Hier beschrijven we een dataverzameling en data-analyse methode voor functionele Near Infrared Spectroscopy (fNIRS), een nieuwe niet-invasieve beeldvorming van de hersenen dat gebruikt wordt in de cognitieve neurowetenschappen, met name in het bestuderen van kind ontwikkeling van de hersenen. Deze methode biedt een universele standaard van de data-acquisitie en-analyse van vitaal belang om gegevens te interpreteren en wetenschappelijke ontdekkingen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Het verkennen van cognitieve functies bij baby's, Kinderen & Volwassenen met Near Infrared Spectroscopy
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een explosie van functionele Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studies naar corticale activatie in relatie tot hogere cognitieve processen, zoals taal 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, geheugen 11, en de aandacht 12 is aan de gang over de hele wereld met volwassenen, kinderen en zuigelingen 3,4,13,14,15,16,17,18,19 met typische en atypische cognitie 20,21,22. De hedendaagse uitdaging van het gebruik van fNIRS voor de cognitieve neurowetenschappen is het bereiken van systematische analyses van gegevens zoals dat ze universeel interpreteerbaar 23,24,25,26, en kunnen dus vooraf belangrijke wetenschappelijke vragen over de functionele organisatie en neurale systemen die ten grondslag liggen menselijke hogere cognitie.
Bestaande neuroimaging technieken zijn ofwel minder robuust tijdelijke of ruimtelijke resolutie. Event Related Potentials en Magneto encefalografie (ERP en MEG) hebben een uitstekende temporele resolutie, terwijl de Positron Emissie Tomografie en functionele Magnetische Resonantie Imaging (PET en fMRI), hebben een betere ruimtelijke resolutie. Met behulp van niet-ioniserende golflengtes van het licht in het nabij-infrarode bereik (700-1000 nm), waar oxy-hemoglobine bij voorkeur wordt geabsorbeerd door 680 nm en deoxy-hemoglobine wordt bij voorkeur opgenomen door 830 nm (bv, inderdaad, de zeer golflengten hardwired in de fNIRS Hitachi ETG-400 systeem hier afgebeeld), is fNIRS goed geschikt voor studies van hogere cognitie, omdat het zowel een goede temporele resolutie (~ 5s) zonder het gebruik van straling en een goede ruimtelijke resolutie (~ 4 cm diep), en heeft geen vereisen deelnemers worden in een gesloten structuur 27,28. Deelnemers corticale activiteit kan worden beoordeeld, terwijl comfortabel zittend in een gewone stoel (volwassenen, kinderen) of zelfs zittend op de schoot van mama s (baby's). Met name NIRS is uniek draagbaar (de grootte van een desktop-computer), zo goed als stil, en kunnen tolereren een deelnemers subtiele beweging. Dit is met name bij uitstek geschikt voor de neurale studie van de menselijke taal, die noodzakelijkerwijs heeft als een van de belangrijkste componenten van de beweging van de mond in de spraak productie of de handen in gebarentaal.
De manier waarop de hemodynamische respons is gelokaliseerd wordt door een reeks van laser-zenders en detectoren. Emitters uitstoten een bekende intensiteit van de niet-ioniserende licht, terwijl detectoren detecteren de hoeveelheid gereflecteerd terug van de corticale oppervlak. De dichter bij elkaar de optodes, hoe groter de ruimtelijke resolutie, terwijl het verder uit elkaar de optodes, de grotere diepte van de penetratie. Voor de fNIRS Hitachi ETG-4000 systeem een optimale penetratie / resolutie van de optode array is ingesteld op 2 cm.
Ons doel is om aan te tonen onze methode van het verwerven en analyseren van gegevens om fNIRS standaardiseren van het veld en in staat stellen de verschillende fNIRS laboratoria wereldwijd om een gemeenschappelijke achtergrond hebben.
Protocol
Deel 1: Voorafgaand aan de deelnemer komen naar het lab
- Zorg ervoor dat de ruimte vrij is van vreemde voorwerpen die kunnen worden afgeleid aan de deelnemer.
- Set-up en load experimenteel protocol betreffende de fNIRS Hitachi ETG-4000-systeem.
- Set-up je experimentele paradigma. Experimentele paradigma's kunnen worden geprogrammeerd met verschillende presentatie-software, waaronder Eprime, Presentatie, Psyscope of een Matlab toolbox op basis van psychologie. Hier gebruiken we Matlab op basis van psychologie gereedschapskist.
