Name: 空間ナビゲーションで学習研究するために近赤外分光法をMazeSuiteおよび機能の使用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 20 min 12 s
Description: 学ぶMazeSuiteとfNIRを用いた空間ナビゲーション学習の神経行動学的研究方法。背外側前頭前野の認知活動を非侵襲的にモニタリングし、3D迷路課題における脳血流動態変化を測定する手法を解説します。

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この仕事のための資金は、ペンシルベニア州の連邦＃4100037709外注＃240468とドレクセル大学下請け＃280773によって部分的に提供されていました。

<ol><li>Ayaz, H., Allen, S. L., Platek, S. M., Onaral, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maze+Suite+1.0%3A+a+complete+set+of+tools+to+prepare%2C+present%2C+and+analyze+navigational+and+spatial+cognitive+neuroscience+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Res+Methods%22%5BJournal%5D)">Maze Suite 1.0: a complete set of tools to prepare, present, and analyze navigational and spatial cognitive neuroscience experiments.</a> Behav. Res Methods. 40, 353-359 (2008).</li>
<li>Chance, B., Zhuang, Z., UnAh, C., Alter, C., Lipton, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cognition-activated+low-frequency+modulation+of+light+absorption+in+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Cognition-activated low-frequency modulation of light absorption in human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90, 3770-3774 (1993).</li>
<li>Villringer, A., Planck, J., Hock, C., Schleinkofer, L., Dirnagl, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Near+infrared+spectroscopy+%28NIRS%29%3A+a+new+tool+to+study+hemodynamic+changes+during+activation+of+brain+function+in+human+adults%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+letters%22%5BJournal%5D)">Near infrared spectroscopy (NIRS): a new tool to study hemodynamic changes during activation of brain function in human adults.</a> Neuroscience letters. 154, 101-104 (1993).</li>
<li>Hoshi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-synchronous+behavior+of+neuronal+activity%2C+oxidative+metabolism+and+blood+supply+during+mental+tasks+in+man%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+letters%22%5BJournal%5D)">Non-synchronous behavior of neuronal activity, oxidative metabolism and blood supply during mental tasks in man.</a> Neuroscience letters. 172, 129-133 (1994).</li>
<li>Strangman, G., Boas, D. A., Sutton, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+neuroimaging+using+near-infrared+light%5BTitle%5D)+AND+%22Biological+psychiatry%22%5BJournal%5D)">Non-invasive neuroimaging using near-infrared light.</a> Biological psychiatry. 52, 679-693 (2002).</li>
<li>Coyle, S., Ward, T. E., Markham, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain-computer+interface+using+a+simplified+functional+near-infrared+spectroscopy+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+neural+engineering%22%5BJournal%5D)">Brain-computer interface using a simplified functional near-infrared spectroscopy system.</a> Journal of neural engineering. 4, 219-226 (2007).</li>
<li>Ayaz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+brain+monitoring+for+operator+training+and+mental+workload+assessment%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Optical brain monitoring for operator training and mental workload assessment.</a> Neuroimage. , (2011).</li>
<li>Izzetoglu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+near-infrared+neuroimaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Neural+Syst+Rehabil+Eng%22%5BJournal%5D)">Functional near-infrared neuroimaging.</a> IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 13, 153-159 (2005).</li>
<li>Izzetoglu, M., Bunce, S. C., Izzetoglu, K., Onaral, B., Pourrezaei, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+brain+imaging+using+near-infrared+technology%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Eng+Med+Biol+Mag%22%5BJournal%5D)">Functional brain imaging using near-infrared technology.</a> IEEE Eng Med Biol Mag. 26, 38-46 (2007).</li>
<li>Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploring+Cognitive+Functions+in+Babies%2C+Children+%26+Adults+with+Near+Infrared+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy.</a> J. Vis. Exp. (29), e1268-e1268 (2009).</li>
<li>Izzetoglu, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+evolution+of+field+deployable+fNIR+spectroscopy+from+bench+to+clinical+settings%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Innovative+Optical+Health+Sciences%22%5BJournal%5D)">The evolution of field deployable fNIR spectroscopy from bench to clinical settings.</a> Journal of Innovative Optical Health Sciences. 4, 1-12 (2011).</li>
<li>Van Horn, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changing+patterns+of+brain+activation+during+maze+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Changing patterns of brain activation during maze learning.</a> Brain Res. 793, 29-38 (1998).</li>
