W niniejszym opracowaniu opisujemy metodę zbierania i analizy danych dla funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS), nowatorskiego nieinwazyjnego systemu obrazowania mózgu stosowanego w neuronauce poznawczej, w szczególności w badaniach nad rozwojem mózgu dziecka. Metoda ta zapewnia uniwersalny standard akwizycji i analizy danych, który jest kluczowy dla interpretacji wyników oraz odkryć naukowych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Badanie funkcji poznawczych u niemowląt, dzieci i dorosłych z wykorzystaniem spektroskopii bliskiej podczerwieni
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Na całym świecie trwa gwałtowny wzrost liczby badań z wykorzystaniem funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS), badających aktywację kory mózgowej w odniesieniu do wyższych procesów poznawczych, takich jak język1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, pamięć11 oraz uwaga12, z udziałem dorosłych, dzieci i niemowląt 3,4,13,14,15,16,17,18,19 o typowym i nietypowym rozwoju poznawczym20,21,22. Współczesnym wyzwaniem w zastosowaniu fNIRS w neuronauce poznawczej jest przeprowadzenie systematycznych analiz danych w taki sposób, aby były one uniwersalnie interpretowalne23,24,25,26, co pozwoli na poszukiwanie odpowiedzi na kluczowe pytania naukowe dotyczące organizacji funkcjonalnej i systemów neuronalnych leżących u podstaw wyższych funkcji poznawczych człowieka.
Istniejące technologie neuroobrazowania charakteryzują się albo mniejszą rozdzielczością czasową, albo przestrzenną. Potencjały wywołane oraz magnetoencefalografia (ERP i MEG) posiadają doskonałą rozdzielczość czasową, podczas gdy pozytonowa tomografia emisyjna i funkcjonalny rezonans magnetyczny (PET i fMRI) oferują lepszą rozdzielczość przestrzenną. Wykorzystując niejonizujące długości fal światła w zakresie bliskiej podczerwieni (700-1000 nm), gdzie oksyhemoglobina jest preferencyjnie absorbowana przy 680 nm, a deoksyhemoglobina przy 830 nm (np. dokładnie takie długości fal są zaprogramowane w systemie fNIRS Hitachi ETG-400 przedstawionym tutaj), fNIRS dobrze nadaje się do badań funkcji poznawczych wyższego rzędu, ponieważ posiada zarówno dobrą rozdzielczość czasową (~5s) bez użycia promieniowania, jak i dobrą rozdzielczość przestrzenną (głębokość ~4 cm), a także nie wymaga przebywania uczestników w zamkniętej strukturze27,28. Aktywność korową uczestników można oceniać, gdy siedzą oni wygodnie na zwykłym krześle (dorośli, dzieci), a nawet na kolanach matki (niemowlęta). Co istotne, NIRS jest wyjątkowo przenośny (wielkości komputera stacjonarnego), praktycznie bezgłośny i toleruje subtelne ruchy uczestnika. Jest to szczególnie istotne w badaniach neuronalnych języka ludzkiego, którego kluczowym elementem jest konieczność poruszania ustami podczas produkcji mowy lub dłońmi w języku migowym.
Lokalizacja odpowiedzi hemodynamicznej odbywa się za pomocą układu emiterów i detektorów laserowych. Emitery emitują światło niejonizujące o znanej intensywności, natomiast detektory wykrywają ilość światła odbitego od powierzchni kory mózgowej. Im bliżej siebie znajdują się optody, tym wyższa jest rozdzielczość przestrzenna, natomiast im większa odległość między optodami, tym większa głębokość penetracji. W systemie fNIRS Hitachi ETG-4000, w celu uzyskania optymalnej penetracji i rozdzielczości, układ optodów ustawia się na 2cm.
Naszym celem jest zaprezentowanie metody pozyskiwania i analizy danych fNIRS, aby pomóc w standaryzacji tej dziedziny i umożliwić różnym laboratoriom fNIRS na całym świecie operowanie w oparciu o wspólne podstawy.
Protokół
Część 1: Przed przybyciem uczestnika do laboratorium
- Upewnij się, że w pomieszczeniu nie znajdują się zbędne przedmioty, które mogłyby rozpraszać uczestnika.
- Skonfiguruj i wgraj protokół doświadczalny do systemu fNIRS Hitachi ETG-4000.
- Przygotuj paradygmat eksperymentalny. Paradygmaty eksperymentalne można zaprogramować w różnym oprogramowaniu do prezentacji, takim jak Eprime, Presentation, Psyscope lub w narzędziach psychologicznych opartych na Matlabie. W tym przypadku wykorzystujemy narzędzia psychologiczne oparte na Matlabie.
