שימוש MazeSuite והתפקודי ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי ללמוד למידה מרחבית ניווט

המטרה שלנו במצגת זו היא כפולה. ראשית, כדי להמחיש את תהליך תכנון הפרוטוקול הניסיוני והשימוש בחבילת מאי ושנית, להדגים את ההגדרה והפריסה של מערכת ניטור פעילות המוח FNIR. ניתן להשתמש בחבילת May כדי לעצב ולערוך סביבות תלת מימד מותאמות, כמו גם לעקוב אחר ביצועי ההתנהגות של משתתף.

כדי להדגים זאת, מדווח תת-מדגם ממחקר המראה כיצד להשתמש הן בחבילת מאי והן ב-FNIR בניסוי יחיד. המחקר כולל הערכה של הפעילות הקוגניטיבית של קליפת המוח הקדם-מצחית הצדדית הגבית במהלך רכישה ולמידה של משימות מקלות מחשב עבור פקודות תרגול חסומות ואקראיות. FNIR היא טכניקת ניטור מוח אופטית המשתמשת באינפרא אדום קרוב, כמו לעקוב אחר שינויים בתגובות המודינמיות בתוך קליפת המוח.

ניטור לא פולשני של המודינמיקה מוחית וחמצון הודגם לראשונה על ידי Job ossy ועמיתיו בשנת 1977. טכנולוגיה זו מאפשרת תכנון של מערכות ניטור ניידות, בטוחות, זולות, לא פולשניות ופולשניות מינימלית שניתן להשתמש בהן למדידת פעילות מוחית בסביבות טבעיות. תנאים אמבולטוריים ותנאי שדה ליד אור אינפרא אדום יכולים לחדור לרקמות כמה סנטימטרים בטווח של 700 עד 900 ננומטר.

כאשר אור נכנס לרקמה, הוא נספג או מתפזר. הספיגה נובעת מכוח כרומו מולקולות סופגות אור, כגון המוגלובין ופיזור מים מתרחש במבנה הרקמה כגון קרומי תאים ושכבות. מדידת FNIR טיפוסית מכילה יחידת מדידה בעלת מקורות אור וגלאים.

כאשר מקור אור מפעיל אור מוחדר מעל הקרקפת, חודר אליה ונע לכל הכיוונים ברקמה ומאבד מעוצמתו תוך כדי תנועה, חלק מהאור מגיע חזרה אל פני השטח בגלל פיזור רציף מרובה והוא נרשם על ידי הגלאי, הפוטונים שמגיעים לגלאי למעשה עוברים דרך נפח בצורת בננה. מדידות בגלאי מספקות מידע על נפח זה בין מקור האור לגלאי. זוג שנקרא oid, עומק החדירה, במילים אחרות, העקמומיות של הבננה היא פונקציה של המרחק בין מקור האור לגלאי.

לכן גיאומטריית חיישן FNIR היא המפתח בעיצוב. בהתאם לסוג המדידות למטלה קוגניטיבית ומדידה מקליפת המוח הקדם-מצחית, הפרדת האופטו היא בדרך כלל 2.5 סנטימטרים עד שלושה סנטימטרים. במחקר זה השתמשנו במכשירי FNIR מדגם 1000.

זה מבוסס על העיצובים של צ'אנס ועמיתיו בשנות ה-90 ופותח עוד יותר במעבדה להדמיית מוח אופטית באוניברסיטת דרקסל. מכשיר זה אינו מסתמך על סיבים או מובילי אור כדי להתממשק עם העור. לפיכך, קל יותר להגדרה, נוח יותר למפגשים ארוכים ופחות נוטה לחפצי תנועה.

עם זאת, חיישן זה תוכנן במיוחד לזיהוי הפעלה קליפת המוח של קליפת המוח הקדם-מצחית הרוחבית הגבית שנמצאת מתחת למצח ולא ניתן להשתמש בו באזורי ראש אחרים בגלל הפרעות משיער. משטח החיישן FNIR ששימש במחקר מכיל ארבע דיודות פולטות אור המאירות אור לא קוהרנטי ב-730 ננומטר ו-850 ננומטר. ישנם 10 גלאי צילום ועל ידי הברקת נוריות LED בסדר עוקב, יחד עם שימוש בגלאים מסביב 16 מיקומי מדידה.

