Name: ブロック設計を応用した機能近赤外分光法実験による定性的・比較皮質活動データ解析 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-12-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 18 s
Description: 学ぶ機能的近赤外分光法データ解析法。ブロック設計を用いて脳卒中患者の運動皮質活動を定性的・比較的に評価し、リハビリテーション介入前後の神経活動変化を信頼性高く解析する手法です。

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この研究の一部は、日本科学振興会(JSPS)科学研究助成(C)18K08956と福岡大学中央研究所(No.201045)からの基金によって支えられました。

本研究は福岡大学の機関審査委員会(IRB)(IRB 2017M017)によって承認されました。参加する前に、すべての患者は書面によるインフォームド・コンセントを提供しました。
1. fNIRS実験の準備
メモ:この実験には、マルチチャンネル連続波レーザーベースのNIRSシステムが使用されました。近赤外光の波長は780nm、805nm、830 nmで、サンプリングレートは7.8Hzに設定されました。時間と空間分解能(光放射器と検出器プローブ間の距離)は、それぞれ0.13sと3.0 cmであった。
<ol><li>fNIRS デバイスを暗いノイズのない場所にセットします。室温で実験を行う。実験の30分前にfNIRS計器を起動します。 注:fNIRSシステムは、機器26の安定した動作を確実にするために、制御された温度と湿度条件下で使用されます。</li>
	<li>fNIRS記録にはヘッドキャップ全体を使用し、国際10-20系の中央(Cz)に対応する位置がヘッドキャップのホルダー245に位置するように、被験者のヘッドキャップを被検者のヘッドキャップに取り付けます。(図1)。</li>
	<li>マーキングステッカーを基準位置ポイント(ナシオン(Nz)、右外部聴覚肉(AR)、左外部聴覚肉(AL)に貼り付けます。 注:3次元(3D)座標はNz、AR、ALマーキングステッカーとCzホルダーの位置の周りに読み取られるので、写真を撮る前にマーキングステッカーを貼る必要があります。</li>
	<li>空間登録用の高解像度デジタルカメラのキャリブレーション後、15の視点から参照ポイント(Cz、Nz、AR、LR)を示しながら、被写体の頭部をプローブ位置で撮影します。 メモ:プローブを配置する前に写真を撮ってください。プローブを配置した後に撮影した場合、プローブと配線コードによってマーカーランドマークが隠されている可能性があります。メーカーの推奨通り、12枚の写真を被験者の右に斜めに30°右に30°進めた後、Cz(ホルダNo.245)が写真に表示されるように、少し上に3枚以上の写真を撮ります。これは、合計15本以上のショットを撮影すると立体化しやすいからです。</li>
	<li>光を干渉する被検体の毛を、光発光ダイオード(LED)に点灯したプラスチックロッドを使用して慎重に分離し、プローブを取り付けます。オプトデが頭皮表面から最小の距離で、頭皮に接触するようにプローブを配置します。 注:自律神経系活性化23に関連する全身的な共創者の強度が増加するため、検眼剤の付着による患者の圧力または不快感があるかどうかを注意深くチェックしてください。</li>
	<li>48 チャンネルシステムを 32 光素 (16 個の光源と 16 個の検出器、 各半球の 4 x 4 アレイ) を、対象領域として正面および頭頂部の両側にヘッドキャップに配置します (図 2)。</li>
	<li>3D デジタイザ ソフトウェアを起動して使用し、空間登録を決定します。</li>
	<li>ヘッド全体の画像データをスキャンした後、自動測定によって各患者の空間座標を決定し 、Origin ファイルと Others ファイル(*CSVファイル)として保存します。 メモ:自動計測を使用して画像から座標点を検出できなかった場合は、手動で調整を入力します。</li>
</ol>2. 実験を実行する
<ol><li>実験のブロック設計を選択すると、手の開閉、指のタップなど、研究に興味のある動きがタスクにできます。前回の研究では、タスクはロボット支援肘の動き15でした。 注:各サイクルは3つのブロック(15 sの休息- 15 sのタスク - 15 sの休息)で構成され、各患者は各セッションで7サイクルを完了します。</li>
	<li>参加者は開始信号まで快適な位置で待たせます。残りの部分とタスク中に目を閉じるように被験者に指示します。</li>
	<li>開始と停止の手がかりを与える(すなわち、「肘の屈曲と延長を繰り返す」、「停止してリラックスする」)。 メモ:測定中は話しません。測定中にモニター画面のアーティファクトを注意深くチェックします。</li>
	<li>ブロック設計タスクを同じ姿勢で実行します。立ったり座ったりした姿勢は、ヘッドセットを歪めないようにするのが望ましい。 注:ヘッドホルダーを長時間装着した後に患者が不快に感じた場合は、ロボット支援運動中にプローブを取り外すか緩めます。</li>
