Name: Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 20 min 12 s
Description: Leer hoe u MazeSuite en functionele near-infrared spectroscopy (fNIR) combineert voor cognitief onderzoek naar ruimtelijke navigatie. Deze methode maakt niet-invasieve monitoring van hersenactiviteit in natuurlijke omgevingen mogelijk.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De financiering voor dit werk werd gedeeltelijk verstrekt door de Commonwealth of Pennsylvania # 41000037709 subcontract #240468 en Drexel University subcontract #280773.

<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 Devices, LLC produceert het optische hersenbeeldingsinstrument en beschikt over de gelicentieerde IP en knowhow van Drexel University. H. Ayaz, M. Izzetoglu, K. Izzetoglu en B. Onaral waren betrokken bij de technologische ontwikkeling en kregen daarom een klein aandeel in de nieuwe startup fNIR Devices, LLC.

De prefrontale cortex (PFC) in het menselijke brein faciliteert cognitieve controle over de coördinatie van gedachten en acties in relatie tot interne doelen. In het bijzonder staat bekend dat de anterieure/dorsolaterale PFC hogere cognitieve functies bemiddelt, zoals taakbeheer, planning en ruimtelijke navigatie25. fNIR is een draagbaar, veilig en niet-invasief instrument voor hersenmonitoring dat in klinische, laboratorium- en natuurlijke omgevingen is gebruikt om hersenactivatie te bestuderen. Deze verkennende studie demonstreerde het gebruik van Maze Suite en fNIR om neurobehaviorale aspecten van ruimtelijke navigatie te bestuderen. In deze verkennende studie wordt het MazeSuite-platform in combinatie met fNIR gebruikt om de neurobehaviorale aspecten van ruimtelijke navigatie in de dorsolaterale PFC te bestuderen en om de combinatie van deze twee instrumenten aan te tonen.
MazeSuite is een platform voor experimenteel ontwerp, presentatie en analyse. Het maakt de creatie en toepassing van eenvoudige 3D-omgevingen mogelijk met een gebruiksvriendelijke grafische interface en registreert automatisch gedragsmaten voor vergelijkingen binnen of tussen proefpersonen. Tijdens de presentatie van MazeSuite-omgevingen werden gelijktijdige, tijdgesynchroniseerde fNIR-metingen uitgevoerd met behulp van een commercieel verkrijgbaar, draagbaar continuous wave fNIR-systeem (Imager 1000, fNIR Devices, LLC) en COBI Studio-software15. fNIR is eerder vastgesteld als een veilige en effectieve non-invasieve tool voor hersenmonitoring in klinische, laboratorium- en natuurlijke settings voor de studie van hersenactivatie7,11 en wordt in deze studie gebruikt om cognitieve responsen te onderzoeken die geassocieerd zijn met contextuele interferentie tijdens ruimtelijke navigatietaken.
Om de effecten van contextuele interferentie door de volgorde van oefening te onderzoeken, kregen proefpersonen een oefenvolgorde met een lage interferentie (BLK) of een hoge interferentie (RND). Deze verschillende oefenschema's werden gebruikt om het effect van het leren van meerdere virtuele ruimtelijke navigatietaak-doolhoven te testen tijdens acquisitie-, retentie- en transfertests. De gedragsresultaten geven aan dat er voor beide oefenvolgordes een monotonisch dalende trend is in de totale tijd die nodig is om het doolhof te voltooien, wat suggereert dat proefpersonen elk doolhof in kortere tijd voltooiden naarmate ze meer oefenden. Daarnaast nam de gemiddelde snelheid waarmee proefpersonen door het doolhof navigeerden (doolhofsnelheid) toe met de oefening. Deze verbeteringen in gedragsmaten over de tijd zijn verwachte gevolgtrekkingen van leren. Gemiddelde veranderingen in de oxy-Hb-concentratie tijdens de oefenproeven geven aan dat de BLK-oefening een hogere hersenactivatie vereiste in vergelijking met de RND-oefenvolgorde.
RND-oefening resulteerde in een snellere voltooiingsduur en kortere padlengtes in vergelijking met de BLK-oefenvolgorde voor respectievelijk retentie en transfer. Een dalende trend die werd waargenomen in de gemiddelde oxy-Hb voor BLK- en RND-oefeningen tijdens de retentie-trials wijst op een verminderde activiteit in de PFC. Deze bevinding is te verwachten, aangezien eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat er sprake is van een afname van de activiteit in de PFC tijdens de latere fasen van het leren12,26.
Bovendien vereiste de navigatie in nieuwe doolhoven tijdens de transferfase een hogere hersenactivatie voor proefpersonen met BLK-training vergeleken met proefpersonen met RND-training. Aangezien de volgorde van oefening verschilde voor de taken die al waren aangeleerd (d.w.z. doolhof 1, doolhof 2 en doolhof 3), kan deze gestratificeerde willekeurige oefenvolgorde voor de proefpersoon die de taken in een sequentiële (BLK-training) volgorde had aangeleerd, voldoende nieuw zijn geweest om extra inspanning en cognitieve middelen te vereisen om de taken uit te voeren12,26. Echter, bij de RND-training was de neurale activatie tijdens de transferfase niet hoger dan tijdens de retentiefase. Deze bevindingen bevestigen de PET-bevindingen met ruimtelijke navigatie in virtuele doolhoven gerapporteerd door Van Horn en collega's12.
Samenvattend hebben we het gebruik van MazeSuite in combinatie met COBI Studio beschreven voor een studie naar de effecten van contextuele interferentie gerelateerd aan de volgorde van oefening bij het leren van ruimtelijke navigatietaken. De hier besproken fNIR-methoden zijn niet beperkt tot ruimtelijke navigatietaken en kunnen worden gebruikt voor diverse taken in andere neuroimaging-studies. De fasen van ontwerp, implementatie, data-acquisitie en analyse van de studie werden toegelicht met de bedoeling een richtlijn te bieden voor toekomstige studies.