<li>Shewokis, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Memory+consolidation+and+contextual+interference+effects+with+computer+games%5BTitle%5D)+AND+%22Perc+Motor+Skills%22%5BJournal%5D)">Memory consolidation and contextual interference effects with computer games.</a> Perc Motor Skills. 97, 581-589 (2003).</li>
<li>Magill, R. A., Hall, K. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+the+contextual+interference+effect+in+motor+skill+acquisition%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Movement+Science%22%5BJournal%5D)">A review of the contextual interference effect in motor skill acquisition.</a> Human Movement Science. 9, 241-289 (1990).</li>
<li>Ayaz, H., Onaral, B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Analytical+software+and+stimulus-presentation+platform+to+utilize%2C+visualize+and+analyze+near-infrared+spectroscopy+measures+Masters+Degree++%5B%5D%22">Analytical software and stimulus-presentation platform to utilize, visualize and analyze near-infrared spectroscopy measures Masters Degree thesis [dissertation]</a>. , Drexel University. (2005).</li>
<li>Ayaz, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAyaz%2C+H+%22Advances+in+Understanding+Human+Performance%3A+Neuroergonomics%2C+Human+Factors+Design%2C+and+Special+Populations%22">Advances in Understanding Human Performance: Neuroergonomics, Human Factors Design, and Special Populations</a>. Marek, T., Karwowski, W., Rice, V. 3, CRC Press Taylor & Francis Group. 21-31 (2010).</li>
<li>Izzetoglu, M., Chitrapu, P., Bunce, S., Onaral, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motion+artifact+cancellation+in+NIR+spectroscopy+using+discrete+Kalman+filtering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+engineering+online%22%5BJournal%5D)">Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using discrete Kalman filtering.</a> Biomedical engineering online. 9, 16-16 (2010).</li>
<li>Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((HomER%3A+a+review+of+time-series+analysis+methods+for+near-infrared+spectroscopy+of+the+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Opt%22%5BJournal%5D)">HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain.</a> Appl Opt. 48, 280-298 (2009).</li>
<li>Zhang, Q., Strangman, G., Ganis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+filtering+to+reduce+global+interference+in+non-invasive+NIRS+measures+of+brain+activation%3A+How+well+and+when+does+it+work%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Adaptive filtering to reduce global interference in non-invasive NIRS measures of brain activation: How well and when does it work?</a> Neuroimage. 45, 788-794 (2009).</li>
<li>Izzetoglu, M., Devaraj, A., Bunce, S., Onaral, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Motion+artifact+cancellation+in+NIR+spectroscopy+using+Wiener+filtering%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using Wiener filtering.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 52, 934-938 (2005).</li>
<li>Cope, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCope%2C+M+%22The+development+of+a+near+infrared+spectroscopy+system+and+its+application+for+non+invasive+monitoring+of+cerebral+blood+and+tissue+oxygenation+in+the+newborn+infant%22">The development of a near infrared spectroscopy system and its application for non invasive monitoring of cerebral blood and tissue oxygenation in the newborn infant</a>. , University College London. London. (1991).</li>
<li>Elwell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+adult+cerebral+hemodynamics+by+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Quantification of adult cerebral hemodynamics by near-infrared spectroscopy.</a> Journal of Applied Physiology. 77, 2753-2753 (1994).</li>
<li>Wyatt, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitation+of+cerebral+blood+volume+in+human+infants+by+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Quantitation of cerebral blood volume in human infants by near-infrared spectroscopy.</a> Journal of Applied Physiology. 68, 1086-1086 (1990).</li>
<li>Ayaz, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Functional+Near+Infrared+Spectroscopy+based+Brain+Computer+Interface+++%5B%5D%22">Functional Near Infrared Spectroscopy based Brain Computer Interface PhD thesis [dissertation]</a>. , Drexel University. (2010).</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+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives.</a> Nat Rev Neurosci. 4, 139-147 (2003).</li>
<li>Shadmehr, R., Holcomb, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+correlates+of+motor+memory+consolidation%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Neural correlates of motor memory consolidation.</a> Science. 277, 821-825 (1997).</li>
</ol>

