Utilizzando Fiberless, fNIRS indossabili per il monitoraggio attività cerebrale in compiti cognitivi del mondo reale
2 dicembre 2015
Monitorare l'attività cerebrale di fuori del laboratorio, senza vincoli fisici presenta sfide metodologiche. Un fiberless, sistema indossabile funzionale Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) è stato utilizzato per misurare l'attività cerebrale durante un compito di memoria prospettica ecologica. E 'stato dimostrato che questo sistema potrebbe essere usato per monitorare l'attività cerebrale durante gli esperimenti non basati laboratorio.
L'obiettivo generale di questo studio è valutare l'uso di un sistema di spettroscopia fibrosa, funzionale, nel vicino infrarosso per monitorare i cambiamenti del lobo frontale, dell'emodinamica e dell'ossigenazione indotti da un compito cognitivo. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave sulla funzione della corteccia prefrontale che sono studiate in modo ottimale in contesti naturalistici piuttosto che in laboratorio. Ner malati.
I vantaggi di essere indossabile non invasivo e portatile con restrizioni minime lo rendono adatto a monitorare l'attivazione funzionale cerebrale in soggetti in movimento libero in ambienti naturalistici, come nel centro di Londra. Questa tecnica può essere potenzialmente utilizzata per rilevare anomalie della corteccia prefrontale rostrale, che si avvalgono di compiti naturalistici, ma non in laboratorio. Può anche essere applicato a contesti clinici come la neuroriabilitazione per studiare l'effetto neurale delle procedure di allenamento.
A dimostrare la procedura saranno un responsabile delle pinne, un assistente di ricerca qui all'UCL e Beth Wickler, Sarah Power studenti post-laurea qui all'UCL Iniziare installando una telecamera sul petto dello sperimentatore per seguire i movimenti del partecipante. Quindi montare una telecamera frontale sulla spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso o F vicino al cappuccio di ombreggiatura, che viene utilizzato per proteggere il dispositivo dalla luce solare e per tracciare dove il partecipante guarda durante l'esperimento, preparare e accendere una telecamera per il secondo sperimentatore che segue il primo sperimentatore e il partecipante per l'intera sessione. Infine, pulisci l'auricolare F N'S con una salvietta igienizzante.
Prima dell'inizio dell'esperimento, chiedi al partecipante di firmare il modulo di consenso. Utilizzare il sistema 10 20 per digitalizzare gli optos e utilizzare le posizioni standard 10 20 per ottenere un posizionamento coerente delle cuffie FNE R in tutti i partecipanti. Usa un pennarello lavabile per segnare Nasion e Ian e misura la distanza tra questi due punti.
Quindi segna i punti preauricolari sinistro e destro e misura la distanza sopra la testa tra questi punti. Contrassegna i punti FPZ e FZ in base al sistema 10 20. Quindi, posiziona l'auricolare F Ns sulla testa del partecipante e allinea i canali otto e nove alla linea FPZ fz e sovrapponilo.
Il canale nove a FPZ assicura che la sonda sia fissata saldamente alla testa del partecipante. L'auricolare F N'S deve essere ben fissato all'estremità per evitare qualsiasi spostamento durante la camminata naturale, che può causare artefatti di movimento che corrompono la misurazione. Dopo la digitalizzazione, posizionare il cappuccio ombreggiante con la telecamera frontale montata sopra l'auricolare F NS.
Al fine di proteggere il dispositivo dalla luce solare, il cappuccio di spargimento è necessario per ridurre il rischio di saturazione dei rilevatori ottici, causato dalla luce solare. Infine, spiega le regole sperimentali al partecipante. Informarli che non è consentito correre e che devono rimanere all'interno dell'area esterna designata.
Esci per iniziare l'esperimento. Inizia premendo il pulsante di accensione sulla scatola portatile e metti gli F ns in modalità wireless. Quindi aprire il software di acquisizione F NS sul laptop F Ns e stabilire una connessione con la scatola portatile.
Premere il pulsante di regolazione della sonda per ottimizzare il guadagno del rivelatore sulla base della luce rilevata. Quindi, premi il pulsante di preparazione e inizia ad acquisire i dati per un minuto. Controllare se un battito cardiaco è visibile sui segnali di concentrazione, il che garantisce una buona qualità del segnale.
Premere il pulsante di accensione sulla scatola portatile per disattivare la modalità wireless. Inoltre, premi il pulsante di accensione e il pulsante della modalità sulla scatola portatile per mettere la F nears in modalità autonoma. Quindi, accendi la fotocamera principale ed entrambe le fotocamere dello sperimentatore.
Per avviare le riprese, premere il pulsante di regolazione della sonda sulla scatola portatile di F N'S per ottimizzare il guadagno del rilevatore. Quindi premere il pulsante di arresto della riproduzione sulla scatola portatile per avviare l'acquisizione di FN. Infine, aggiungi manualmente un marcatore ai dati di F n utilizzando il pulsante di contrassegno sulla scatola portatile di F n in combinazione con un trigger audio, che deve essere chiaramente registrato su tutte le videocamere.
Quindi inizia l'esperimento per valutare la funzione della corteccia frontale, chiedi al partecipante di completare un compito di memoria prospettica. Inizia facendo stare il partecipante fermo su una strada in cui viene condotto il test e conta il numero di stimoli su un pezzo di carta. Quindi chiedi al partecipante di camminare per un breve tratto a un ritmo normale.
Per la condizione di base, chiedi al partecipante di camminare per la strada in cui viene condotto l'esperimento. Successivamente, chiedi al partecipante di camminare intorno all'area sperimentale e contare la presenza di determinati oggetti per completare la condizione in corso incontaminata. Per la condizione di memoria prospettica non sociale, chiedi al partecipante di dare un pugno a ciascun parchimetro quando si avvicina a una determinata distanza da esso.