<table><tbody><tr><td>Doolhofsuite</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>fNIR Imager 1000</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

met behulp van mazesuite en functionele near infrared spectroscopy te study leren in spatial navigation

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

MazeSuite is een complete toolset voor het voorbereiden, presenteren en analyseren van navigatie- en ruimtelijke experimenten1. MazeSuite kan worden gebruikt om aangepaste virtuele 3D-omgevingen te ontwerpen en te bewerken, de gedragsprestaties van deelnemers binnen de virtuele omgeving te volgen en te synchroniseren met externe apparaten voor fysiologische en neuroimaging-metingen, waaronder elektro-encefalografie en eye-tracking.
Functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIR) is een optische breinbeeldvormingstechniek die continue, niet-invasieve en draagbare monitoring mogelijk maakt van veranderingen in de cerebrale bloedoxygenatie in relatie tot menselijke hersenfuncties2-7. In het afgelopen decennium is fNIR gebruikt om cognitieve taken zoals aandacht, werkgeheugen en probleemoplossing effectief te monitoren7-11. fNIR kan worden geïmplementeerd in de vorm van een draagbaar en minimaal intrusief apparaat; het heeft de capaciteit om hersenactiviteit te monitoren in ecologisch valide omgevingen.
Cognitieve functies die worden beoordeeld aan de hand van taakprestaties omvatten patronen van hersenactivatie van de prefrontale cortex (PFC) die variëren van de initiële uitvoering van een nieuwe taak, na oefening en tijdens retentie12. Met behulp van positronemissetomografie (PET) stelden Van Horn en collega's vast dat de regionale cerebrale bloedstroom werd geactiveerd in de rechter frontale kwab tijdens de codering (d.w.z. de initiële naïeve prestatie) van ruimtelijke navigatie in virtuele doolhoven, terwijl er weinig tot geen activatie van de frontale regio's was na oefening en tijdens retentietests. Bovendien zijn de effecten van contextuele interferentie, een leerfenomeen dat gerelateerd is aan de organisatie van de oefening, duidelijk wanneer individuen meerdere taken aanleren onder verschillende oefenschema's13,14. Hoge contextuele interferentie (random oefenschema) ontstaat wanneer de te leren taken in een niet-sequentiële, onvoorspelbare volgorde worden gepresenteerd. Lage contextuele interferentie (geblokkeerd oefenschema) ontstaat wanneer de te leren taken in een voorspelbare volgorde worden gepresenteerd.
Ons doel hier is tweeledig: ten eerste het illustreren van het ontwerpproces van het experimentele protocol en het gebruik van MazeSuite, en ten tweede het demonstreren van de installatie en implementatie van het fNIR-systeem voor het monitoren van hersenactiviteit met behulp van Cognitive Optical Brain Imaging (COBI) Studio-software15. Om onze doelen te illustreren, wordt een substeekproef uit een studie gerapporteerd om het gebruik van zowel MazeSuite als COBI Studio in één enkel experiment te tonen. De studie betreft de beoordeling van de cognitieve activiteit van de PFC tijdens de acquisitie en het leren van computerdoolhof-taken voor geblokkeerde en willekeurige volgordes. Twee rechtshandige volwassenen (één man, één vrouw) voerden gedurende vier dagen 315 acquisitie-, 30 retentie- en 20 transfer-trials uit. De fasen van ontwerp, implementatie, data-acquisitie en analyse van de studie werden toegelicht met de bedoeling een richtlijn te bieden voor toekomstige studies.