fNIRデバイスは、LLCは、光脳機能イメージング機器とドレクセル大学からライセンスされたIPとノウハウを製造しています。 H. Ayaz、M. Izzetoglu、K. IzzetogluとB. Onaralは、技術開発に関与し、したがって、新しいスタートアップ企業のfNIRデバイス、LLCのマイナーシェアを提供された。

人間の脳の前頭前野（PFC）は、内部の目標に関連して思考と行動の調整上の認知制御を容易にします。特に、前方/背外側PFCは、そのようなタスク管理、計画と空間ナビゲーション25と高次認知機能を仲介することが知られている。 fNIRは、脳の活性化を調べるために臨床、実験室および自然な設定で使用されているポータブル、安全かつ非侵襲的脳モニタリングツールです。この予備研究では、迷路のスイートと空間ナビゲーションの神経行動学的側面を研究するためにfNIRの使用を示した。この探索的研究では、MazeSuiteのプラットフォームは、背側PFCの空間ナビゲーションの神経行動学的側面を研究し、これら2つのツールの組み合わせを示すためにfNIRと組み合わせて使用​​されます。 MazeSuiteは、実験デザイン、プレゼンテーションおよび分析プラットフォームです。それはユーザーフレンドリーなグラフィカルインターフェースで簡単な3D環境の創造と応用を可能にし、自動的に被写体内やサブジェクトの比較全体のための行動措置を記録します。 MazeSuite環境のプレゼンテーション中に、同時時刻同期fNIRの測定は、市販の、携帯型、連続波のfNIRシステム（イメージャー1000、fNIRデバイス、LLC）とCOBI Studioソフトウェア15を用いて撮影した。 fNIRは、以前に脳の活性化7,11の研究のための臨床、研究室と自然環境に安全かつ効果的な非侵襲的脳モニタリングツールとして確立されていると空間ナビゲーションタスクの中に文脈干渉に伴う認知応答を調査するために本研究で使用されています。 練習の順序文脈干渉の影響を調べるために、被験者は、どちらか低い干渉（BLK）または高い干渉（RND）の練習のために発表された。これらの個別の練習スケジュールが取得、保有及び移転テスト全体で複数の仮想空間ナビゲーションの迷路のタスクを学習の効果をテストするために使用されていました。行動の結果は、実際の注文の両方のために、被験者の練習として、彼らはより短い期間で各迷路を完了したことを示唆し、迷路を完了するために必要な合計時間の単調な減少傾向があることを示している。さらに、被験者が迷路（迷路速度を）移動元と平均速度は、実際に増加した。時間にわたって行動措置でこれらの改善は、学習の推論を期待されています。練習の試験期間中のオキシヘモグロビンの濃度変化は、RNDの練習の順序と比較するとBLKの練習は、高次脳の活性化を必要とすることを示す意味する。 RNDそれぞれ保持し、転送、両方のBLKの練習の順序に比べて速く完了時間と短いパス長をもたらした練習を。 PFCの活性低下を示す保持試験間BLKのための酸素ヘモグロビンの平均値とRND実際に見られる減少傾向。以前の研究では12,26を学習の後の段階におけるPFCの活性低下があることを示唆しているとして、この発見が期待されている。 また、転送フェーズ中に、新しい迷路のナビゲーションは、RND主題の練習に比べBLKの練習の主題のための高次脳の活性化が必要。練習の順序は、すでに学んだタスク（すなわち、maze1、maze2、およびmaze3）のための異なっていたことを考えると、シーケンシャル（BLK練習）の順序でタスクを学んだ主題は、この層化の練習の順序は、必要とするように十分に斬新されている可能性がありますタスク12,26を実行するための付加的な努力と認知資源。しかし、RNDの練習のために、神経活性化の転送フェーズでは、リテンションの位相よりも高くはなかった。これらの知見は、ヴァンホーンと同僚12で報告される仮想迷路の空間的ナビゲーションとPETの知見を裏付け。 要約すると、我々は空間的ナビゲーションタスクを学習する際の順序を実践に関連する文脈干渉の影響に関する研究のためのCOBI Studioと組み合わせてMazeSuiteの使用を記載。ここで説明fNIR方法は空間ナビゲーションタスクに限定されるものではなく、他のニューロイメージング研究におけるさまざまなタスクに使用することができます。調査の設計、実装、データ収集と分析のフェーズは、今後の研究のための指針を提供する意図で説明された。