	<li>NIRS測定が完了したら、ヘッドホルダーとマーキングステッカーを取り外して実験を終了します。 注:長引く着用による頭皮の皮膚損傷を注意深く確認してください。</li>
</ol>3. NIRS-SPMソフトウェアを用いた定性的GLM解析
<ol><li>MATLAB ソフトウェアで NIRS-SPM を起動します。NIRSデバイスから取得したHbO2 およびHHb濃度の変化に関連するデータファイルを、NIRS-SPM分析用のファイル形式に変換します。</li>
	<li>ポップアップメニューから「NIRS システムを使用する」オプションを選択します。ロードボタンを選択し、変換HbO2 とHHb濃度変更オプションを選択します。</li>
	<li>NIRSチャネルの場所の空間登録を検出します。[ スタンドアロン ]チェックボックスを選択し 、[3Dデジタイザーを使用 ]チェックボックスを選択します。</li>
	<li>[実数座標から MNI 空間]内で、ダイアログ ボックスを使用して _origin選択します。 座標参照点ファイルを参照するCSV、および _others。 座標プローブ/チャネル ファイルを参照する CSV。</li>
	<li>[ 登録 ] ボタンを選択します。空間推定に進むポイントを選択し 、[OK] ボタンをクリックします。[レンダリングされた 脳に対するプロジェクト MNI 座標]ボタンを クリックします。 注: NIRS チャネルの位置の空間位置は、モントリオール神経研究所 (MNI) の脳テンプレートに基づいて推定されます。</li>
	<li>[ 裏線ビュー]オプションを 選択し、[ 保存 ]ボタンをクリックします。</li>
	<li>[1st Levelを指定]セクションで、NIRSデータファイル名とSPMディレクトリを選択します。ヘモグロビンチェックボックスを選択します。HbO2または HHb. [設計の指定] オプションを強調表示し、[Sec]オプションを選択します。[条件/試行回数]オプションを強調表示し、7を入力します。</li>
	<li>[オンセットのベクトル]オプションと[期間]オプションをハイライトし、次のように実験条件の持続時間を掛けたオンセットのベクトルを入力します。 注: この場合、発症時間のベクトルは [15:45:285]または[15 60 105 150 195 240 285]と指定する必要があります。期間のベクトルは 、[15* ones(7,1)] または [15 15 15 15 15 15]で指定する必要があります。</li>
	<li>トレンドを解除するには、 ウェーブレット MDL ボタンを選択します。 事前の色付け方法を使用する:ローパスフィルタ を使用して、hrfボタンを選択し、シリアル相関を修正し 、none ボタンを選択します。</li>
	<li>時間相関を推定する際に、 個別分析をチェックします。 注: 個々の MNI 座標系での fNIRS チャネル位置の空間的なローカリゼーションをテキスト ファイルとして保存します。同様に、個々のブロドマン領域 (BA) に基づいてマップをテキスト ファイルとして保存します。</li>
	<li>時間相関を推定する際に、 グループ分析をチェックします。NIRS-SPMは、MNI標準化された脳座標系に従って参加者数の平均オプトデ位置を整列させた。</li>
	<li>標準化された脳のヘモグロビンレベルの変化に基づいて活性化マップを計算します。HbO2 およびHHbレベルは、p<0.01の未修正閾値で有意であると考えられた。 注: グループ分析のために、右側の影響を受ける側で左/右の情報が反転されました。</li>
</ol>4. 階層混合モデルに基づくマルチチャンネル比較解析
<ol><li>SAS ソフトウェアを起動します。テキストドキュメント (.TXT)のHBO2 とHHbの濃度変化は、ローパスフィルタで処理された(カットオフ周波数は0.1Hzに設定された)、スプレッドシートソフトウェアのカンマ区切り値ファイル(.CSV)。</li>
	<li>プログラムを使用して、SAS データのインポート (.sas7bdat) を作成します。</li>
	<li>次のコマンドでインポートファイルを出力し、libname out "ファイルをインポート"</li>
	<li>各サブジェクトの介入前ファイルと介入後ファイルを出力し、分析 SAS で次のコマンドを実行します。(図3)インポートファイルの作成中に、件名情報と介入前と介入後の情報を識別できる名前を付けます(例えば、id1 pre,id1 post.)</li>
	<li>各チャネルに対して、介入前および介入後のデータ・コマンドを実行します (ch1-48;HbO2およびHHb)は以下の通りである(図4)。</li>
	<li>出力結果から取得したデータに基づいて、スプレッドシートブックファイル(.xlsx)の各チャンネルの変更(タスク時と休息時の差)、休息値、タスク上の値(推定値、上限、下限)の前後介入の違いを入力します。</li>
	<li>同様に、固定効果タイプ 3 テストの相互作用項目の分子と分母の自由度、F 値、および P 値をスプレッドシート ブック ファイル (.xlsx) に入力します。</li>
	<li>マルチチャネルテストで誤検出率(FDR)を制御するには、ベンジャミン法とHochbergメソッド27 を使用し、0.01<p値でFDRを制御します。</li>
</ol>

