ここでは、特に子供の脳の発達を研究するには、赤外分光法（fNIRS）、認知神経科学で使用される新規非侵襲的脳機能イメージングシステムの近くに機能するためのデータ収集とデータ分析の方法を説明します。このメソッドは、データ収集およびデータの解釈と科学的発見に不可欠な分析の普遍的な標準を提供します。
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この記事について
サマリー
要約
そのような言語1,2,3,4,5,6,7,8,9,10、メモリ11、及び注意12などの高次認知過程に関連皮質の活性化を調査する赤外分光法（fNIRS）の研究、近機能の爆発進行中の典型的な非定型認知20,21,22と3,4,13,14,15,16,17,18,19世界的に関わる大人、子供や乳幼児です。認知神経科学のためfNIRSを用いての現代的課題は、彼らが23,24,25,26普遍的に解釈可能であり、したがって、機能的な組織と人間のより高い認知の基礎となる神経システムに関する重要な科学的問題を進めることができるようデータの体系的分析を達成することです。
既存のニューロイメージング技術は、どちらか少ない堅牢な時間や空間分解能を持っている。ポジトロンCTと機能的磁気共鳴イメージング（PETやfMRIが）より良い空間分解能を持っているのに対し、事象関連電位と磁気脳機能イメージング（ERPやMEG）は、優れた時間分解能を持っている。オキシヘモグロビンは優先的に680nmのとデオキシヘモグロビンによって吸収される近赤外域（700〜1000 nm）を、で、光の非イオン化の波長を使用しては、優先的に830nmの（例えば、実際に、非常に波長がにハードワイヤードで吸収されるここに示したfNIRS日立ETG - 400システム）、fNIRSはよくそれは放射線と良好な空間分解能（〜4cmの深さ）を使用せずに良好な時間分解能（〜5秒）の両方を持っているので、より高い認知の研究に最適、とされないことです参加者は密閉構造27,28に存在する必要があります。快適に普通の椅子（大人、子供）に座って、あるいはお母さんのラップ（乳幼児）に座っている間皮質活動の参加者が評価できる。特に、NIRSは事実上サイレント、（デスクトップのコンピュータのサイズ）ユニークなポータブルであり、そして参加者の微妙な動きに耐えることができます。これは、必ずしもそのキーコンポーネントの一つ音声生成や手話の手の中に口の動きとして持っている人間の言語の神経研究の場合に特に顕著である。
血行動態応答がローカライズされている方法は、レーザーエミッターと検出器の配列によってです。検出器は、皮質表面から反射される量を検出しながらエミッターは、非電離光の既知の強度を発する。近くに一緒にoptodesを、より空間分解能、さらに離れてoptodes一方、浸透の大きい深さ。のためのfNIRS日立ETG - 4000システム最適普及/解像度optodeの配列は、2センチメートルに設定されています。
私たちの目標は、フィールドを標準化し、共通のバックグラウンドを持っている別のfNIRSのラボが世界中で有効にするためのfNIRSデータの取得と分析の手法を示すことです。
プロトコル
パート1：参加者の前に研究室に到着
- 部屋は参加者に邪魔になる可能性があります余分な記事がないことを保証すること。
- - セットアップとfNIRS日立ETG - 4000のシステムで実験的なプロトコルをロードする。
- あなたの実験パラダイムを設定します。実験的なパラダイムはEprime、プレゼンテーション、PsyscopeやMatlabベースの心理学のツールボックスを含む別のプレゼンテーションソフトウェアでプログラムすることができます。ここでは、MATLABベースの心理学のツールボックスを使用してください。
- タイミングは、このように実験的なパラダイムが完全にデータの収集とタイムアウトする必要がある、データ解析のためのキーです。 fNIRS日立ETG - 4000は、データ収集またはその逆をトリガするために実験的なパラダイムを可能にする、機能をトリガしている。 fNIRS日立ETG - 4000のプレゼンテーションプログラムのトリガテストします。トリガは、並列、逐次、またはUSBポートを使用して行うことができます。ここでは、パラレルポートを介してトリガを示す。
- 前のfNIRSの調査を開始するには、参加者の背景のスクリーニングを行うことが重要です。プティト教授の研究室では、我々は参加者や親が勉強、適切な標準化されたアンケートを29に記入することによって背景のスクリーニングを実施する。
参加者が到着
- セッションを実施するために、専門の方法で参加者を治療することが重要です。実験が始まる前に、参加者または参加者の両親/法的保護者が同意書に署名する必要があります。それは、これらの重要でエキサイティングな実験では彼らの時間のために参加者に感謝することが重要です。
- 参加者は快適に近いfNIRSの試験室に装着されている。乳児の参加者は、親の膝の上に取り付けられていない可能性があります。
パート2：Optodesを配置＆10月20日システムを使用する
一貫性のあるデータの解釈を可能にする分析法の別のコンポーネントには、fNIRS記録プロトコルの標準化です。これはoptode配置、参加者の位置、および刺激提示ソフトウェアのトリガを伴います。プローブの正確な神経解剖学的配置の両方と関心領域（ROI）の確認、10〜20システム3,4,30を使用して実現されています。さらに、プローブの配列の定位局在は、各プローブの位置3,4に配置されたビタミンEのカプセルを実施した参加者の解剖学的MRI共同登録のスキャンにPolhemus社の高速TRAKシステムから3Dトラッキングの情報を重ねることによって参加者の頭蓋骨に確認された。最適な参加者の位置は、本体または椅子に接触することなく緩く吊り下げ、光ファイバと、リクライニングチェアで快適に、参加者を置くことに関与。