קופסאות נדגמות בכל סריקה. זה כולל מדידת עוצמת אור של שני אורכי גל שונים וגם מדידה כהה לאור הסביבה, בסך הכל שלושה ערוצים לכל מיקום מדידה, כך שבסך הכל, ישנם 48 ערוצים שהוקלטו מהסריקה. משטח החיישן ממוקם מעל המצח של צד הנושא.

אחד צריך להיות בצד שמאל של הנבדק ובצד שני. בצד ימין של הנושא, החיישן צריך להיות ממוקם ממש מעל הגבות וצריך להיות מרוכז אנכית. קו הסימטריה האנכי הדמיוני עובר דרך קו האמצע של המצח ואז האף.

קו המרכז של רפידות החיישנים עולה בקנה אחד עם קו האמצע של המצח והאף. לאחר מיקום משטח החיישן, הכבלים נמשכים משני הצדדים ומחוברים בחלק האחורי של הראש. כאשר הכבל מאובטח עם הקליפ, חשוב לבדוק שכרית החיישן מחוברת כהלכה לעור ושאין בליטות או רווחים בין האופטוס לעור.

דרך טובה לבדוק אם יש צימוד תקין היא להפעיל מעט לחץ על משטח החיישן ולהרגיש אם המיקום משתנה עם הלחץ. לפעמים ניתן להניח סרט ראש, בד אלסטי או קשיח, כגון רצועת טניס או בנדנה, מעל חיישן FNIR כדי לאבטח את צימוד האופטוס עם העור. לאחר מיקום החיישן, יש לאמת את האותות בכל הערוצים על ידי התחלת רכישת נתונים ראשית, יש לחבר את משטח החיישן לתיבת בקרת החומרה של FNIR.

יש לחבר את המכשיר למחשב באמצעות כבל USB, ולהפעיל את שתי המערכות. לאחר מכן, הפעל את Kobe Studio במחשב על ידי לחיצה על קיצור הדרך בחלונית השמאלית, לחץ על הקישור התחל את המכשיר הנוכחי. אם ההגדרות נכונות, חלונית ההודעות תציג שהמכשיר הופעל וגרפים יציגו את האותות החדשים שנרכשו.

רמות האות תלויות בזרם ה-LED ובהגדרות ההגברה. כלל אצבע טוב הוא שהפרמטרים הללו יהיו מעל 700 מילי-וולט ומתחת ל-4,000 מילי-וולט. בנוסף, האותות צריכים להיות יציבים.

יותר מדי וריאציות וקפיצות עלולות להצביע על צימוד חיישן לא תקין או בעיות קישוריות כבלים או חומרה. במקרים מסוימים, ערוץ רוחבי אחד או שניים, אחד ושניים משמאל ו-15 ו-16 מימין עשויים להיות ממוקמים מעל השיער וערכי האות שלהם נמוכים מדי. אתה יכול פשוט להמשיך ולחסל את הערוצים האלה בהמשך הניתוח.

ייתכן שיהיה עליך להתאים את ההגדרות על סמך כל נושא מכיוון שייתכנו הבדלים אינדיבידואליים גבוהים עקב תכונות אופטיות שונות של עור בודד. כדי לשנות תחילה את הגדרות המכשיר, לחץ על עצור את המכשיר הנוכחי. לאחר מכן לחץ על מאפייני המכשיר בחלונית השמאלית.

עבור ללשונית הגדרות רכישת נתונים בתיבת הדו-שיח. אם תרצה להגדיל את ערכי האות תחילה, הגדל את ערך זרם ה-LED. עלייה בערך זרם ה-LED פירושה שהנוריות יאירו בהירות יותר.

אם תרצה להעלות תחילה את רמות האות, הקטן את הרווח. ערך הרווח הראשוני משמש עבור כל הווקסל. לאחר הגדרת הערכים, לחץ על שמור ולאחר מכן לחץ על התחל.

המכשיר הנוכחי להתחלת רכישת נתונים עם פרמטרים חדשים שנקבעו, מקובל ושימושי גם להשתמש בסמנים לזיהוי אירועים מסוימים במהלך ניסויים. ישנם שני סוגים של סמנים, ידניים ואוטומטיים. סמנים ידניים נוצרים על ידי לחיצות כפתור בחלון הראשי של K, והם מתויגים בזמן ונשמרים עם נתוני FNIR.