- Kluczowe dla analizy danych jest zachowanie odpowiedniego czasu, dlatego paradygmat eksperymentalny musi być idealnie zsynchronizowany z gromadzeniem danych. System fNIRS Hitachi ETG-4000 posiada funkcje wyzwalania (triggeringu), co pozwala paradygmatowi eksperymentalnemu wyzwalać zbieranie danych lub odwrotnie. Przetestuj wyzwalanie programu prezentacyjnego przez system fNIRS Hitachi ETG-4000. Wyzwalanie może odbywać się za pomocą portów równoległych, szeregowych lub USB. Tutaj przedstawiamy wyzwalanie poprzez port równoległy.
- Przed rozpoczęciem badania fNIRS ważne jest przeprowadzenie wstępnej oceny uczestnika. W laboratorium Petitto przeprowadzamy tę ocenę, prosząc uczestników lub ich rodziców o wypełnienie odpowiednich, ustandaryzowanych kwestionariuszy do badania29.
Przybycie uczestnika
- Ważne jest, aby przeprowadzić sesję i traktować uczestników w sposób profesjonalny. Uczestnik lub rodzice/opiekunowie prawni uczestnika muszą podpisać formularz zgody przed rozpoczęciem eksperymentu. Niezbędne jest podziękowanie uczestnikowi za poświęcony czas na te ważne i ekscytujące badania.
- Uczestnik zostaje wygodnie posadzony w pobliżu pomieszczenia do badań fNIRS. Uczestnik w wieku niemowlęcym może siedzieć na kolanach rodzica.
Część 2: Umieszczanie optod i stosowanie systemu 10-20
Kolejnym elementem metody analizy, który umożliwia spójną interpretację danych, jest standaryzacja protokołu rejestracji fNIRS. Obejmuje ona rozmieszczenie optod, pozycjonowanie uczestnika oraz wyzwalanie oprogramowania do prezentacji bodźców. Zarówno precyzyjne neuroanatomiczne rozmieszczenie sond, jak i potwierdzenie obszarów zainteresowania (ROIs) osiągnięto przy użyciu systemu 10–203,4,30. Ponadto stereotaktyczną lokalizację zestawu sond potwierdzono na czaszce uczestnika poprzez nałożenie informacji z trackingu 3D z systemu Polhemus Fast trak na anatomiczny skan MRI współrejestracyjny uczestnika, wykonany z kapsułkami witaminy E umieszczonymi w miejscu każdej sondy3,4. Optymalne pozycjonowanie uczestników polegało na ich wygodnym umieszczeniu w fotelu półleżącym, przy czym światłowody zwisały swobodnie, bez kontaktu z ciałem lub fotelem.
- Za pomocą centymetra wykonuje się następujące pomiary głowy, które następnie zapisuje się w arkuszu danych uczestnika:
- Obwód od nasion do inion
- Odległość od nasion do inion przez szczyt głowy
- Odległość od ucha do ucha przez szczyt głowy
- Do zaznaczenia konkretnych punktów docelowych można użyć taśmy chirurgicznej. W tym eksperymencie zaznaczymy punkty Fp, T3/T4, F8/F7
- Układy optodów są umieszczane na głowie uczestnika, przy czym konkretne optody są mocowane w punktach systemu 10-20, zgodnie z celami eksperymentu.
Część 4: Testowanie macierzy optodów
- Wprowadzenie do interfejsu GUI urządzenia Hitachi ETG-4000 oraz testowanie sond.
- Testowanie sygnału: Po umieszczeniu optod na skórze głowy uczestników sprawdzana jest jakość sygnału. Jeśli optoda nie wykazuje wyraźnego sygnału, badacze delikatnie odsuniają włosy z miejsca styku optody ze skórą głowy. W niektórych przypadkach może być konieczne przetarcie optod gazikiem nasączonym alkoholem.
Część 5: Przeprowadzenie eksperymentu.
- W pomieszczeniu muszą zawsze przebywać co najmniej dwóch badaczy: jeden monitorujący odczyt w czasie rzeczywistym z fNIRS Hitachi ETG-4000, a drugi obserwujący uczestnika. Wysoce zaleca się użycie kamery wideo skierowanej na uczestnika w celu późniejszej analizy obserwacji. Zaletą fNIRS Hitachi ETG-4000 jest synchronizacja i korejestracja sygnału fNIRS z nagraniem wideo. Prowadzony jest dziennik zawierający wszystkie istotne informacje oraz wygenerowane pliki.
- Istnieją dobrze ugruntowane metody opracowywania eksperymentalnych paradygmatów hemodynamicznych, a mianowicie projekt blokowy (Block design) oraz projekty zależne od zdarzeń (Event-related designs). Bardziej szczegółowy opis znajduje się w niedawnym artykule przeglądowym31.