MazeSuite is een complete toolset voor het voorbereiden, presenteren en analyseren van navigatie- en ruimtelijke experimenten। Functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIR) is een optische hersenbeeldtechniek waarmee niet-invasieve en draagbare monitoring van veranderingen in de cerebrale bloedoxygenatie mogelijk is. Dit artikel vat het gezamenlijke gebruik van MazeSuite en fNIR samen binnen een cognitief leerparadigma.

Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation

MazeSuite is een complete toolset voor het voorbereiden, presenteren en analyseren van navigatie- en ruimtelijke experimenten1. MazeSuite kan worden gebruikt om aangepaste ... te ontwerpen en te bewerken.

Ons doel in deze presentatie is tweeledig. Ten eerste willen we het proces van het ontwerpen van het experimentele protocol en het gebruik van de May-suite illustreren, en ten tweede willen we de opstelling en implementatie van het FNIR-systeem voor het monitoren van hersenactiviteit demonstreren. De May-suite kan worden gebruikt voor het ontwerpen en bewerken van aangepaste 3D-omgevingen, evenals voor het volgen van de gedragsprestaties van een deelnemer.Om dit aan te tonen, wordt een sub-steekproef uit een studie gerapporteerd om te laten zien hoe zowel de May-suite als FNIR in één enkel experiment kunnen worden gebruikt. De studie omvat de beoordeling van de cognitieve activiteit van de dorsolaterale prefrontale cortex tijdens de acquisitie en het leren van computertaken voor geblokkeerde en random oefenvolgordes. FNIR is een optische hersenmoniteringstechniek die nabij-infrarood licht gebruikt om veranderingen in hemodynamische responsen binnen de cortex te volgen.Niet-invasieve monitoring van cerebrale hemodynamiek en oxygenatie werd voor het eerst gedemonstreerd door Jobossy en collega's in 1977. Deze technologie maakt het ontwerp mogelijk van draagbare, veilige, betaalbare, niet-invasieve en minimaal intrusieve monitoringsystemen die gebruikt kunnen worden om hersenactiviteit in natuurlijke omgevingen te meten. Onder ambulante en veldomstandigheden kan nabij-infrarood licht weefsel doordringen over een afstand van enkele centimeters binnen 700 tot 900 nanometers.Wanneer licht het weefsel binnendringt, wordt het ofwel geabsorbeerd of verstrooid. Absorptie wordt veroorzaakt door chromofoor lichtabsorberende moleculen, zoals hemoglobine en water; verstrooiing vindt plaats in de structuur van het weefsel, zoals celmembranen en weefsellagen. Een typische FNIR-meting maakt gebruik van een meeteenheid die is voorzien van lichtbronnen en detectoren.Wanneer een lichtbron wordt geactiveerd, wordt er licht op de hoofdhuid gestraald, dat deze binnendringt en in alle richtingen door het weefsel reist; hierbij neemt de intensiteit af naarmate het licht verder reist. Een deel van het licht bereikt door opeenvolgende meervoudige verstrooiing het oppervlak opnieuw en wordt door de detector geregistreerd. De fotonen die de detector bereiken, leggen in feite een traject af door een bananenvormig volume. Metingen bij de detector geven informatie over dit volume tussen de lichtbron en de detector. Het paar wordt een oid genoemd; de penetratiediepte, oftewel de kromming van de banaan, is een functie van de afstand tussen de lichtbron en de detector.Daarom is de geometrie van de fNIRS-sensor van cruciaal belang bij het ontwerp. Afhankelijk van het type metingen voor de cognitieve taak en de meting vanuit de prefrontale cortex is de optische separatie meestal 2,5 centimeter tot drie centimeter. In deze studie hebben we fNIRS-apparaten van model 1000 gebruikt.Dit is gebaseerd op de ontwerpen van Chance en collega's in de jaren 1990 en verder ontwikkeld in het Optical Brain Imaging Lab van Drexel University. Dit instrument maakt geen gebruik van vezels of lichtgeleiders om de optoden met de huid te verbinden. Hierdoor is het eenvoudiger op te stellen, comfortabeler bij lange sessies en minder gevoelig voor bewegingsartefacten.Deze sensor is echter specifiek ontworpen voor de detectie van corticale activatie van de