- Timing is cruciaal voor data-analyse, dus de experimentele paradigma moet perfect getimed worden met het verzamelen van gegevens. De fNIRS Hitachi ETG-4000 heeft triggering mogelijkheden, waardoor de experimentele paradigma om de gegevens te verzamelen of vice versa trigger. Test triggering van de presentatie van het programma fNIRS Hitachi ETG-4000. Triggeren kan parallel gedaan worden met behulp van, feuilletons, of USB-poorten. Hier laten we activeren via de parallelle poort.
- Voorafgaand aan het starten van de fNIRS studie is het belangrijk uit te voeren deelnemer antecedentenonderzoek. In de Petitto lab, voeren wij antecedentenonderzoek door het hebben van de deelnemers of hun ouders invullen studie-geschikte gestandaardiseerde vragenlijsten 29.
Komt de deelnemer
- Het is belangrijk om de sessie te voeren en om de deelnemers op een professionele manier te behandelen. De deelnemer of de deelnemers de ouders / voogd moeten een toestemmingsformulier voor het experiment begint. Het is van vitaal belang om de deelnemer te bedanken voor hun tijd in deze belangrijke en spannende experimenten.
- De deelnemer zit comfortabel dicht bij de fNIRS testruimte. Een baby deelnemer kan zitten op de schoot van een ouder.
Deel 2: Het plaatsen van Optodes & Met behulp van de 10-20 systeem
Een ander onderdeel van de analyse methode die consistent interpretatie van gegevens mogelijk maakt, is de standaardisatie van fNIRS opname protocol. Dit houdt in optode plaatsing, deelnemer positionering en aansturing van stimulus presentatie software. Zowel de nauwkeurige neuro-anatomische plaatsing van sondes en de bevestiging van de regio's van belang (ROI) wordt bereikt door het gebruik van de 10-20 systeem 3,4,30. Verder was stereotactische lokalisatie van de probe-array bevestigd op de schedel van de deelnemer door overlagen 3D-tracking informatie uit een Polhemus Fast Trak-systeem op een anatomische MRI co-registratie scan van de deelnemer uitgevoerd met vitamine E capsules geplaatst op elke sonde locatie 3,4. Optimale positionering betrokken deelnemer het plaatsen van de deelnemers comfortabel in een ligstoel, met glasvezel opknoping losjes zonder contact met het lichaam of een stoel.
- De volgende kop metingen worden genomen met een meetlint en opgeschreven op de deelnemers productbeschrijving:
- Nasion naar INION rond
- Nasion naar Inions over de bovenkant
- Oor tot oor over bovenkant
- Chirurgische tape kan worden gebruikt om specifieke doelgroepen te markeren. In dit experiment zullen we markeren Fp, T3/T4, F8/F7
- Optode arrays zijn geplaatst op de deelnemers 'hoofd met specifieke optodes verankerd bij 10-20 punten zoals voorgeschreven door de toepassing van het experiment.
Deel 4: Het testen van de Optode Array
- Inleiding tot de Hitachi ETG-4000 GUI Interface en sonde testen.
- Het testen van het signaal: Zodra optodes worden geplaatst op de deelnemers hoofdhuid, de signaalkwaliteit is getest. Als een optode niet beschikt over een duidelijk signaal, onderzoekers voorzichtig te verwijderen haren vanaf de aansluiting van de optode en de hoofdhuid. Bij gelegenheid van de optodes kan het nodig zijn worden afgeveegd met een alcoholdoekje.
Deel 5: Running het experiment.
- Ten minste twee onderzoekers moeten altijd aanwezig zijn in de kamer, een waarnemen van de fNIRS Hitachi ETG-4000 real-time uitgelezen en de andere het observeren van de deelnemer. Het hebben van een videocamera gericht op de deelnemer is een echte aanrader voor post-hoc observaties. Een voordeel van de fNIRS Hitachi ETG-4000 is dat de video-en fNIRS signaal gesynchroniseerd en co-geregistreerd. Een log met alle relevante informatie en bestanden gegenereerd wordt gehouden.
- Er zijn gevestigde methoden van bouwen experimentele hemodynamische paradigma's, namelijk Block design en Event-gerelateerde ontwerpen. Voor een meer volledige beschrijving zie de recente herziening papier 31.
Deel 6: Analyse
Zodra alle gegevens zijn verzameld, is de deelnemer bedankt voor hun tijd en bereidheid om deel te nemen en verlaat het lab. De analyse is niet gedaan op de fNIRS Hitachi ETG-4000, als, in plaats daarvan, worden de gegevens geëxporteerd naar een analyse computer.
