Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation
8 oktober 2011
MazeSuite is een complete set aan tools om navigatie- en ruimtelijke experimenten voor te bereiden, te presenteren en te analyseren. Functionele near-infrared spectroscopie (fNIR) is een optische hersenbeeldtechniek die niet-invasief en draagbaar bewaken van veranderingen in cerebrale bloedoxygenatie mogelijk maakt. Dit artikel vat het collectieve gebruik van MazeSuite en fNIR samen binnen een cognitief verwerkingsleerparadigma.
Ons doel in deze presentatie is tweevoudig. Ten eerste om het experimentele protocolontwerpproces en het gebruik van May suite te illustreren en ten tweede om de setup en implementatie van het FNIR Brain Activity Monitoring System te demonstreren. May suite kan worden gebruikt om aangepaste 3D-omgevingen te ontwerpen en te bewerken, evenals om de gedragsprestaties van een deelnemer bij te houden.
Om deze te demonstreren, wordt een sub-steekproef uit een studie gerapporteerd om te laten zien hoe zowel May suite als FNIR in één experiment kunnen worden gebruikt. De studie omvat de beoordeling van cognitieve activiteit van de dorsale laterale prefrontale cortex tijdens de verwerving en het leren van computermace-taken voor geblokkeerde en willekeurige oefenorders. FNIR is een optische hersenmonitoringtechniek die nabij infrarood gebruikt om veranderingen in hemodynamische reacties in de cortex bij te houden.
Non-invasieve monitoring van cerebrale hemodynamiek en oxygenatie werd voor het eerst gedemonstreerd door job ossy en collega's in 1977. Deze technologie maakt de ontwerp van draagbare, veilige, betaalbare, niet-invasieve en minimaal indringende monitoringsystemen mogelijk die kunnen worden gebruikt om hersenactiviteit in natuurlijke omgevingen te meten. Ambulant en veldcondities nabij infraroodlicht kunnen een paar centimeter door weefsel penetreren binnen 700 tot 900 nanometer.
Wanneer licht het weefsel binnenkomt, wordt het ofwel geabsorbeerd of verspreid. Absorptie is te wijten aan chromo-kracht lichtabsorberende moleculen, zoals hemoglobine en waterverspreiding vindt plaats in de structuur van het weefsel zoals celmembranen en lagen. Een typische FNIR-meting bevat een meeteenheid met lichtbronnen en detectoren.
Wanneer een lichtbron activeert, wordt licht geïntroduceerd over de schedel, penetreert het en reist het in alle richtingen in het weefsel en verliest intensiteit naarmate het reist, een deel van het licht bereikt de oppervlakte door meerdere opeenvolgende verspreidingen en wordt geregistreerd door de detector, de fotonen die de detector bereiken, reizen eigenlijk door een banaanvormig volume. Metingen bij de detector geven informatie over dit volume tussen lichtbron en detector. Koppel genaamd een oid, de diepte van de penetratie, met andere woorden, de kromming van de banaan is een functie van de afstand tussen de lichtbron en detector.
Dat is de reden waarom FNIR sensor geometrie sleutel is in het ontwerp. Afhankelijk van het type metingen voor cognitieve taken en metingen van de prefrontale cortex, is optoscheiding meestal 2,5 centimeter tot drie centimeter. In deze studie hebben we FNIR-apparaten model 1000 gebruikt.
Dit is gebaseerd op de ontwerpen van chance en collega's in de jaren negentig en verder ontwikkeld in het Optical Brain Imaging Lab van Drexel University. Dit instrument verliest geen vezels of lichtgeleiders om opto's met de huid te laten communiceren. Daarom is het gemakkelijker op te zetten, comfortabeler voor lange sessies en minder gevoelig voor bewegingsartefacten.
Deze sensor is echter specifiek ontworpen voor detectie van corticale activering van de dorsale laterale prefrontale cortex die onder het voorhoofd ligt en niet kan worden gebruikt in andere hoofdgebieden vanwege interferentie van haar. De FNIR-sensorpad die in de studie wordt gebruikt, bevat vier lichtgevende diodes die niet-coherent licht schijnen bij 730 nanometer en 850 nanometer. Er zijn 10 fotodetectoren en door LED's in een opeenvolgende volgorde te laten schijnen, samen met het gebruik van omringende detectoren, zijn er 16 meetlocaties.
Boxen worden bij elke scan bemonsterd. Dit omvat lichtintensiteitsmeting van twee verschillende golflengten en ook een donkere meting voor omgevingslicht, totaal drie kanalen voor elke meetlocatie, dus in totaal zijn er 48 kanalen opgenomen van de scan. De sensorpad wordt geplaatst over het voorhoofd van de proefpersoonzijde.