dorsolaterale prefrontale cortex onder het voorhoofd en kan niet in andere regio's van het hoofd worden gebruikt vanwege interferentie door haar. De FNIR-sensorpad die in het onderzoek is gebruikt, bevat vier lichtemitterende diodes die niet-coherent licht uitzenden bij 730 nanometer en 850 nanometer. Er zijn 10 fotodetectoren en door de LED's in een opeenvolgende volgorde te laten schijnen, in combinatie met het gebruik van omliggende detectoren, worden 16 meetlocaties gecreëerd.Bij elke scan worden boxen bemonsterd. Dit omvat de meting van de lichtintensiteit van twee verschillende golflengten en een donkermeting voor het omgevingslicht, wat neerkomt op drie kanalen per meetlocatie; in totaal worden er dus 48 kanalen geregistreerd tijdens de scan. Het sensorpad wordt op het voorhoofd van de proefpersoon geplaatst.Men dient zich aan de linkerzijde van het subject te bevinden en zijde twee. Aan de rechterzijde van het subject moet de sensor net boven de wenkbrauwen worden geplaatst en verticaal gecentreerd zijn. De denkbeeldige verticale symmetrielijn loopt door de middellijn van het voorhoofd en vervolgens door de neus.De middellijn van de sensorpads valt samen met de middellijn van het voorhoofd en de neus. Zodra de sensorpad is gepositioneerd, worden de kabels aan beide zijden naar achteren getrokken en achter het hoofd verbonden. Terwijl de kabel met de clip is vastgezet, is het essentieel om te controleren of de sensorpad correct op de huid is geplaatst en of er geen bulten of ruimtes tussen de optodes en de huid aanwezig zijn.Een goede manier om de juiste koppeling te controleren, is door een beetje druk uit te oefenen op het sensorpad en te voelen of de positionering verandert bij druk. Soms kan een hoofdband, elastiek of een stevige doek, zoals een tennisband of bandana, over de FNIR-sensor worden geplaatst om de koppeling van de optodes met de huid te waarborgen. Nadat de positie van de sensor is bepaald, moeten de signalen op alle kanalen worden geverifieerd door de gegevensacquisitie te starten. Eerst moet het sensorpad worden aangesloten op de FNIR-hardwarebedieningskast.Het apparaat moet via een USB-kabel met de computer worden verbonden, waarna beide systemen moeten worden ingeschakeld. Start vervolgens Kobe Studio op de computer door op de snelkoppeling in het linkerpaneel te klikken en klik daarna op de link om het huidige apparaat te starten. Als de instellingen correct zijn, verschijnt er in het berichtenvenster dat het apparaat is gestart en tonen de grafieken de onlangs verkregen signalen.De signaalniveaus zijn afhankelijk van de LED-stroom en de gain-instellingen. Een goede vuistregel is om deze parameters boven de 700 millivolts en onder de 4 000 millivolts te houden. Daarnaast moeten de signalen stabiel zijn.Te veel variatie en pieken kunnen wijzen op een onjuiste koppeling van de sensor of problemen met de kabel- of hardwareverbindingen. In sommige gevallen kunnen één of twee laterale kanalen, één en twee links en 15 en 16 rechts, over het haar zijn geplaatst, waardoor hun signaalwaarden te laag zijn. U kunt gewoon doorgaan en deze kanalen later tijdens de analyse verwijderen.Het kan nodig zijn om de instellingen per proefpersoon aan te passen, aangezien er grote individuele verschillen kunnen zijn als gevolg van de uiteenlopende optische eigenschappen van de huid. Om de apparaatinstellingen te wijzigen, klikt u eerst op 'stop current device'. Klik vervolgens op 'device properties' in het linkerpaneel.Ga naar het tabblad met instellingen voor gegevensverwerving in het dialoogvenster. Als u eerst de signaalwaarden wilt verhogen, verhoogt u de waarde van de LED-stroom. Een verhoging van de LED-stroomwaarde houdt in dat de LED's helderder zullen schijnen.Als u eerst de signaalniveaus wilt verlagen, verminder dan de gain. De initiële gain-waarde wordt voor alle voxels gebruikt. Klik na het instellen van de waarden op opslaan en klik vervolgens op start.Om de gegevensverwerving te starten met nieuw ingestelde parameters, is het gebruik van markeringen om bepaalde gebeurtenissen