<ol><li>Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Pugnetti, L., Baselli, G., Baglio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systematic+review+of+cerebral+functional+near-infrared+spectroscopy+in+chronic+neurological+diseases-actual+applications+and+future+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Diagnostics+%28Basel%29%22%5BJournal%5D)">A systematic review of cerebral functional near-infrared spectroscopy in chronic neurological diseases-actual applications and future perspectives.</a> Diagnostics (Basel). 10 (8), (2020).</li>
<li>Mihara, M., Miyai, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+functional+near-infrared+spectroscopy+in+neurorehabilitation%5BTitle%5D)+AND+%22Neurophotonics%22%5BJournal%5D)">Review of functional near-infrared spectroscopy in neurorehabilitation.</a> Neurophotonics. 3 (3), 031414(2016).</li>
<li>Yang, M., Yang, Z., Yuan, T., Feng, W., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+systemic+review+of+functional+near-infrared+spectroscopy+for+stroke%3A+Current+application+and+future+directions%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Neurology%22%5BJournal%5D)">A systemic review of functional near-infrared spectroscopy for stroke: Current application and future directions.</a> Frontiers in Neurology. 10, 58(2019).</li>
<li>Pinti, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+present+and+future+use+of+functional+near-infrared+spectroscopy+%28fNIRS%29+for+cognitive+neuroscience%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+the+New+York+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience.</a> Annals of the New York Academy of Sciences. 1464 (1), 5-29 (2020).</li>
<li>Obrig, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NIRS+in+clinical+neurology+-+a+%27promising%27+tool%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">NIRS in clinical neurology - a 'promising' tool.</a> Neuroimage. 85, Pt 1 535-546 (2014).</li>
<li>Fujimoto, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+changes+underlying+balance+recovery+in+patients+with+hemiplegic+stroke%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Cortical changes underlying balance recovery in patients with hemiplegic stroke.</a> Neuroimage. 85, Pt 1 547-554 (2014).</li>
<li>Herold, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+near-infrared+spectroscopy+in+movement+science%3A+a+systematic+review+on+cortical+activity+in+postural+and+walking+tasks%5BTitle%5D)+AND+%22Neurophotonics%22%5BJournal%5D)">Functional near-infrared spectroscopy in movement science: a systematic review on cortical activity in postural and walking tasks.</a> Neurophotonics. 4 (4), 041403(2017).</li>
<li>Leff, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+the+cerebral+cortex+during+motor+task+behaviours+in+adults%3A+a+systematic+review+of+functional+near+infrared+spectroscopy+%28fNIRS%29+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies.</a> Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).</li>
<li>Morishita, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+motor-related+cortical+activity+following+deep+brain+stimulation+for+parkinson%27s+Disease+detected+by+functional+near+infrared+spectroscopy%3A+A+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Changes in motor-related cortical activity following deep brain stimulation for parkinson's Disease detected by functional near infrared spectroscopy: A pilot study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 10, 629(2016).</li>
<li>Lee, S. H., Jin, S. H., An, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+difference+in+cortical+activation+pattern+for+complex+motor+skills%3A+A+functional+near-+infrared+spectroscopy+study%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Reports%22%5BJournal%5D)">The difference in cortical activation pattern for complex motor skills: A functional near- infrared spectroscopy study.</a> Science Reports. 9 (1), 14066(2019).</li>
<li>Hatakenaka, M., Miyai, I., Mihara, M., Sakoda, S., Kubota, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frontal+regions+involved+in+learning+of+motor+skill--A+functional+NIRS+study%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Frontal regions involved in learning of motor skill--A functional NIRS study.</a> Neuroimage. 34 (1), 109-116 (2007).</li>
<li>Saita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+therapy+using+botulinum+toxin+A+and+single-joint+hybrid+assistive+limb+for+upper-limb+disability+due+to+spastic+hemiplegia%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Neurological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Combined therapy using botulinum toxin A and single-joint hybrid assistive limb for upper-limb disability due to spastic hemiplegia.</a> Journal of the Neurological Sciences. 373, 182-187 (2017).</li>
<li>Chang, P. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+cortical+activation+pattern+by+a+rehabilitation+robotic+hand%3A+a+functional+NIRS+study%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The cortical activation pattern by a rehabilitation robotic hand: a functional NIRS study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 8, 49(2014).</li>
<li>Bae, S. J., Jang, S. H., Seo, J. P., Chang, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+optimal+speed+for+cortical+activation+of+passive+wrist+movements+performed+by+a+rehabilitation+robot%3A+A+functional+NIRS+study%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The optimal speed for cortical activation of passive wrist movements performed by a rehabilitation robot: A functional NIRS study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, 194(2017).</li>