<ul><li>迷路スイートwww.mazesuite.com </li><li> fNIRイメージャ1000年www.fnirdevices.com </li></ul>

空間ナビゲーションで学習研究するために近赤外分光法をmazesuiteおよび機能の使用

Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

MazeSuiteは、ナビゲーションおよび空間的な実験を提示し、分析し、1を準備する完全なツールセットです。 MazeSuiteは、設計および編集適応仮想3D環境を、仮想環境内で、参加者の行動のパフォーマンスを追跡し、脳波と眼球の追跡を含む生理学的および神経画像措置、のための外部デバイスとの同期に使用することができます。 機能的近赤外分光法（fNIR）は、ヒトの脳機能2-7関連する脳の血液酸素化の変化の、連続的な非侵襲的、およびポータブルモニタリングを可能にする光学的脳イメージング技術です。過去10年間fNIRが効果的にメモリと7-11を問題解決の作業、などの注意などの認知タスクを監視するために使用されます。 fNIRはウェアラブルとそれほど煩わしい装置の形で実現することができる、それは生態学的に有効な環境での脳活動を監視する能力を持っています。 認知機能の練習後、保持12の間に、最初の小説のタスクのパフォーマンスと異なる前頭前野（PFC）の脳の活性化のパターンを伴うタスクのパフォーマンスによって評価。のない活性化に少しはあったものの局所脳血流量が仮想迷路の空間ナビゲーションのエンコーディング（すなわち、初期ライブラリー - 全曲無料試聴できるパフォーマンス）の間に右前頭葉でアクティブ化されたことがわかった陽電子放射断層撮影法（PET）、ヴァンホーンと同僚の使い方練習後、保持テスト時の前頭部。個人別の練習スケジュール13,14の下に複数のタスクを取得するときにまた、文脈干渉、実際の組織に関連する学習現象の影響は明白です。学習するタスクは、非シーケンシャル、予測不可能な順番で提示されている場合、高文脈干渉（ランダム練習スケジュール）が作成されます。学習するタスクが予測可能な順序で提示されるときに低文脈干渉（ブロックされた練習スケジュール）が作成されます。 ここで我々の目標は2つあります：認知光脳イメージング（COBI）Studioソフトウェア15を使用してfNIRの脳活動のモニタリングシステムのセットアップと展開を実証するために、実験プロトコルの設計プロセスとMazeSuiteの使用、および秒を説明する最初の。我々の目標を説明するために、調査からサブサンプルは、単一の実験でMazeSuiteとCOBI Studioの両方の用途を示すことが報告されている。研究では、買収時のPFCの認知活動の評価とブロックとランダム注文のコンピュータの迷路タスクの学習を行います。二右利きの成人（1つはオス、メス一）315獲得、30保持して四日間で20の転送試験を行った。調査の設計、実装、データ収集と分析のフェーズは、今後の研究のための指針を提供する意図で説明された。

MazeSuiteは、ナビゲーションおよび空間的な実験を準備し、提示し、分析するための完全なツールセットです。機能的近赤外分光法（fNIR）は脳血酸素代謝変化の非侵襲的、ポータブルモニタリングを可能にする光学的脳イメージング技術です。本論文では、認知処理の学習のパラダイム内MazeSuiteとfNIRの集団的使用をまとめたものです。

空間ナビゲーションで学習研究するために近赤外分光法をMazeSuiteおよび機能の使用

MazeSuiteは、ナビゲーションおよび空間実験の準備、提示、解析を行うための完全なツールセットです1。MazeSuiteを使用して、最適化された...を設計および編集することができます。

using-mazesuite-functional-near-infrared-spectroscopy-to-study

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このビデオは、マウスでBarnes Mazeを使用する方法を示しています。Barnes...