Een zou aan de linkerkant van het onderwerp moeten zijn en zijde twee. Aan de rechterkant van het onderwerp moet de sensor net boven de wenkbrauwen worden geplaatst en verticaal worden gecentreerd. De imaginaire verticale symmetrielijn gaat door de middenlijn van het voorhoofd en vervolgens de neus.
De middellijn van de sensorpad valt samen met de middenlijn van het voorhoofd en de neus. Zodra de sensorpad is gepositioneerd, worden de kabels aan de twee zijden getrokken en achteraan het hoofd aangesloten. Met de kabel beveiligd met de clip, is het van cruciaal belang om te controleren of de sensorpad correct is gekoppeld aan de huid en of er geen bultjes of ruimtes zijn tussen de opto's en de huid.
Een goede manier om te controleren of de koppeling goed is, is om een kleine druk op de sensorpad uit te oefenen en te voelen of de positie verandert met druk. Soms kan een hoofdband, elastiek en/of stevige stof, zoals een tennisband of bandana, over de FNIR-sensor worden geplaatst om de koppeling van de opto's met de huid te beveiligen. Na de positie van de sensor moeten signalen op alle kanalen worden geverifieerd door te beginnen met data-acquisitie. Eerst moet de sensorpad worden aangesloten op de FNIR hardware control box.
Het apparaat moet via een USB-kabel op de computer worden aangesloten en beide systemen moeten worden ingeschakeld. Vervolgens voert u Kobe Studio uit op de computer door op de snelkoppeling in het linkerdeelvenster te klikken, klik op de start huidige apparaat link. Als de instellingen correct zijn, zal het berichtvenster weergeven dat het apparaat was gestart en zullen grafieken de nieuw verkregen signalen weergeven.
De signaalniveaus zijn afhankelijk van de LED-stroom en versterkingsinstellingen. Een goede vuistregel is om deze parameters boven de 700 millivolt en onder de 4.000 millivolt te hebben. Bovendien moeten signalen stabiel zijn.
Te veel variatie en pieken kunnen wijzen op onjuiste sensorkoppeling of kabel- of hardwareverbindingsproblemen. In sommige gevallen kunnen een of twee laterale kanalen, een en twee aan de linkerkant en 15 en 16 aan de rechterkant over het haar worden geplaatst en zijn hun signaalwaarden te laag. U kunt gewoon doorgaan en die kanalen later in de analyse elimineren.
U moet mogelijk instellingen aanpassen op basis van elk onderwerp, omdat er grote individuele verschillen kunnen zijn vanwege verschillende optische eigenschappen van de huid
Overzicht
MazeSuite is een uitgebreide toolset die is ontworpen voor het voorbereiden, presenteren en analyseren van navigatie- en ruimtelijke experimenten. Dit artikel bespreekt de integratie van MazeSuite met functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIR) om veranderingen in de cerebrale bloedoxygenatie tijdens cognitieve taken te monitoren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Optische hersenbeeldvorming
- Cognitieve verwerking
Achtergrond
- fNIR is een niet-invasieve optische techniek voor hersenbeeldvorming.
- Het maakt draagbare monitoring van de cerebrale hemodynamiek mogelijk.
- De technologie is geëvolueerd sinds de eerste demonstratie in 1977.
- fNIR meet veranderingen in de bloedoxygenatie die gerelateerd zijn aan hersenactiviteit.
Doel van de studie
- Om het ontwerpproces van experimentele protocollen met behulp van MazeSuite te illustreren.
- Om de installatie van het fNIR-systeem voor monitoring van hersenactiviteit te demonstreren.
- Om de cognitieve activiteit in de dorsolaterale prefrontale cortex te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Het ontwerpen en bewerken van 3D-omgevingen met MazeSuite.
- Het bijhouden van de gedragsprestaties van deelnemers tijdens taken.
- Het gebruik van fNIR om hemodynamische responsen in de cortex te monitoren.
- Het uitvoeren van experimenten met specifieke sensorplaatsingen voor nauwkeurige metingen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle integratie van MazeSuite en fNIR in cognitieve experimenten.
- Aangetoonde effectieve monitoring van hersenactiviteit tijdens leertaakopdrachten.
- Inzichten verschaft in het ontwerp en de implementatie van fNIR-systemen.
- Het belang van sensorgeometrie voor nauwkeurige gegevensverzameling benadrukt.
Conclusies
- MazeSuite en fNIR kunnen effectief worden gecombineerd voor cognitief onderzoek.
- Deze aanpak maakt niet-invasieve monitoring in natuurlijke omgevingen mogelijk.