<li>Saita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofeedback+effect+of+hybrid+assistive+limb+in+stroke+rehabilitation%3A+A+proof+of+concept+study+using+functional+near+infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Biofeedback effect of hybrid assistive limb in stroke rehabilitation: A proof of concept study using functional near infrared spectroscopy.</a> PLoS One. 13 (1), 0191361(2018).</li>
<li>Mihara, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Near-infrared+spectroscopy-mediated+neurofeedback+enhances+efficacy+of+motor+imagery-based+training+in+poststroke+victims%3A+a+pilot+study%5BTitle%5D)+AND+%22Stroke%22%5BJournal%5D)">Near-infrared spectroscopy-mediated neurofeedback enhances efficacy of motor imagery-based training in poststroke victims: a pilot study.</a> Stroke. 44 (4), 1091-1098 (2013).</li>
<li>Naseer, N., Hong, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((fNIRS-based+brain-computer+interfaces%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">fNIRS-based brain-computer interfaces: a review.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 9, 3(2015).</li>
<li>Mihara, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurofeedback+using+real-time+near-infrared+spectroscopy+enhances+motor+imagery+related+cortical+activation%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Neurofeedback using real-time near-infrared spectroscopy enhances motor imagery related cortical activation.</a> PLoS One. 7 (3), 32234(2012).</li>
<li>Tak, S., Jang, J., Lee, K., Ye, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+CMRO%282%29+without+hypercapnia+using+simultaneous+near-infrared+spectroscopy+and+fMRI+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Quantification of CMRO(2) without hypercapnia using simultaneous near-infrared spectroscopy and fMRI measurements.</a> Physics in Medicine and Biology. 55 (11), 3249-3269 (2010).</li>
<li>Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+comparison+of+simultaneous+BOLD+fMRI+and+NIRS+recordings+during+functional+brain+activation%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A quantitative comparison of simultaneous BOLD fMRI and NIRS recordings during functional brain activation.</a> Neuroimage. 17 (2), 719-731 (2002).</li>
<li>Scholkmann, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+continuous+wave+functional+near-infrared+spectroscopy+and+imaging+instrumentation+and+methodology%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology.</a> Neuroimage. 85, Pt 1 6-27 (2014).</li>
<li>Delpy, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+optical+pathlength+through+tissue+from+direct+time+of+flight+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurement.</a> Physics in Medicine and Biology. 33 (12), 1433-1442 (1988).</li>
<li>Tachtsidis, I., Scholkmann, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((False+positives+and+false+negatives+in+functional+near-infrared+spectroscopy%3A+issues%2C+challenges%2C+and+the+way+forward%5BTitle%5D)+AND+%22Neurophotonics%22%5BJournal%5D)">False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward.</a> Neurophotonics. 3 (3), 031405(2016).</li>
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<li>Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NIRS-SPM%3A+statistical+parametric+mapping+for+near-infrared+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy.</a> Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).</li>
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<li>Benjamini, Y., Hochberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+the+false+discovery+rate%3A+a+practical+and+powerful+approach+to+multiple+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Royal+Statistical+Society+Series+B%22%5BJournal%5D)">Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing.</a> Journal of the Royal Statistical Society Series B. 57 (1), 289-300 (1995).</li>
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<li>Pinti, P., Scholkmann, F., Hamilton, A., Burgess, P., Tachtsidis, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+status+and+issues+regarding+pre-processing+of+fNIRS+neuroimaging+data%3A+An+investigation+of+diverse+signal+filtering+Methods+within+a+general+linear+model+Framework%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Human+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Current status and issues regarding pre-processing of fNIRS neuroimaging data: An investigation of diverse signal filtering Methods within a general linear model Framework.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 12, 505(2018).</li>
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<li>Torricelli, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+domain+functional+NIRS+imaging+for+human+brain+mapping%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping.</a> Neuroimage. 85, Pt 1 28-50 (2014).</li>
<li>Giacalone, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-domain+near-infrared+spectroscopy+in+acute+ischemic+stroke+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Neurophotonics%22%5BJournal%5D)">Time-domain near-infrared spectroscopy in acute ischemic stroke patients.</a> Neurophotonics. 6 (1), 015003(2019).</li>
<li>Saita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contralateral+cerebral+hypometabolism+after+cerebellar+stroke%3A+a+functional+near-infrared+spectroscopy+study%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Stroke+and+Cerebrovascular+Diseases%22%5BJournal%5D)">Contralateral cerebral hypometabolism after cerebellar stroke: a functional near-infrared spectroscopy study.</a> Journal of Stroke and Cerebrovascular Diseases. 26 (4), 69-71 (2017).</li>
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著者らは、開示するこの研究に関連する利益相反を持っていません。