סמנים אוטומטיים מתקבלים מהתקן חיצוני או מתוכנת מחשב כדי לקבל סמנים אוטומטיים בזמן שההתקן נעצר. עבור להגדרות המכשיר הממוקמות בחלונית השמאלית ובתוך בדיקת הכרטיסייה הגדרות הסנכרון, הקשב לסמנים. יציאה טורית היא שיטה מוצעת לתקשורת סמן.

ודא שמספר היציאה הסידורית מוגדר למספר יציאה חוקי במחשב. לאחר מכן ניתן לשלוח תוכנות גירוי כגון ePrime או May Suite כדי לשלוח סמנים לפי ערכים שהתקבלו, מתויגים ונשמרים, יחד עם נתוני FNIR במחשב זה. אותות FNIR גולמיים הם אותות סדרות זמן שהם עוצמת אור.

ניתן להסיר רעש בנתונים לפני או אחרי המרה של אור גולמי. עוצמת. יש לבטל ערכים לערכי חמצון הנתונים הלא רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית כגון נשימה, פעימת לב ורעש ציוד ממדידות ה-FNIR הגולמיות. למרכיב הקשור לדופק יש בדרך כלל שיא שהוא סביב או מעל 0.5 הרץ והנשימה היא בין 0.2 הרץ ל-0.4 הרץ כדי לחסל את החפצים הפיזיולוגיים הללו.

נעשה שימוש בתגובת דחף סופית ובמסנני מעבר נמוך שלב ליניארי. אותות עשויים גם להיות פגומים על ידי חפצי תנועה. כאשר מקורות האור ו/או הגלאים של חיישן FNIR מחליקים ממיקומם המקורי המצורף או מאבדים מגע עם העור עקב תנועת ראש, פרץ פתאומי או קוצים בלתי צפויים יכולים להתרחש במדידות FNIR.

יתר על כן, אם מקור האור מאבד את הצימוד עם העור, הגלאי עשוי לרשום ערכים נמוכים מאוד מכיוון ששום אור לא יכול לעבור אליו או עוצמות גבוהות במיוחד ורוויה רגעית עקב האור המוחזר מפני העור. השפעות רוויה דומות עלולות להתרחש אם הגלאי קופץ ומאבד מגע עם העור. גרימת דליפת אור הסביבה לתנועת ראש עלולה לגרום לשינויים נוספים בלחץ המופעל על משטח החיישן או על מקורות האור והגלאים.

שינויים אלה עשויים לאפשר ליותר פוטונים להיכנס לרקמה, ובכך לשנות באופן זמני את עוצמת האור שזוהתה. מלבד רק בדיקה ויזואלית של הנתונים לאיתור חפצי תנועה אפשריים, יש מספר הולך וגדל של אלגוריתמים לזיהוי והסרה של חפצי תנועה כדי להפוך את התהליך לאוטומטי ולבטל סובייקטיביות אלגוריתמים להסרת חפצים בספרות נעים בין מסנני מעבר נמוכים ו-VAM פשוטים לניתוח גלים מניתוח רכיבים עצמאיים או עיקריים לסינון אופטימלי כגון מסנני ווינר ובוקרים אדפטיביים מערכות גלים רציפות. אותות FNIR גולמיים מומרים לשינויי החמצון היחסיים על ידי שימוש בבירה שהשתנתה Lambert Law.

צפיפות אופטית באורך גל כניסה ספציפי היא היחס הלוגריתמי של עוצמת אור הכניסה ועוצמת אור הפלט OD קשור גם לריכוז ומקדם הספיגה של כוח הכרומו, המרחק המתוקן של מקור האור והגלאי בתוספת גורם הנחתה קבוע בעל אותה עוצמת אור כניסה בשני מופעי זמן שונים. ניתן לכתוב את ההבדל ב-OD במונחים של ערכי עוצמת אור שזוהו בלבד. בדרך כלל, שני אורכי הגל שנבחרו הם אחד בטווח של 700 עד 900 ננומטר כאשר הספיגה של אוקסיהמוגלובין ודאוקסיהמוגלובין דומיננטית בהשוואה לכרומופור רקמות אחרות ושניים אחד מתחת ואחד מעל האיזו ספסטי, שהוא בערך 805 ננומטר שבו ספקטרום הספיגה של דאוקסי ואוקסיהמוגלובין חוצים זה את זה.