Część 6: Analiza
Po zebraniu wszystkich danych uczestnikowi dziękuje się za poświęcony czas i chęć udziału, po czym opuszcza on laboratorium. Ponieważ analiza nie jest przeprowadzana bezpośrednio na urządzeniu fNIRS Hitachi ETG-4000, dane są eksportowane do komputera przeznaczonego do analizy.
- Konwersja z μV na stężenia hemoglobiny. Ponieważ surowe wartości tłumienia są zbierane jako tłumienie mocy lasera (mierzone w μV), wartości te muszą zostać przekształcone na wartości hemoglobiny utlenowanej i odtlenowanej. Jest to realizowane przy użyciu zmodyfikowanego równania Beer-Lamberta.
- Zastosowanie zmodyfikowanego równania Beer-Lamberta odbywa się w dwóch etapach. Przy założeniu, że rozproszenie jest stałe na całej długości drogi, najpierw oblicza się tłumienie dla każdej długości fali (ΔAλ(t)) poprzez porównanie gęstości optycznej natężenia światła podczas zadania (Itask) z obliczoną linią bazową sygnału (Ibaseline). Wartości ΔA dla każdej długości fali i próbkowanego punktu czasowego (t) są wykorzystywane do rozwiązania zmodyfikowanego równania Beer-Lamberta.
Równanie 1 
Równanie 2 
λ1∈deoxy, λ1∈oxy, λ2∈deoxy oraz λ 2∈oxy to stałe współczynników wymierania, które mierzą ułamek światła utraconego w wyniku absorpcji na jednostkę odległości i stężenia w tkance. Wynikowe wartości Cdeoxy i Coxy to stężenia hemoglobiny odtlenowanej i utlenowanej dla każdego t.
Część 7: Reprezentatywne wyniki
Typowa odpowiedź hemodynamiczna charakteryzuje się kilkoma wyraźnymi cechami. W odpowiedzi oksyhemoglobinowej występuje najpierw charakterystyczny spadek. Spadek ten pojawia się w momencie aktywacji obszaru neuronów i wyczerpania dostępnego tlenu. Wraz ze wzrostem przepływu krwi niosącej hemoglobinę utlenowaną, odpowiedź oksyhemoglobinowa gwałtownie rośnie powyżej początkowych poziomów bazowych, osiągając poziom stanu ustalonego. Gdy obszar ten przestaje być aktywowany, odpowiedź oksyhemoglobinowa wygasa w ciągu kolejnych 12-15 sekund i powoli powraca do poziomów bazowych. Czasami przed powrotem odpowiedzi hemodynamicznej do początkowych poziomów bazowych występuje tzw. niedostrzeleń (undershoot).
Złe wyniki zazwyczaj wynikają z nieprawidłowego przylegania optod do skóry głowy lub nadmiernych ruchów. Ten rodzaj szumów – nazywany „Flatlingiem” – jest widoczny w sygnale jako nasycenie wartości mikrovoltowych, przy czym sygnały z wielu różnych kanałów, zarówno odpowiedzi oxy-, jak i deoxy-, zmieniają się w sposób skoordynowany.
DEMONSTRACJA: Potrząsanie światłowodem.
Analizy statystyczne: Wyekstrahowane wartości oksy- i deoksyhemoglobiny dla każdego kanału, każdego uczestnika i każdego zadania mogą następnie zostać poddane konwencjonalnej analizie statystycznej, obejmującej testy t, analizy ANOVA, korelacje itp.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W niniejszym badaniu zaprezentowaliśmy zastosowanie nowej, nieinwazyjnej technologii obrazowania mózgu fNIRS w celu zbadania funkcji ludzkiego mózgu w odniesieniu do ludzkiego poznania i percepcji. Obrazowanie mózgu metodą fNIRS może stanowić przyszłość nieinwazyjnego obrazowania mózgu, szczególnie w populacjach niemowląt i dzieci, i może pewnego dnia stać się powszechnie dostępne w laboratoriach badawczych, gabinetach lekarskich oraz w systemach szkolnych, co pozwoli klinicystom stosować podstawowe odkrycia naukowe doty...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Praca ta była finansowana z grantów przyznanych L.A.P. (kierownik projektu):
National Institutes of Health R21 HD50558, przyznany w latach 2005-07; National
Instytuty Zdrowia (National Institutes of Health) R01 HD045822, przyznany w 2004-09; Grant Fundacji Dana,
przyznany 2004-06; Canadian Foundation for Innovation (grant „CFI”), przyznany
2008-2012; Grant z Ontario Research Fund, przyznany w latach 2008-2012.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Tagi
Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieniakwizycja danych fNIRSpomiar odpowiedzi hemodynamicznejprotok rozmieszczenia optod wmi dzynarodowy system 10 20metody kognitywistykimonitorowanie aktywno ci m zguwiat o bliskiej podczerwienianaliza hemoglobiny utlenowanejprojektowanie paradygmatu eksperymentalnego