Barnes Maze:実験動物における空間的学習と記憶の評価方法

このプロトコルの目標は、げっ歯類の空間認知を調査することです。ダブルHウォーター迷路は新しいテストであり、学習、統合、記憶のさまざまな要素、および記憶システムの相互作用を解明するのに特に役立ちます。...

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この論文は、空間記憶と学習を評価するために使用される標準的なげっ歯類のパラダイムであるバーンズ迷路の修正版を、小さな有鱗目爬虫類で使用するためのものです。...

小さなうろこに覆われた爬虫類の空間学習と記憶を評価します

ここでは、モーションキューなどの代替視覚特徴が魚類の方向性決定にどのように影響するかを定量化する行動アッセイを示すプロトコルを提示する。代表的なデータは、ゴールデンシャイナー(Notemigonus...

Y-Maze内の視覚心理物理学アッセイを統合し、ナビゲーション上の意思決定で視覚的特徴が果たす役割を分離する

本プロトコルは、再構成可能な迷路、げっ歯類における空間ナビゲーションおよび行動表現型を試験するためのユニークなシステムを記述する。この迷路システムの適応性により、単一の物理環境でさまざまな実験を実行できます。構造再配列の容易さは、信頼性が高く再現性のある実験結果を生成します。...

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ここでは、仮想現実(VR)を使用してマウス空間学習を調査するための簡略化されたオープンソースのハードウェアとソフトウェアのセットアップを紹介します。このシステムは、マイクロコントローラのネットワークと使いやすいPythonグラフィカルソフトウェアパッケージを実行するシングルボードコンピュータを利用して、車輪の上で動作するヘッド拘束マウスに仮想リニアトラックを表示します。...

頭部拘束マウスの空間学習計測のためのオープンソースバーチャルリアリティシステム

この論文は、人間の脳における空間ナビゲーションのための機能的ネットワークを調査するための統合的アプローチを提示します。このアプローチには、大規模なニューロイメージングメタ分析データベース、安静時機能磁気共鳴画像法、ネットワークモデリング、グラフ理論技術が組み込まれています。...

ヒト脳における空間ナビゲーションのための機能的ネットワークのモデル化

ここでは、空間ナビゲーションとエピソード記憶能力の両方を評価する、新しく、簡潔で、アクティブな空間ナビゲーションタスクを紹介します。重要なことに、空間ナビゲーションとエピソード記憶は互いに関連しており、このタスクは運動に対する感受性を示しました。...

仮想空間における人間の空間ナビゲーションと運動感受性の評価

技術が広くマイクロバブルと超音波を用いたマウスにおける血液脳関門を開くために記述されています。このテクニックを使用して、マンガンは、マウスの脳に投与することができる。マンガンは脱分極の神経細胞に蓄積するMRI造影剤であるため、このアプローチは、神経活動のイメージングを可能にします。...

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

我々は、神経発達の起源の認知障害によって特徴づけられるマウスモデルにおける空間学習課題への曝露後の海馬ニューロンの活性化のプロファイルを研究するために免疫組織化学プロトコルを記述します。このプロトコルは、認知障害によって特徴付けられる遺伝的または薬理学的両方のマウスモデルに適用することができます。...

神経発達障害のマウスモデルにおける空間学習した後、海馬ニューロン活動の免疫組織化学的可視化

学ぶMazeSuiteとfNIRを用いた空間ナビゲーション学習の神経行動学的研究方法。背外側前頭前野の認知活動を非侵襲的にモニタリングし、3D迷路課題における脳血流動態変化を測定する手法を解説します。

空間ナビゲーションで学習研究するために近赤外分光法をMazeSuiteおよび機能の使用

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