tijdens experimenten te identificeren gebruikelijk en nuttig. Er zijn twee soorten markeringen: handmatig en automatisch. Handmatige markeringen worden gegenereerd door op knoppen in het hoofdvenster van K te klikken; deze worden voorzien van een tijdstempel en opgeslagen samen met de FNIR-gegevens.Automatische markers worden ontvangen van een extern apparaat of computersoftware om automatische markers te ontvangen terwijl het apparaat is gestopt. Ga naar de apparaatinstellingen in het linkerpaneel en vink in het tabblad synchronisatie-instellingen de optie 'luister naar markers' aan. Een seriële poort is een aanbevolen methode voor markercommunicatie.Verifieer of het seriële poortnummer is ingesteld op een geldig poortnummer op de computer. Vervolgens kan stimulussoftware zoals ePrime of May Suite worden gebruikt om markers te verzenden via waarden die met een tijdstempel worden ontvangen en samen met de FNIR-gegevens op deze computer worden opgeslagen. Ruwe FNIR-signalen zijn tijdreeks-signalen die de lichtintensiteit weergeven.Ruis in de gegevens kan worden verwijderd vóór of na de omzetting van ruwe light.Intensity-waarden naar oxygenatiewaarden. Fysiologisch irrelevante gegevens, zoals ademhaling, hartpulsatie en ruis van de apparatuur, moeten uit de ruwe FNIR-metingen worden geëlimineerd. De component die gerelateerd is aan de hartslag heeft gewoonlijk een piek rond of boven 0,5 hertz, en de ademhaling ligt tussen 0,2 hertz en 0,4 hertz; deze fysiologische artefacten moeten worden geëlimineerd.Er wordt gebruikgemaakt van finite impulse response-filters en lineair-fase laagdoorlaatfilters. Signalen kunnen bovendien worden aangetast door bewegingsartefacten. Wanneer de lichtbronnen en/of detectoren van de FNIR-sensor verschuiven ten opzichte van hun oorspronkelijke bevestigingsplaats of het contact met de huid verliezen door hoofdbewegingen, kunnen er onverwachte plotselinge uitbarstingen of pieken in de FNIR-metingen optreden.Bovendien kan de detector zeer lage waarden registreren als de lichtbron de koppeling met de huid verliest, aangezien er geen licht naar de detector kan passeren, of juist extreem hoge intensiteiten en momentane verzadiging door het gereflecteerde licht van het huidoppervlak. Vergelijkbare verzadigingseffecten kunnen optreden als de detector loskomt en het contact met de huid verliest. Hoofdbewegingen die ervoor zorgen dat omgevingslicht binnenlekt, kunnen bovendien leiden tot veranderingen in de druk die wordt uitgeoefend op het sensorpad of op de lichtbronnen en detectoren.Deze veranderingen kunnen ervoor zorgen dat er meer fotonen het weefsel binnendringen, waardoor de gedetecteerde lichtintensiteit tijdelijk varieert. Naast het visueel inspecteren van de gegevens op mogelijke bewegingsartefacten is er een groeiend aantal algoritmen voor de detectie en verwijdering van bewegingsartefacten om het proces te automatiseren en subjectiviteit te elimineren. Algoritmen voor het verwijderen van artefacten in de literatuur variëren van eenvoudige laagdoorlaat- en VAM-doorlaatfilters tot wavelet-analyse, van onafhankelijke of principale componentenanalyse tot optimale filtering zoals adaptieve Wiener- en Cowman-filters. Continu-golfsystemen. Ruwe FNIR-signalen worden omgezet in relatieve oxygenatieveranderingen met behulp van de gewijzigde wet van Beer-Lambert.De optische dichtheid bij een specifieke inputgolflengte is de logaritmische verhouding tussen de intensiteit van het invallende licht en de intensiteit van het uitgaande licht. OD is tevens gerelateerd aan de concentratie en de absorptiecoëfficiënt van de chromofoor, de gecorrigeerde afstand tussen de lichtbron en de detector, plus een constante dempingsfactor waarbij dezelfde intensiteit van het invallende licht op twee verschillende tijdstippen aanwezig is. Het verschil in OD kan worden uitgedrukt in termen van enkel de gedetecteerde lichtintensiteitswaarden. Typisch worden er twee golflengten gekozen: één tussen 700 en 900 nanometer, waar de absorptie van oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine dominant is vergeleken met andere weefselchromoforen, en twee: één onder en één boven het isospastisch punt, dat ongeveer 805 nanometer bedraagt en waar de absorptiespectra van deoxy- en oxyhemoglobine elkaar kruisen.Deze vergelijking kan worden opgelost voor concentraties als de twee-bij-twee-matrix niet-significant is, nadat de relatieve veranderingen van de waarden voor geoxygeneerd en gedeoxygeneerd hemoglobine zijn berekend. De volgende stap is het extraheren van kenmerken, afhankelijk van het gebruikte experimentele protocol en de cognitieve taak.Kenmerkextractie wordt meestal gebruikt om de hoeveelheid gegevens te verminderen en om via statistische analyse vergelijkingen te maken tussen verschillende cognitieve taken, proefpersoongroepen en anatomische locaties. Veelgebruikte kenmerken omvatten de maximale, minimale, gemiddelde of mediane waarde van het geoxygeneerde en gedeoxygeneerde hemoglobine en de reactietijd, wat de verstreken tijd is tot het minimum of maximum is bereikt. Deze kenmerken kunnen worden geëxtraheerd uit een opgeroepen hemodynamische respons op een bepaalde cognitieve stimulus, verkregen via single-trial-paradigma's, of uit een data-epoch of een blok gegevens dat overeenkomt met bepaalde condities, geïmplementeerd via block-trial-designs en -paradigma's.De suite bestaat uit drie componenten die elk gericht zijn op een specifieke fase van het experiment: ontwerp, experimentatie en analyse. Maze Maker stelt de gebruiker in staat om eenvoudig een 3D-omgeving te ontwerpen voor elke fase van het experimentele protocol.Eenvoudige omgevingen kunnen in enkele momenten worden gemaakt. Definieer eerst het vloeroppervlak en gebruik vervolgens de muurtool om de grenzen van het doolhof te bepalen. Plaats tot slot een startpositie voor het proefdier en daarna het uitgangsgebied.Na het opslaan kan de tool voor snelle runs worden gebruikt om de omgeving direct te testen. Om te voldoen aan de vereisten van een specifiek experimenteel ontwerp, kunnen complexere omgevingen worden gecreëerd. Omgevingen kunnen worden aangepast door interactieve objecten, verlichtingsregelingen en texturering toe te voegen.Met de Maze List Builder kunnen Mel-bestanden worden gemaakt en opgeslagen waarin specifieke combinaties van doolhoven en gebruikersberichten zijn samengevoegd voor gebruik als experimentele procedures. De functionaliteit van Masis kan worden gebruikt om de specifieke niveaus van het experimentele ontwerp in te richten, waarbij de moeilijkheidsgraad oplopend of gerandomiseerd kan worden ingesteld als een storyboard, of met controle- versus experimentele niveaus. Individuele trials van het experiment worden uitgevoerd via het Maze Walker-programma.Door instellingen in Maze Walker te wijzigen, kunnen gebruikers de condities van het experiment verder specificeren. De besturing kan worden aangepast om input van verschillende apparaten te accepteren, waaronder het toetsenbord, de muis en de joystick. Externe apparaten kunnen tweerichtingscommunicatie met Maze Walker aangaan om informatie te verzamelen of wijzigingen binnen de omgeving te triggeren.Apparaatcommunicatie kan worden afgehandeld via T-C-P-I-P of een seriële kabel en kan worden gekoppeld aan een breed scala aan apparaten, waaronder E-E-G-F-M-R-I en FNIR. Tijdens de sessies registreert de Maze Walker de bewegingen van het subject samen met alle gebeurtenissen die tijdens de sessie hebben plaatsgevonden. Met het Maze Analyzer-programma kunnen MACE-bestanden worden weergegeven met een geregistreerd gebruikerspad voor evaluatie.Verschillende paden kunnen over elkaar heen worden gelegd om de analyse te ondersteunen, en er kan statistische informatie over verschillende proeven worden berekend. Daarnaast kan de verzamelde informatie worden geëxporteerd naar Excel of MATLAB voor verdere verwerking. Ons cognitieve repertoire bevat een breed scala aan functies en vermogens die kunnen worden aangesproken via diverse taken, waaronder virtuele ruimtelijke navigatie en doolhoven; patronen van hersenactivatie in de frontale cortex