- Conversie van uV aan hemoglobine concentraties. Als ruwe dempingswaarden worden verzameld in verzwakking van laser kracht (zoals gemeten in uV), moeten deze waarden worden omgezet in zuurstof en hemoglobine deoxygenated waardevollees. Dit wordt gedaan met behulp van de gemodificeerde Beer-Lambert vergelijking.
- De toepassing van de gewijzigde Beer-Lambert wordt uitgevoerd in twee stappen. Onder de aanname dat verstrooiing is constant over de weglengte, eerst de demping voor elke golflengte (AA λ (t)) wordt berekend door het vergelijken van de optische dichtheid van de lichtintensiteit tijdens de taak (I taak) om de berekende uitgangswaarde van het signaal ( Ik baseline). De ΔA waarden voor elke golflengte en bemonsterd tijdstip (t) op de gewijzigde Beer-Lambert vergelijking op te lossen.
Vergelijking 1 
Vergelijking 2 
λ ∈ een deoxy, λ ∈ een oxy, λ 2 ∈ deoxy en λ 2 ∈ oxy zijn de constanten voor de extinctiecoëfficiënten dat de fractie van het licht verloren om de absorptie per eenheid concentratie van afstand in het weefsel te meten. De resulterende C deoxy-en C oxy waarden zijn de concentraties van zuurstofarme en zuurstofrijke hemoglobine voor elke t.
Deel 7: representatieve resultaten
Typische hemodynamische respons resulteert in een aantal verschillende kenmerken. In het oxy-hemoglobine respons, is er eerst een kenmerk dip. Deze dip komt als een regio van neuronen activeert en put beschikbare zuurstof. Als doorbloeding stijgt, dragen zuurstof hemoglobine, het oxy-hemoglobine respons stijgt snel boven de eerste baseline niveaus om een steady state niveau. Als de regio niet langer geactiveerd, het oxy-hemoglobine respons vervalt in de komende 12 tot 15 seconden en langzaam zakt terug tot de uitgangswaarden. Er is af en toe een onderschrijding die optreedt voorafgaand aan de hemodynamische respons terug te keren naar de initiële uitgangswaarde.
Slechte resultaten zijn meestal in de vorm van optodes niet goed zit op de hoofdhuid of overdreven beweging. Deze types van geluid - de naam, 'Flatling' - zijn duidelijk in het signaal als de microvolt waarden verzadigen en een aantal verschillende kanalen, zowel oxy-en deoxy-response bewegen in een gecoördineerde wijze.
DEMONSTRATIE: schudden van de glasvezel.
Statistische analyses: De geëxtraheerde oxy en deoxy-hemoglobine waarden voor elk kanaal, voor elke deelnemer en voor elke taak kan vervolgens worden voorgelegd aan de conventionele statistische analyse, met inbegrip van t-testen, ANOVA, correlaties etc.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In deze studie hebben we aangetoond dat het gebruik van een nieuwe, niet-invasieve fNIRS brain imaging-technologie om de menselijke hersenfunctie te onderzoeken in relatie tot de menselijke cognitie en perceptie. fNIRS beeldvorming van de hersenen kunnen vertegenwoordigen de toekomst van de niet-invasieve beeldvorming van de hersenen, in het bijzonder met de baby en het kind de bevolking, dat op een dag op grote schaal beschikbaar zijn in onderzoekslaboratoria, artsenpraktijken, en in de school-systemen, zodat clinici d...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te melden.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door subsidies aan LAP (PI):
National Institutes of Health R21 HD50558, bekroond met 2005-07; National
Institutes of Health R01 HD045822, bekroond met 2004-09; Dana Foundation Grant,
toegekend 2004-06; Canadese Stichting voor Innovatie ("GEA" subsidie), die wordt toegekend
2008-2012; De Ontario Research Fund Grant, bekroond met 2008-2012.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
Referenties
- Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
- Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
- Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
- Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
- Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
- Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
- Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
- White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
- Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
- Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
- Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
- Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
- Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
- Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
- Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
- Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
- Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
- Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
- Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
- Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
- Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
- Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
- Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
- Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
- Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
- Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
- Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
- Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
- Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
- Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
- Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
Trefwoorden
Functionele nabij infraroodspectroscopiefNIRS dataverwervingmeting van de hemodynamische responsoptodeplaatsingsprotocolinternationaal 10 20 systeemmethoden in de cognitieve neurowetenschapmonitoring van hersenactiviteitnabij infraroodlichtanalyse van geoxygeneerd hemoglobineontwerp van experimentele paradigma s