- 以下のヘッドの測定は、巻尺で撮影し、参加者のデータシートを下に書かれている。
- 周りイニオンへ[後]頭骨
- トップ上Inionsへ[後]頭骨
- トップ上の耳への耳
- サージカルテープは、特定のターゲットの位置をマークするために使用することができます。この実験では、FP、T3/T4、F8/F7を迎えます
- Optodeの配列は、実験の目的によって指示10月20日のポイントに停泊して特定のoptodesと参加者の頭の上に配置されています。
パート4：Optodeアレイのテスト
- 日立ETG - 4000のGUIインタフェースとプローブテストの紹介。
- 信号をテストする：一度optodesが参加者の頭皮に配置され、信号品質がテストされます。 optodeは明確なシグナルがない場合は、研究者がやさしくoptodeと頭皮の接続から毛を取り除く。機会にoptodesはアルコール綿で拭くことが必要な場合があります。
パート5：実験を実行する。
- 少なくとも二つの実験者が部屋に常に存在する必要があります。fNIRS日立ETG - 4000リアルタイム読み出すと参加者を観察し、他を観察つ。参加者に焦点を当てたビデオカメラを持っておくことを高く事後観察のために推奨されます。 fNIRS日立ETG - 4000の利点は、ビデオとfNIRSの信号が同期し、共同で登録されていることです。生成されたすべての関連情報およびファイルを含むログが保持されます。
- 実験的な血行動態のパラダイムを構築するのよく確立されたメソッドが存在する、すなわち設計およびイベント関連のデザインをブロックします。より完全な説明については最近のレビュー論文31を参照してください。
パート6：分析
すべてのデータが収集された、参加者は自分の時間と参加意欲のために感謝し、ラボを残している。分析がfNIRS日立ETG - 4000上で行われていないとして、として、ではなく、データは分析のコンピュータにエクスポートされます。
- ヘモグロビン濃度へμVからの変換。生の減衰値はレーザー強度の減衰（のようなμVで測定）で収集されるように、これらの値は、酸素と脱酸素化ヘモグロビンVALUに変換する必要があります。ES。これは、修正されたランバート - ベールの法則を使って行われます。
- 修正Beer - Lambertののアプリケーションは、2つの手順で行われている。散乱は、最初のパスの長さ、信号の計算されたベースラインへのそれぞれの波長（ΔAλ（t）は ）タスク（I タスク ）の間に光強度の光学濃度を比較することによって計算される（のための減衰にわたって一定であるという仮定の下で私ベースライン ）。各波長のΔAの値と変更されたランバート-ベールの法則を解決するためにサンプリングした時点（t）を。
式（1） 
式（2） 
λ1∈デオキシ、λ1∈オキシ 、波長λ2∈デオキシとλ2∈酸素は、組織内の単位濃度の距離ごとに吸収するために失われた光の割合を測定する吸光係数の定数である。その結果、CのデオキシとC オキシ値は、各tに対して脱酸素化と酸素化ヘモグロビンの濃度です。
パート7：代表的な結果
いくつかの明確な特性の典型的な血行動態の応答結果。酸素ヘモグロビンの応答では、特徴的なディップは、最初にあります。ニューロンの領域が活性化し、利用可能な酸素を枯渇させるようにこのディップが発生します。血流が増加するにつれて、酸素化ヘモグロビンを運ぶ、オキシヘモグロビンの応答は、定常状態のレベルに最初のベースラインレベルの上に急速に上昇する。領域はもはやアクティブにされていないときは、酸素ヘモグロビンの応答次の12から15秒以上の減衰ゆっくりとではベースラインレベルに下がります。初期のベースラインレベルに戻った血液動態反応の前に発生したアンダーシュートが時折あります。
悪い結果が適切に頭皮や過度の運動に装着されていないoptodesの形で通常です。ノイズのこれらのタイプ - "きっぱりと"、と呼ばれる - マイクロボルトの値が飽和し、異なるチャンネル数、状況に応じたやり方で酸素とデオキシ-応答の両方の動きとして、信号で顕著となっている。
デモ：光ファイバを振る。
統計的分析：各チャネルごとに、各参加者のと各タスクの抽出された酸素とデオキシヘモグロビンの値は、従来の統計分析に提出することができる、t -検定を含め、ANOVAs、相関等
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ディスカッション
本研究では、我々は人間の認知や知覚に関連して人間の脳機能を調べるために小説、非侵襲的fNIRSの脳のイメージング技術の使用を実証。 fNIRSを脳機能イメージングは、一日研究室で広く利用できる可能性があること、特に幼児や子供の集団で、医師のオフィスを非侵襲的脳機能イメージングの未来を表す場合があります、と臨床医がに関する基本的な科学的知見を適用できるように学校のシステムでその臨床実践への脳。
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開示事項
著者に開示すべき事項はありません。
謝辞
この作品は、LAP（PI）への補助金によって支えられている。
国民健康R21 HD50558の研究所、2005から07を受賞、国立
健康R01 HD045822の研究所は、2004から09を受賞。ダナ財団助成を、
イノベーションのためのカナダの財団（"CFI"助成金）、授与、2004から06を受賞
2008-2012、オンタリオの研究助成は、2008から2012を受賞。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ETG-4000 | 日立 | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
参考文献
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再版と許可