fNIRSのグループ分析法では、定性的 t-統計マッピングによるイメージング分析法の実行に加え、多チャンネル分析の比較を用いて、介入前と後の操作(ロボット支援運動)を比較した。定性解析では、NIRS-SPMソフトウェアを一般化線形モデルに基づく質量1変量法として用いた。NIRS-SPM分析では、タスク中に活性化領域を可視化することで、各セッションの定性的な結果を表示します。さらに、非侵襲的な3Dデジタイザーの情報は、脳に対するfNIRSチャネル位置の推定を可能にする。NIRS-SPM分析を用いたグループ分析では、感覚運動タスク中の介入前と後の介入の大まかな脳活性化領域を捉えることができたが、同じチャネルの変化の違いを比較することができなかった。NIRS-SPMの所見を裏付けるために、感覚運動タスクによって誘導されるヘモグロビンレベルの変化の振幅を、同一の研究対象で2つの異なるセッション(すなわち、介入の前後)から得られたデータを比較することによって統計的に分析することができる。これら2つの方法を用いることで、相互に補間し合い、より明確に示した。
NIRSデータによ...

神経リハビリテーションは、感覚運動障害後の機能回復において重要な役割を果たす。神経可塑性関連機能回復のメカニズムを解明するために、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)、陽電子放出断層撮影(PET)、脳波(EEG)、機能近赤外分光法(fNIRS)など、様々な神経イメージング技術が使用されています。異なるイメージングモダリティには、異なる長所と短所があります。fMRIは最も代表的な装置ですが、磁界の影響を受け、コストが高く、物理的に制約が高く、感覚運動タスク1、2、3、4が限られています。fNIRSデバイスは、非侵襲的な光学ニューロイメージングとして際立っており、比較的低い空間分解能を有するが、fMRI4よりも優れた時間分解能を有する。fNIRSは、介入前と介入後の効果を比較し、動的運動タスクを有し、移植性があり、fMRI1、2、4よりも自然環境においてより多く機能するため、治療効果を検証する際に適している。NIRSは、脳血管疾患、てんかん障害、重度の脳損傷、パーキンソン病、および認知障害1,5の分野においてより適していると報告されている。感覚運動タスクに関しては、歩行と立ちバランス6、7、8、上肢機能(手をつかむ、指を叩く)8、9、複雑な運動技能トレーニング10、ロボット12、13、14、15、および脳コンピュータインターフェース16、17、18に広く使用されています。fNIRSは、皮質代謝活性、血流の増加、そして結果的に皮質活性を二次シグナル19として測定する、光学神経イメージングおよび神経血管結合の原理に基づいている。fNIRSシグナルは血中酸素レベル依存性fMRI20のシグナルと強い相関を有することが報告されている。連続波fNIRSは、変更されたビール・ランバート法を使用して、広帯域近赤外光減衰21,22の測定変化に基づいて、酸素化ヘモグロビン(HbO2)および脱酸素ヘモグロビン(HHb)皮質濃度濃度の変化を決定する。連続波NIRSシステムを用いて差動長率(DPF)を測定することはできないため、DPFは一定であり、ヘモグロビン信号の変化はミリモルミリ(mM x mm)2,18の任意の単位で示されていると仮定した。
fNIRS実験では、プローブの設定、実験計画、解析方法など、最も適切な方法を選択する必要があります。プローブ設定に関しては、脳科学測定で使用される国際的な10-20法は、多くの研究者が神経イメージングで使用する設定基準です。近年、モントリオール神経研究所(MNI)座標に基づく標準脳に基づく座標設定が使用されている。実験では、一般に感覚運動タスクに使用されるブロック設計とイベント関連の設計を使用します。これは、休息中および作業中のヘモグロビン濃度の変化を比較する方法です。HbO2濃度レベルが増加し、HHb濃度レベルは、タスク依存性皮質活性に関連する脳血流の変化に伴って減少する。様々な解析方法がありますが、NIRS-SPMフリーソフトウェアはfMRIの統計的パラメトリックマッピング(SPM)と同様の分析を可能にします。NIRSデータの処理は、一般線形モデル(GLM)に基づく質量1変量法を使用します。タスク依存性脳活動解析を行う場合、fNIRS測定は、脳及び脳外コンパートメント23における呼び起こされるまたは非誘発神経活動および全身的な生理学的干渉(心拍数、血圧、呼吸数、および自律神経系活動)によって影響を受けることができる。したがって、事前解析処理、フィルタリング、ウェーブレット変換、主成分分析が有用である23.NIRS-SPMを用いたデータ処理のフィルタリングおよびアーティファクトに関しては、ローパスフィルタリング9およびウェーブレット最小記述長(Wavelet-MDL)24のトレンドまたはその他のノイズ/アーティファクト源を克服するために使用した。この分析方法の詳細については、Yeら25の報告書を参照してください。SPM のみを使用するレポートがありますが、画像解析による定性的な指標に過ぎず、NIRSの空間分解能が低いため、グループ分析には細心の注意が必要です。また、DPFが一定の場合、チャンネルと個人間の数値比較は行うべきではありませんが、各チャンネルの変化の違いを検証することができます。上記の条件に基づき、NIRS-SPMグループ解析結果を補完するために、空間登録の精度を向上させた後のマルチチャネル解析にオリジナルの解析手法を用いた。このマルチチャネル分析では、固定介入(前後)、固定期間(休止またはオンタスク)、ランダムな個々の効果を持つ階層混合モデルを使用して、処理の前後の各チャネルでの残りの期間とタスク上の期間間のHb2およびHHbレベルの変化の振幅を比較しました。
このように、いくつかのfNIRS測定および分析方法があります。ただし、標準の方法は確立されていません。本論文では、我々の方法、定性的GLMベースの統計的パラメトリックマッピングと比較マルチレベル階層混合モデルを紹介し、感覚運動タスクを用いたブロック設計を用いて、多チャンネルfNIRS実験の前後介入の実験から得られたデータを分析する。