variëren vanaf de initiële uitvoering van een nieuwe taak, na oefening en tijdens retentie.Met behulp van FNIR en door ons te richten op de prefrontale cortex, maken we gebruik van de functie van de PFC, in het bijzonder de executieve functie, de regulatie van cognitieve functies in actie, het gebruik van de PFC tijdens probleemoplossende taken en het gebruik van structuren op een hoger niveau terwijl meerdere items in het werkgeheugen worden vastgehouden. De organisatie van de oefening bij het aanleren van meerdere gelijkaardige taken is een leerfenomeen dat het effect van contextuele interferentie wordt genoemd. Effecten van contextuele interferentie zijn duidelijk zichtbaar wanneer individuen meerdere taken aanleren volgens verschillende oefenschema's.Hoge contextuele interferentie wordt gecreëerd wanneer te leren taken in een niet-sequentiële, onvoorspelbare volgorde worden gepresenteerd. Lage contextuele interferentie door bloktraining wordt gecreëerd wanneer de te leren taken in een voorspelbare volgorde worden gepresenteerd. Elke deelnemer voerde 315 acquisitietrials uit, bestaande uit 105 trials voor elk van de drie doolhoven over drie dagen, maandag, woensdag en vrijdag.De daaropvolgende maandag, 72 uur na de acquisitiefase, werden 30 retentietests en 20 transfertests in willekeurige volgorde uitgevoerd. De PFC-activiteit werd tijdens alle fasen gemonitord voor 16 opto-locaties. Met behulp van fNIRS omvatten de afhankelijke variabelen relatieve veranderingen in het gemiddelde oxygenated hemoglobin en gedragsmaten van de totale tijd, het pad, de lengte en de gemiddelde snelheid voor de doolhoven.De resultaten van het gedrag tonen aan dat er voor beide volgordes van oefening een monotonisch dalende trend is voor de doolhof-tijd, de totale tijd die nodig is om het doolhof te voltooien, wat suggereert dat de deelnemers het doolhof in kortere tijdsperioden voltooiden naarmate ze meer oefenden; dit is te verwachten bij gedragsmatige beoordelingen van leren. Daarnaast neemt de doolhof-snelheid, de gemiddelde snelheid waarmee deelnemers door het doolhof navigeren, toe met de oefening. Ook hier is een verbetering in de gedragsmatige maten over de tijd verwacht als gevolg van het leerproces bij deze resultaten.Er is een zij-aan-zijvergelijking van willekeurige versus bloktraining voor elke transfertaak voor de eenvoudigere transfertaak. Bij doolhof vier presteerde bloktraining beter dan willekeurige training. Echter, voor de moeilijkere transfertaak, doolhof vijf, was willekeurige training superieur aan bloktraining.Veranderingen in de hemoglobineconcentratie tijdens de oefenproeven geven aan dat de geblokkeerde volgorde een hogere hersenactivatie vereiste in vergelijking met de willekeurige volgorde. Daarnaast bleek uit een vergelijking binnen een oefenvolgorde voor het geblokkeerd leren dat een nieuwe taak, zoals in de transferfase, een hogere hersenactivatie vereiste, aangezien de oefenvolgorde anders was voor de taken die al waren aangeleerd.Voor de deelnemer die de taak in een geblokkeerde volgorde leerde, kan deze gestratificeerde willekeurige oefenvolgorde voldoende nieuw zijn geweest om extra inspanning en cognitieve middelen te vereisen voor het uitvoeren van de taak. Bovendien was voor de willekeurige oefenvolgorde de neurale activatie tijdens de transferfase niet hoger dan tijdens de retentiefase. Concluderend heeft deze explorerende studie het gebruik van de May-suite en FNIR aangetoond om neurobehaviorale aspecten van leren bij ruimtelijke navigatie te bestuderen.May Suite maakt het ontwerp en de toepassing van eenvoudige 3D-omgevingen mogelijk via een gebruiksvriendelijke grafische interface en registreert automatisch gedragsmatige maten voor vergelijkingen binnen of tussen proefpersonen. fNIRS is een draagbaar, veilig en niet-invasief instrument voor hersenmonitoring dat in klinische laboratoria en natuurlijke omgevingen is gebruikt om hersenactivatie te bestuderen. We hopen dat deze presentatie nuttig was bij het uitleggen van deze instrumenten.Veel succes met uw experimenten.