- Toekomstige studies kunnen voortbouwen op deze methodologie voor bredere toepassingen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
De integratie van gedragsmeting met neuroimaging maakt mechanistische risicoreductie van cognitieve targets in discovery-pipelines mogelijk. Deze aanpak vergroot het voorspellend vertrouwen door ruimtelijke leerprestaties te koppelen aan activatiepatronen in de prefrontale cortex. Het biedt inzicht in strategieën voor targetvalidatie bij neuropsychiatrische en neurodegeneratieve indicaties waarbij de executieve functies zijn aangetast.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen door de prestaties bij het navigeren door een doolhof te koppelen aan veranderingen in de oxygenatie van de dorsolaterale prefrontale cortex.
- Operationele waarde: Maakt biologische risicoreductie mogelijk door gelijktijdige meting van gedrag en corticale activatie tijdens de acquisitie van vaardigheden.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt de triage van portfolio's door verbindingen te identificeren die contextuele interferentie-effecten op de prefrontale betrokkenheid normaliseren.
Screening & assayontwikkeling
- Klaarheid voor assay: Bereidt gevalideerde virtuele omgevingen voor voor gestandaardiseerde presentatie van cognitieve uitdagingen tijdens screeningscampagnes van verbindingen.
- Kwantitatieve outputs: Genereert reproduceerbare hemodynamische en gedragsmatige metrieken (oxygenatieverschuivingen, voltooiingstijd, snelheid) voor de progressie van hit-to-lead.
- Schaalbaarheid van het platform: De 3D-editor van MazeSuite maakt snelle aanpassing van ruimtelijke taken mogelijk voor diverse therapeutische gebieden waar beoordeling van de executieve functies vereist is.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Relevantie voor ziektebeelden: Modelleert tekorten in prefrontaal-afhankelijk leren die relevant zijn voor schizofrenie, ADHD en vroege Alzheimer, waarbij de verwerking van contextuele interferentie is verstoord.
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen ruimtelijke navigatietests bij knaagdieren en prefrontale betrokkenheid bij mensen via een homologisch taakontwerp en fNIR-compatibele read-outs.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Maakt go/no-go-beslissingen mogelijk op basis van de vraag of kandidaten de normale koppeling tussen activatie en gedrag tijdens leerfasen herstellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode bevindt zich op het snijvlak van discovery biology en lead-optimalisatie, waarbij target engagement wordt afgeleid uit functionele correlaties tussen hersenen en gedrag tijdens het aanleren van een vaardigheid.
- Discovery Biology: Test target-interactie door te meten of farmacologische manipulatie de oxygenatiepatronen in de prefrontale cortex verandert tijdens de acquisitie en retentie van ruimtelijke taken.
- Screening: Levert assay-klare virtuele omgevingen met gesynchroniseerde gedragsregistratie voor high-throughput evaluatie van cognitieve modulatoren.
- Analytics: Biedt kwantitatieve afhankelijke variabelen (gemiddeld geoxygeneerd hemoglobine, padlengte, snelheid), waardoor statistische vergelijking van cognitieve toestanden over verschillende experimentele condities mogelijk is.
- Translationeel Onderzoek: Sluit aan bij preklinische continuïteit door gebruik te maken van ecologisch valide navigatietaken die geconserveerde frontale circuits over verschillende soorten activeren.
- Enterprise Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar neurocognitief assessmentplatform voor meerdere discovery-programma's die zich richten op domeinen van de executieve functies.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit door targetmodulatie direct te koppelen aan prefrontale leer-signalen.
- Operationele waarde: Standardiseert de stimuluspresentatie en neurofysiologische registratie tussen verschillende locaties via MazeSuite-omgevingsbestanden en fNIR-sensorprotocollen.
- Strategische waarde: Verbetert de kwaliteit van go/no-go-beslissingen door vroege target-activatie te detecteren in ecologisch valide cognitieve paradigma's.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk van verbindingen die een dosisafhankelijke normalisatie van prefrontale activatie tijdens het leren vertonen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in cognitief experimenteel ontwerp en neurofysiologische signaalverwerking.
- Afhankelijk van fNIR-hardware, gesynchroniseerde stimuluspresentatiesystemen en voldoende optische ruimte op het voorhoofd.
- Necessiteert cross-team standaardisatie van markeringstiming, kanaalselectie en procedures voor de correctie van fysiologische artefacten.
- Omvat overwegingen met betrekking tot adaptatie bij het vertalen van virtuele doolhofparameters naar klinische populaties met motorische of visuospatiale beperkingen.
- Omvat praktische beperkingen zoals oppervlakkige corticale gevoeligheid en vatbaarheid voor bewegingsartefacten tijdens actieve navigatietaken.