<table><tbody><tr><td>3Dデジタイザソフト</td> TOPCON-NS-1000 <td></td><td></td><td>software ver.1.50</td></tr><tr><td>NIRSシステム</td><td>島津</td><td></td><td>製作所-FOIRE-3000</td></tr><tr><td>ロボット</td><td>CYBERDYNE</td><td>単</td><td>関節型ハイブリッド補助肢 (HAL-SJ)</td></tr></tbody></table>

ブロック設計を応用した機能近赤外分光法実験による定性的・比較皮質活動データ解析

Qualitative and Comparative Cortical Activity Data Analyses from a Functional Near-Infrared Spectroscopy Experiment Applying Block Design

神経イメージング研究は、リハビリテーションや外科的治療などの介入前と介入後の神経学的状態の評価において極めて重要な役割を果たす。脳活動の測定に使用される多くの神経イメージング技術の中で、機能近赤外分光法(fNIRS)は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)と同様の局所ヘモグロビンレベルを測定することにより、動的皮質活動の評価を可能にする。また、fNIRSの物理的な制限が少ないため、複数の感覚運動タスクの変異体を評価することができます。多くの研究所は、fNIRSデータ分析のためのいくつかの方法を開発しました。しかし、一般的な原則は同じであるという事実にもかかわらず、普遍的に標準化された方法はありません。ここでは、ブロック設計を用いた多チャンネルfNIRS実験から得られたデータの定性的および比較分析方法を提示する。定性解析では、一般化線形モデルに基づく1変量系の一般手法としてNIRS用のソフトウェアを用いた。NIRS-SPM分析では、タスク中に活性化領域を可視化することで、各セッションの定性的な結果を表示します。さらに、非侵襲的な三次元デジタイザーを使用して、脳に対するfNIRSチャネル位置を推定することができる。NIRS-SPMの所見を裏付けるために、感覚運動タスクによって誘導されるヘモグロビンレベルの変化の振幅を、マルチチャネル階層混合モデルを用いて同一研究対象の2つの異なるセッション(介入前後)から得られたデータを比較することによって統計的に分析することができる。我々の方法は、運動障害、脳血管疾患、神経精神疾患などの様々な神経疾患における介入前対後の分析を測定するために使用することができる。