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

This video shows how to use the Barnes Maze with a mouse. The Barnes Maze testing procedure is used by researchers to assess spatial learning and memory in laboratory animals following repeated trials.

Barnes Maze: A Method For Assessing Spacial Learning and Memory in Lab Animals

Het doel van dit protocol is om ruimtelijke cognitie bij knaagdieren te onderzoeken. Het double-H waterlabyrint is een nieuwe test, die bijzonder nuttig is om de verschillende componenten van leren, consolidatie en geheugen, evenals de interactie van geheugensystemen, te verduidelijken.

De Double-H Maze: een robuuste Behavioral Test voor leren en geheugen in Knaagdieren

Dit artikel beschrijft een aanpassing van de Barnes-doolhof, een standaard knaagdierparadigma dat wordt gebruikt om ruimtelijk geheugen en leren te beoordelen, voor gebruik bij kleine schubreptielen.

Het beoordelen van ruimtelijke leren en geheugen in Small Squamate Reptielen

Hier presenteren we een protocol om een gedrags test aan te tonen die kwantificeert hoe alternatieve visuele kenmerken, zoals bewegings aanwijzingen, directionele beslissingen in vissen beïnvloeden. Representatieve gegevens worden gepresenteerd op de snelheid en nauwkeurigheid waar Golden shiner (Notemigonus crysoleucas) volgen virtuele vissen bewegingen.

Het integreren van visuele Psychophysical assays binnen een Y-doolhof om de rol te isoleren die visuele functies spelen in navigatie beslissingen

Het huidige protocol beschrijft een herconfigureerbaar doolhof, een uniek systeem voor het testen van ruimtelijke navigatie en gedragsfenotypen bij knaagdieren. Het aanpassingsvermogen van dit doolhofsysteem maakt het mogelijk om verschillende experimenten in één fysieke omgeving uit te voeren. Het gemak van structurele herschikking genereert betrouwbare en reproduceerbare experimentele resultaten.

Gebruik van een herconfigureerbaar doolhofsysteem om de reproduceerbaarheid van ruimtelijke navigatietests bij knaagdieren te verbeteren

Hier presenteren we een vereenvoudigde open-source hardware- en software-opstelling voor het onderzoeken van ruimtelijk leren van muizen met behulp van virtual reality (VR). Dit systeem toont een virtueel lineair spoor naar een hoofd-ingetogen muis die op een wiel draait door gebruik te maken van een netwerk van microcontrollers en een single-board computer met een eenvoudig te gebruiken Python grafisch softwarepakket.

Een open-source virtual reality-systeem voor het meten van ruimtelijk leren bij hoofdremmende muizen

Dit artikel presenteert een integratieve benadering voor het onderzoeken van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein. Deze aanpak omvat een grootschalige neuroimaging-meta-analytische database, functionele magnetische resonantiebeeldvorming in rusttoestand en netwerkmodellering en grafisch-theoretische technieken.

Modellering van het functionele netwerk voor ruimtelijke navigatie in het menselijk brein

Hier presenteren we een nieuwe, korte en actieve ruimtelijke navigatietaak die zowel ruimtelijke navigatie als episodisch geheugenvermogen beoordeelt. Belangrijk is dat ruimtelijke navigatie en episodisch geheugen met elkaar werden geassocieerd, en deze taak toonde gevoeligheid voor lichaamsbeweging.

Beoordeling van menselijke ruimtelijke navigatie in een virtuele ruimte en de gevoeligheid ervan voor lichaamsbeweging

Wordt een techniek beschreven voor het in grote lijnen het openen van de bloed-hersen barrière in de muis met behulp van microbellen en ultrageluid. Met deze techniek kan mangaan worden toegediend aan de hersenen van muizen. Omdat mangaan is een MRI-contrastmiddel dat zich ophoopt in gedepolariseerd neuronen, deze aanpak maakt beeldvorming van neuronale activiteit.

Functionele neuroimaging Met behulp van ultrasone bloed-hersen barrière verstoring en mangaan-enhanced MRI

We beschrijven een immunohistochemie protocol om het profiel van de hippocampus neuron activering studeren na blootstelling aan een ruimtelijke leertaak in een muismodel gekenmerkt door cognitieve tekorten van neurologische oorsprong. Dit protocol kan worden toegepast op zowel genetische of farmacologische muismodellen gekenmerkt door cognitieve tekorten.

Immunohistochemische Visualisatie van hippocampus Neuron activiteit na Ruimtelijke Leren in een muismodel van Neurodevelopmental Disorders

Leer hoe u MazeSuite en functionele near-infrared spectroscopy (fNIR) combineert voor cognitief onderzoek naar ruimtelijke navigatie. Deze methode maakt niet-invasieve monitoring van hersenactiviteit in natuurlijke omgevingen mogelijk.

Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation

Meer video's verkennen