ניתן להגדיר משוואה זו כך שתפתור ריכוזים אם מטריצת שתיים על שתיים אינה משמעותית. לאחר חישוב שינויים יחסיים בערכי ההמוגלובין המחומצן והלא מחומצן. השלב הבא הוא לחלץ תכונות בהתאם לפרוטוקול הניסוי ולמשימה הקוגניטיבית בה נעשה שימוש.

חילוץ תכונות משמש לרוב להפחתת כמות הנתונים ולביצוע השוואות בין משימות קוגניטיביות שונות, קבוצות נבדקים ומיקומים אנטומיים באמצעות ניתוח סטטיסטי. תכונות נפוצות כוללות ערך מקסימלי מינימלי ממוצע או בינוני של ההמוגלובין המחומצן והלא מחומצן וזמן התגובה, שהוא הזמן שחלף עד להשגת המינימום או המקסימום. ניתן לחלץ תכונות אלה בתוך תגובה המודינמית מעוררת לגירוי קוגניטיבי מסוים המתקבל באמצעות שימוש בפרדיגמות ניסוי בודדות או עם עידן נתונים או בלוק נתונים המתאימים לתנאים מסוימים המיושמים באמצעות עיצובים ופרדיגמות ניסוי בלוק.

סוויטת מאי מורכבת משלושה מרכיבים שכל אחד מהם מכוון לשלב מסוים של הניסוי. תכנון, ניסוי וניתוח. Maze Maker מאפשר למשתמש לעצב בקלות סביבה תלת מימדית לכל שלב בפרוטוקול הניסוי.

ניתן ליצור סביבות פשוטות תוך רגעים. ראשית, הגדירו את שטח הרצפה ולאחר מכן השתמשו בכלי הקיר כדי להגדיר את גבולות המבוך. לבסוף, מקם את תנוחת ההתחלה של הנושא ולאחר מכן צא מהאזור.

לאחר השמירה, ניתן להשתמש בכלי ההפעלה המהירה כדי לבדוק את הסביבה באופן מיידי. ניתן ליצור סביבות מורכבות יותר כדי לעמוד בדרישות של תכנון ניסוי מסוים. ניתן להתאים אישית סביבות עם הצגת אובייקטים אינטראקטיביים, בקרות תאורה ומרקמים.

באמצעות Maze List Builder ניתן ליצור ולשמור קבצי Mel המשלבים שילובים מסוימים של מבוכים והודעות משתמש לשימוש כפרוצדורות ניסיוניות. ניתן להשתמש בפונקציונליות של Masis כדי לבצע את רמות העיצוב הניסיוני הספציפיות שניתן לסדר עם קושי הולך וגדל או אקראי כלוח סיפור או עם רמות בקרה לעומת ניסוי. ניסויים בודדים של הניסוי מנוהלים באמצעות תוכנית Maze Walker.

שינוי הגדרות ב-Maze Walker מאפשר למשתמשים לציין עוד יותר את תנאי הניסוי. ניתן לשנות את הפקד כדי לקבל קלט ממכשירים שונים כולל מקלדת, עכבר וג'ויסטיק. מכשירים חיצוניים יכולים לעסוק בתקשורת דו-כיוונית עם Maze Walker באיסוף מידע או הפעלת שינויים בסביבה.

ניתן לטפל בתקשורת התקנים באמצעות T-C-P-I-P או כבל טורי ויכולה להתממשק עם מגוון רחב של התקנים כולל E-E-G-F-M-R-I ו-FNIR. במהלך המפגשים, מייס ווקר הייתה רושמת את תנועת הנושא יחד עם כל האירועים שהתרחשו במהלך המפגש. עם תוכנית Maze Analyzer, ניתן להציג קבצי MACE עם נתיב משתמש מוקלט לסקירה.

ניתן לכסות מסלולים שונים כדי לסייע בניתוח וניתן לחשב מידע סטטיסטי על ניסויים שונים. בנוסף, ניתן לייצא מידע שנאסף לאקסל או ל-MATLAB לעיבוד נוסף. הרפרטואר הקוגניטיבי שלנו כולל מגוון רחב של פונקציות ויכולות שניתן לגשת אליהן באמצעות שימוש במגוון משימות, כולל ניווט מרחבי וירטואלי, הפעלת מוח מבוכים דפוסים בקליפת המוח הקדמית משתנים מביצוע המשימה הראשונית לאחר התרגול ובמהלך השימור.