ここでは、我々のグループが現在取り組んでいるロボット支援リハビリテーション:急性脳卒中患者における上肢運動障害に対するバイオフィードバック効果について紹介する。私たちの病院に入院した10人の同意した脳卒中患者(平均年齢:66.8歳±12.0歳、2人の女性と8人の男性)が含まれていました。亜急性脳卒中期に、発症後2週間以上、上肢ロボット支援リハビリテーションの前後にfNIRSシステムを用いてこれらの患者の運動関連皮質活性を評価した。ブロック設計タスクに関しては、各タスクサイクルで15s以内に肘の屈曲/延長の動きが15倍に影響を受け、7つのタスクサイクルを繰り返しました。さらに、6人の健康なボランティア(平均年齢:7.1歳±58.7歳、女性2人と男性4人)も、右肘の屈曲/延長運動中の正常なタスク関連の皮質活性化の位置を特定するためのコントロールとして登録されました。
図5 は、NIRS-SPMソフ...

我々は、センサ運動作業を用いたブロック設計を用いた連続波機能近赤外分光実験の解析について述べている。データ分析の信頼性を高めるために、定性的な一般線形モデルベースの統計パラメトリックマッピングと、マルチチャネルの比較階層混合モデルを用いた。

Neuroimaging studies play a pivotal role in the evaluation of pre- vs. post-interventional neurological conditions such as in rehabilitation and surgical ...

F-N-I-R-S(fNIRS)データの解釈は、通常、データを定量化できないため、初心者ユーザーにとっては難しい場合があります。2つの補完的な方法を使用したプロトコルにより、このデータをよりよく理解できます。この手法の主な利点は、2つの定性的GLMベースの統計的パラメトリックマッピングとマルチチャネルの比較階層混合モデルを使用したデータ分析の向上と信頼性です。fNIRS実験を行う前に、fNIRSデバイスを暗くてノイズのない場所に置き、国際10-20システムの中心に対応する位置がヘッドキャップの245番ホルダーに位置するように、頭全体のfNIRS記録キャップを被験者の頭に置きます。マーキングシールを基準位置ポイントに貼り付け、15の視点からの基準ポイントを含むプローブ位置で被写体の頭を撮影します。32個のオプトを備えた48チャンネルシステムをヘッドキャップに、前頭葉と頭頂部を関心領域として両側に配置し、3Dデジタイザーソフトウェアを使用して空間レジストレーションを決定します。頭部全体の画像データをスキャンした後、自動測定により被写体の空間座標を決定し、OriginおよびOthersファイルとして保存します。fNIRS分析を実行するには、被験者を快適な位置に座らせ、被験者に目を閉じるように指示します。次に、開始と停止の合図を被験者に通知し、各タスクで同じ直立姿勢を維持しながら、被験者にブロック設計タスクを実行させます。NIRS-SPM ソフトウェアを使用して定性的な一般線形モデル解析を実行するには、MATLAB ソフトウェアで NIRS-SPM プログラムを起動し、ポップアップ メニューから [NIRS システム] オプションを選択します。[読み込み] ボタンを選択します。NIRS チャネル位置の空間レジストレーションを検出するには、[スタンドアロン] と [3D デジタイザを使用] チェックボックスをオンにします。「From Real Coordinates to MNI Space」で、ダイアログボックスを使用して、座標参照点と座標プローブ/チャネルファイルを選択します。[レジストレーション] をクリックし、ポイントを選択して空間推定に進みます。[OK]をクリックし、[MNI 座標をレンダリングされたブレインに投影]をクリックします。Dorsal Viewを選択し、Saveをクリックします。「Specify the 1st Level」セクションで、NIRSデータファイル名とSPMディレクトリを選択します。ヘモグロビンのチェックボックスにチェックを入れ、designとsecの指定を選択します。開始ベクトルと持続時間を選択し、開始ベクトルに示されている実験条件の持続時間を掛けた値を入力します。トレンド除去には、Wavelet-MDL を選択します。プレカラーリング法、ローパスフィルターを使用し、hrfを選択します。シリアル相関を補正し、none を選択します。時間相関を推定するには、[個別解析] をオンにして 1 人の個人を解析します。被験者のグループの時間的相関を推定するには、[グループ分析] をオンにし、標準化された脳のヘモグロビン レベルの変化に基づいて活性化マップを計算します。階層混合モデルに基づくマルチチャネル比較分析を実行するには、適切な統計解析ソフトウェアプログラムを開き、ローパスフィルターで処理された最も近いデータファイルの酸素化および脱酸素化ヘモグロビン濃度の変化のテキストドキュメントをスプレッドシートソフトウェアのカンマ区切り値ファイルに変換します。コマンドを使用して、各被験者の介入前と介入後のインポートデータを作成し、示されているように各チャネルの介入前および介入後のデータコマンドを実行します。出力結果から得られたデータに基づいて、各チャネルの変化、休息、およびタスク時の値の介入前と介入後の違いをスプレッドシートに入力します。次に、分子と分母の自由度と、固定効果タイプ3テストの相互作用アイテムのF値とP値をスプレッドシートに入力します。脳卒中患者10人を対象としたこの代表的なグループ分析では、ロボット支援リハビリテーションの直後の測定半球で、トレーニング前と比較して、一次運動皮質の皮質活動の増加が観察されました。介入前と介入後を比較したこのマルチチャネルグループ解析では、介入後の一次運動皮質で皮質活動の増加が観察されました。これは、NIRS-SPMで観察されたのと同じ脳領域です。私たちの方法は、運動障害、脳血管疾患、神経精神疾患など、さまざまな神経疾患の介入前および介入後の分析に使用することができます。研究者は、肘の動きの代わりに、脚の動きなど、他のブロック設計タスクを適用することもできます。また、様々な場面での治療効果を明らかにするためにも、プロトコールは有用です。

