion כדי Inions מעל
    • לאוזן מעל
  2. קלטת כירורגי יכול לשמש כדי לסמן מיקומים יעד ספציפי. בניסוי זה נציין FP, T3/T4, F8/F7
  3. מערכים Optode מונחות על ראשו של המשתתפים עם optodes ספציפי עגנה 10-20 נקודות לפי הוראות לענין הניסוי.

חלק 4: בדיקת מערך Optode

  1. מבוא ETG ממשק GUI-4000 Hitachi בדיקה ובדיקה.
  2. בדיקת האות: optodes לאחר ממוקמות על הקרקפת של המשתתפים, איכות האות נבדק. אם optode אין איתות ברור, חוקרים בעדינות להסיר שיער מחיבור של optode ואת הקרקפת. בהזדמנות optodes ייתכן שיהיה צורך ניגב עם ספוגית אלכוהול.

חלק 5: להפעיל את הניסוי.

  1. לפחות שני הנסיינים חייבים להיות תמיד נוכח בחדר, אחד התבוננות Hitachi fNIRS ETG-4000 בזמן אמת הקריא והשני התבוננות משתתף. לאחר מצלמת וידאו התמקדו משתתף מומלץ מאוד עבור פוסט הוק תצפיות. היתרון של Hitachi fNIRS ETG-4000 היא אות וידאו fNIRS הם synched ושיתוף רשום. יומן המכיל את כל המידע הרלוונטי וקבצים שנוצר נשמר.
  2. יש ומבוססת שיטות של בניית פרדיגמות hemodynamic ניסיוני, כלומר בלוק עיצוב אירועים הקשורים עיצובים. לקבלת תיאור מלא יותר עיין במאמר סקירה האחרונות 31.

חלק 6: ניתוח

לאחר שכל הנתונים נאספו, המשתתף הוא הודה בפעם שלהם והנכונות להשתתף עוזב את המעבדה. כמו ניתוח לא נעשה על Hitachi fNIRS ETG-4000, כמו, במקום, הנתונים מיוצאים מחשב ניתוח.

  1. המרה מ μV אל ריכוזי המוגלובין. כמו ערכים הנחתה הגלם נאספים הנחתה של עוצמת הלייזר (כפי שנמדד μV), ערכים אלו חייבים להיות מומרים valu המוגלובין מחומצן ו deoxygenatedes. זה נעשה באמצעות שינוי באר למברט המשוואה.
  2. היישום של שינויים באר למברט מתנהל בשני שלבים. תחת ההנחה כי פיזור הוא קבוע לאורך הדרך, תחילה הנחתה עבור כל אורך גל (ΔA λ (t)) מחושב על ידי השוואת צפיפות אופטית של עוצמת האור במהלך המשימה (משימה אני) לקו הבסיס מחושב של האות ( אני ההתחלה). הערכים ΔA על הגל כל נקודת זמן שנדגמו (t) כדי לפתור את שונה באר למברט המשוואה.
    משוואה 1 figure-protocol-1 משוואה 2 figure-protocol-2

λ ∈ deoxy 1, λ ∈ oxy 1, 2 λ ∈ deoxy ו 2 λ ∈ oxy הם קבועים עבור מקדמי הכחדה כי למדוד את שבריר של אור איבד קליטה לכל יחידת מרחק הריכוז ברקמה. Deoxy כתוצאה C ו-C הם ערכים oxy ריכוזי המוגלובין מחומצן ו deoxygenated עבור כל t.

חלק 7: תוצאות נציג

תגובה אופיינית תוצאות hemodynamic מאפיינים מובחנים מספר. בתגובה oxy-המוגלובין, יש תחילה לטבול אופייני. טבילה זו מתרחשת כאשר אזור של נוירונים מפעיל ו מכלה את החמצן זמין. כפי מגביר את זרימת הדם, נושאת המוגלובין מחומצן, התגובה oxy-המוגלובין עולה במהירות מעל רמות הבסיס הראשוני לרמה של מצב יציב. כאשר האזור הוא כבר לא מופעל, oxy-המוגלובין דועך תגובה על 12-15 שניות הבאה לאט טיפות חזרה לרמות הבסיס. יש מדי פעם אזריק המתרחשת לפני התגובה hemodynamic לחזור לרמות הבסיס הראשוני.

תוצאות גרועות הם בדרך כלל בצורה של optodes לא יושב כמו שצריך על הקרקפת או תנועה מוגזמת. אלו סוגים של רעש - נקרא, "Flatling" - ניכרים האות כמו הערכים microvolt להרוות ומספר ערוצים שונים, להעביר גם oxy ו deoxy התגובה באופן מתואם.

הפגנה: טלטול סיבים אופטיים.

ניתוחים סטטיסטיים: oxy לחלץ deoxy-המוגלובין ערכים עבור כל ערוץ, עבור כל משתתף עבור כל משימה לאחר מכן ניתן להגיש ניתוח סטטיסטי קונבנציונאלי, לרבות t-בדיקות, ANOVAs, מתאמים וכו '

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

במחקר זה הראינו את השימוש, הרומן הלא פולשנית fNIRS טכנולוגיית דימות מוח כדי לחקור את תפקוד המוח האנושי ביחס קוגניציה התפיסה האנושית. הדמיה fNIRS המוח עשוי לייצג את העתיד של הדמיה לא פולשנית המוח, בעיקר עם אוכלוסיות התינוק והילד, כי אולי יום אחד יהיו זמינים באופן נרחב במעבדות מחקר, משרדי רופאים, במערכות הספר ומאפשר לרופאים ליישם ממצאים מדעיים בסיסיים על המוח הקלינית שלהם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין הצהרות לגבי ניגודי עניינים.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי מענקים LAP (PI):

המכונים הלאומיים לבריאות R21 HD50558, הוענק 2005-07; הלאומי

Institutes of Health R01 HD045822, הוענק 2004-09, דנה קרן גרנט,

הוענק 2004-06; קרן קנדה עבור חדשנות ("CFI" מענק), הוענק

2008-2012: המחקר אונטריו קרן גרנט, העניק 2008-2012.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ETG-4000Hitachi
MatlabMathworksPsychology toolbox

מקורות

  1. Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
  2. Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
  3. Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
  4. Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
  5. Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
  6. Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
  7. Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
  8. White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
  9. Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
  10. Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
  11. Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
  12. Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
  13. Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
  14. Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
  15. Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
  16. Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
  17. Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
  18. Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
  19. Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
  20. Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
  21. Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
  22. Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
  23. Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
  24. Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
  25. Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
  26. Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
  27. Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
  28. Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
  29. Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
  30. Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
  31. Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

fNIRS10 20
היכרות עם תפקודים קוגניטיביים אצל תינוקות, ילדים & מבוגרים עם ספקטרוסקופית אינפרא אדום הקרוב
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.