באמצעות FNIR והתמקדות בקליפת המוח הקדם-מצחית, אנו מנצלים את תפקוד קליפת המוח הקדם-מצחית, במיוחד תפקוד ניהולי, ויסות התפקוד הקוגניטיבי בפעולה, השימוש בקליפת המוח הקדם-מצחית במהלך משימות פתרון בעיות ושימוש במבנים ברמה גבוהה יותר תוך שמירה על פריטים מרובים בזיכרון העבודה. ארגון התרגול בעת לימוד מספר משימות דומות הוא תופעת למידה הנקראת אפקט ההפרעה ההקשרית. ההשפעות של ההפרעה ההקשרית ניכרות כאשר אנשים רוכשים משימות מרובות בלוחות זמנים שונים של תרגול.

הפרעות הקשריות גבוהות נוצרות כאשר משימות שיש ללמוד מוצגות בסדר בלתי צפוי שאינו רציף. תרגול חסימת הפרעות הקשרית נמוכה נוצר כאשר המשימות שיש ללמוד מוצגות בסדר צפוי. כל אחד מהם ביצע 315 ניסויי רכישה, 105 ניסויים של כל אחד משלושת המבוכים במשך שלושה ימים, שני, רביעי ושישי.

ביום שני שלאחר מכן, 72 שעות לאחר הרכישה, בוצעו 30 ניסויי שימור ו-20 ניסויי העברה בסדר אקראי. פעילות קליפת המוח הקדם-מצחית נוטרה במהלך כל השלבים עבור 16 אתרים אופטו. שימוש במדדים תלויי FNIR כלל שינויים יחסיים בממוצע המחומן, ההמוגלובין ומדדים התנהגותיים של זמן כולל, מסלול, אורך ומהירות ממוצעת עבור המבוכים.

תוצאות ההתנהגות מראות כי עבור שני סדרי התרגול, יש מגמת ירידה מונוטונית לזמן המבוך, הזמן הכולל הדרוש להשלמת המבוך מצביע על כך שכאשר המשתתפים מתרגלים, הם השלימו את המבוך בפרקי זמן קצרים יותר, מה שצפוי להערכות התנהגותיות של למידה. בנוסף, מהירות המבוך, המהירות הממוצעת שבה המשתתפים מנווטים במבוך עולה עם התרגול. שוב, צפוי שיפור במדדים התנהגותיים לאורך זמן כמסקנות של למידה עבור תוצאות אלה.

יש השוואה זו לצד זו של תרגול אקראי לעומת בלוק עבור כל משימת העברה למשימת העברה קלה יותר. תרגול של ארבעה בלוק במאי עלה על אימון אקראי. עם זאת, עבור משימת ההעברה הקשה יותר, מבוך חמש, תרגול אקראי היה עדיף על חסימה ממוצעת מחומצנת.

שינויים בריכוז ההמוגלובין במהלך ניסויי תרגול מצביעים על כך שהסדר החסום דרש הפעלה מוחית גבוהה יותר בהשוואה לסדר האקראי. בנוסף, כאשר משווים בתוך סדר תרגול ללמידה בסדר חסום, משימה חדשה, כמו בשלב ההעברה, דרשה הפעלה מוחית גבוהה יותר. בהתחשב בכך שסדר התרגול היה שונה עבור המשימות שכבר נלמדו.

עבור המשתתף שלמד את המטלה בסדר חסום, סדר תרגול אקראי מרובד זה עשוי להיות חדשני מספיק כדי לדרוש מאמץ נוסף ומשאבים קוגניטיביים לביצוע המשימה. יתר על כן, עבור סדר התרגול האקראי, שלב ההעברה של ההפעלה העצבית לא היה גבוה משלב השימור. לסיכום, מחקר גישוש זה הדגים את השימוש בסוויטת מאי וב-FNIR כדי לחקור היבטים נוירו-התנהגותיים של למידה בניווט מרחבי.

May Suite מאפשרת עיצוב ויישום של סביבות תלת מימד פשוטות עם ממשק גרפי ידידותי למשתמש, והיא מתעדת באופן אוטומטי מדדים התנהגותיים עבור השוואות בתוך נושא או בין נושאים. FNIR הוא כלי ניטור מוח נייד, בטוח ולא פולשני ששימש במעבדות קליניות ובסביבות טבעיות לחקר הפעלת המוח. אנו מקווים שמצגת זו עזרה בהסבר הכלים הללו.

בהצלחה בניסויים שלך.