qualitative-comparative-cortical-activity-data-analyses-from

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

出典:Reindl, V., et al.機能的近赤外分光法によるハイパースキャニング実験の実施。J. Vis. Exp. (2019)...

社会的相互作用における脳活動を記録するための機能的近赤外分光法

直立運動課題中の脳活動を監視することは、運動障害の神経源を調査する際に大きな価値があります。ここでは、機能的な近赤外分光法と、4種類の運動課題における筋肉および運動学的活動の継続的なモニタリングを組み合わせたプロトコルを実演します。...

運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

物理的な制約なしラボoutside脳の活動を監視する方法論的課題を提示。繊維のないが、ウェアラブル機能近赤外分光法（fNIRS）システムは、将来の生態記憶タスクの際の脳活動を測定するために使用しました。また、このシステムは、非実験室ベースの実験の間に脳活動を監視するために使用できることが実証されました。...

実世界認知課題における脳活動を監視するために繊維のない、ウェアラブルfNIRSを用いて

この議定書では、fNIRS hyperscanning...

機能的近赤外分光法による Hyperscanning 実験を実施

本プロトコルは、EEG および fNIRS の同時記録を実行する方法と、EEG と fNIRS...

フランカータスクによる同時脳波と機能的近赤外分光記録の実施

このプロトコルは、カスタムメイドの拡散相関分光法装置を用いて、ヒト前頭前野の安静状態機能接続性を測定する方法を示す。また、実験の実務上の側面や、データを分析するための詳細な手順についても説明します。...

脳血流ベースの安静状態機能性コネクティビティ(光学拡散相関分光法)

本プロトコルは、機能的近赤外分光法(fNIRS)とビデオベースの観察を組み合わせて、共同描画タスク中のカルテットの対人同期を測定します。...

機能近赤外分光法を用いた共同描画時のグループ同期

本稿では、全頭fNIRSカバレッジで同一被験者からfMRI信号とfNIRS信号を同時に収集する方法を提示する。このプロトコルは、3人の若年成人でテストされており、発達研究や臨床集団のデータ収集に適応させることができます。...

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

世界では、6人に1人が一生のうちに脳卒中を発症し、長期的な障害を引き起こすと推定されていますが、そのリハビリテーションメカニズムはまだよくわかっていません。この研究では、機能的近赤外分光法(fNIRS)による脳の活性化を評価するためのプロトコルを提案します...

機能的近赤外分光法とロボット支援下肢の多関節指差し運動を用いた実験

この研究では、機能的近赤外分光法 (fNIRS) を使用して、27 人の成人を対象とした 23 分間のブロック デザイン ヨガ アーサナ...

fNIRSを使用したブロックデザインヨガアーサナ練習中の前頭前野活動の安静状態接続性と神経イメージング

学ぶ機能的近赤外分光法データ解析法。ブロック設計を用いて脳卒中患者の運動皮質活動を定性的・比較的に評価し、リハビリテーション介入前後の神経活動変化を信頼性高く解析する手法です。

ブロック設計を応用した機能近赤外分光法実験による定性的・比較皮質活動データ解析

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