Allo stesso tempo, il partecipante deve contare il numero di date e gli orari di apertura affissi sugli edifici. Successivamente, per la condizione di memoria della prospettiva sociale, chiedi al partecipante di dare un pugno a un confederato che si sposta in luoghi pre-specificati nell'area sperimentale. Allo stesso tempo, chiedi al partecipante di contare il numero di campanelli.
Quindi chiedi al partecipante di contare il numero di scale libere all'interno dell'area di test per completare la condizione di contaminazione in corso. Ripetere le due condizioni di riposo nell'ordine opposto. Infine, guarda il flusso video sincronizzato e annota l'inizio e la fine di ogni condizione sperimentale del compito cognitivo.
Ottenere timestamp per il punto in cui viene raggiunto ogni obiettivo di memoria prospettica. Infine, pre-elaborare i dati F NS. Rimuovi i rumori fisiologici con un filtro passa-banda e correggi gli artefatti di movimento.
Un sistema di spettroscopia fibrosa, indossabile, funzionale nel vicino infrarosso è stato utilizzato per misurare l'attività della corteccia frontale durante un compito di memoria prospettica ecologica. Le mappe dei colori mostrate sulla corteccia cerebrale indicano i cambiamenti di ampiezza nella concentrazione di ossiemoglobina e deossiemoglobina in tutti i canali di misurazione, mentre il partecipante esegue compiti di memoria prospettica sociale e non sociale. Questo profilo di cambiamenti emodinamici dimostra incrementi di ossiemoglobina e decrementi di deossiemoglobina che sono tipici dell'attivazione funzionale.
Questo è dimostrato in risposta a compiti di memoria prospettica non sociale e sociale. L'ossiemoglobina più alta aumenta e la deossiemoglobina diminuisce in base alla prospettiva sociale. I compiti di memoria sono localizzati sia sulla corteccia prefrontale sinistra che destra, mentre cambiamenti emodinamici simili durante i compiti di memoria in prospettiva non sociale sono principalmente localizzati nella corteccia prefrontale sinistra.
In questo video, abbiamo dimostrato come eseguire esperimenti funzionali utilizzando un dispositivo indossabile portatile per valutare l'attività cerebrale in compiti cognitivi basati sulla vita. Quindi l'esperimento attuale può durare fino a un'ora e 30 minuti, che include sia la configurazione sperimentale che l'esecuzione del compito funzionale. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di stabilizzare e proteggere la strumentazione e sincronizzare tutte le registrazioni.
I risultati percentuali sono preliminari e si riferiscono a un partecipante. L'analisi statistica è necessaria per localizzare l'attivazione funzionale. Oltre ad analizzare un campione più ampio includendo più partecipanti seguendo questa procedura, l'analisi delle registrazioni video deve essere eseguita al fine di recuperare gli eventi funzionali.
L'analisi comportamentale delle registrazioni video può aiutarci a collegare i dati di neuroimaging F nears alle prestazioni del partecipante. È anche possibile monitorare i cambiamenti sistemici, come la frequenza respiratoria cardiaca, e studiare come questi cambiamenti fisiologici possono influenzare il nostro neuro imaging etnico. Questa tecnologia può aprire la strada ai ricercatori di neuroscienze cognitive per studiare la funzione cerebrale in contesti naturalistici e aperti.
Panoramica
Questo studio valuta un sistema di Spettroscopia Near Infrared Funzionale (fNIRS) senza fibre, indossabile, per monitorare l'attività cerebrale durante compiti di memoria prospettica ecologica. Il metodo consente una misurazione non invasiva dell'attività del lobo frontale in ambienti naturali, fornendo informazioni sulla funzione della corteccia prefrontale.
Componenti principali dello studio
Area della scienza
- Neuroscienza
- Imaging cerebrale
- Psicologia cognitiva
Sfondo
- I metodi tradizionali di monitoraggio del cervello sono spesso limitati dalle condizioni di laboratorio.
- I sistemi fNIRS portatili possono facilitare la ricerca in ambienti reali.
- Comprendere la funzione della corteccia prefrontale è cruciale per l'analisi dei compiti cognitivi.
- Le tecniche non invasive sono essenziali per studiare soggetti in movimento libero.
Obiettivo dello studio
- Valutare l'efficacia di un sistema fNIRS indossabile nella misurazione dell'attività cerebrale.
- Esplorare compiti cognitivi in ambienti naturali.
- Investigare potenziali anomalie nella corteccia prefrontale durante compiti ecologici.
Metodi utilizzati
- I partecipanti hanno indossato un casco fNIRS portatile durante i compiti cognitivi.
- Le condizioni sperimentali includevano vari compiti di memoria in un ambiente all'aperto.
- L'acquisizione dei dati ha comportato il monitoraggio dei cambiamenti emodinamici nel lobo frontale.
- Le registrazioni video sono state sincronizzate con i dati fNIRS per l'analisi.
Principali risultati
- Il sistema fNIRS ha monitorato con successo l'attività cerebrale durante i compiti.
- Le mappe dei colori hanno indicato cambiamenti nelle concentrazioni di ossiemoglobina e desossiemoglobina.
- I risultati hanno dimostrato la fattibilità dell'uso dell'fNIRS in ambienti naturali.
- Dai dati sono state ottenute informazioni sulla funzione della corteccia prefrontale.
Conclusioni
- Il sistema fNIRS senza fibre è efficace per il monitoraggio cerebrale ecologico.
- Questo metodo può migliorare la comprensione dei processi cognitivi in ambienti reali.
- Le applicazioni future potrebbero includere ambienti clinici per la riabilitazione neurologica.
Domande frequenti
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.
