Wykorzystanie MazeSuite i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni do badania uczenia się w nawigacji przestrzennej

Nasz cel w tej prezentacji jest dwojaki. Po pierwsze, aby zilustrować proces projektowania protokołu eksperymentalnego i wykorzystania zestawu May, a po drugie, aby zademonstrować konfigurację i wdrożenie Systemu Monitorowania Aktywności Mózgu FNIR. Pakiet May może być używany do projektowania i edycji dostosowanych środowisk 3D, a także do śledzenia wyników behawioralnych uczestnika.

Aby to zademonstrować, podpróba z badania pokazuje, jak używać zarówno zestawu May, jak i FNIR w jednym eksperymencie. Badanie polega na ocenie aktywności poznawczej grzbietowej bocznej kory przedczołowej podczas przyswajania i uczenia się zadań maczugi komputerowej dla zablokowanych i losowych rozkazów ćwiczeń. FNIR Jest to technika optycznego monitorowania mózgu, która wykorzystuje bliską podczerwień, na przykład do śledzenia zmian w reakcjach hemodynamicznych w korze mózgowej.

Nieinwazyjne monitorowanie hemodynamiki i natlenienia mózgu zostało po raz pierwszy zademonstrowane przez Joba Ossy'ego i współpracowników w 1977 roku. Technologia ta pozwala na projektowanie przenośnych, bezpiecznych, niedrogich, nieinwazyjnych i minimalnie inwazyjnych systemów monitorowania, które można wykorzystać do pomiaru aktywności mózgu w naturalnym środowisku. Warunki ambulatoryjne i terenowe w pobliżu światła podczerwonego mogą przenikać przez tkankę na kilka centymetrów w zakresie od 700 do 900 nanometrów.

Kiedy światło dostaje się do tkanki, jest albo pochłaniane, albo rozpraszane. Absorpcja jest spowodowana siłą chromo, cząsteczkami pochłaniającymi światło, takimi jak hemoglobina i rozpraszanie wody, zachodzi w strukturze tkanki, takiej jak błony i warstwy komórkowe. Typowy pomiar FNIR zawiera jednostkę miary, która zawiera źródła światła i detektory.

Kiedy źródło światła aktywuje się, światło jest wprowadzane przez skórę głowy, przenika przez nią i przemieszcza się we wszystkich kierunkach w tkance i traci intensywność podczas podróży, część światła dociera z powrotem do powierzchni z powodu wielokrotnego sekwencyjnego rozpraszania i jest rejestrowane przez detektor, fotony, które docierają do detektora, faktycznie przemieszczają się przez objętość w kształcie banana. Pomiary w detektorze dostarczają informacji o tej objętości między źródłem światła a detektorem. Para zwana oidem, głębokość penetracji, innymi słowy, krzywizna banana jest funkcją odległości między źródłem światła a detektorem.

Dlatego geometria czujnika FNIR ma kluczowe znaczenie w projekcie. W zależności od rodzaju pomiarów dla zadania poznawczego i pomiaru z kory przedczołowej, separacja opto wynosi zwykle od 2,5 centymetra do trzech centymetrów. W tym badaniu wykorzystaliśmy urządzenia FNIR model 1000.

Jest to oparte na projektach przypadkowych i jego kolegów z lat 90. i dalej rozwijane w Laboratorium Optycznego Obrazowania Mózgu Uniwersytetu Drexel. Ten instrument nie opiera się na włóknach ani światłowodach, aby połączyć optos ze skórą. Dzięki temu jest łatwiejszy w konfiguracji, wygodniejszy na długie sesje i mniej podatny na artefakty ruchowe.

Jednak czujnik ten został zaprojektowany specjalnie do wykrywania aktywacji korowej grzbietowej bocznej kory przedczołowej, która znajduje się pod czołem i nie może być używana w innych obszarach głowy z powodu zakłóceń powodowanych przez włosy. Podkładka sensoryczna FNIR użyta w badaniu zawiera cztery diody elektroluminescencyjne, które świecą światłem niekoherentnym o długości 730 nanometrów i 850 nanometrach. Znajduje się tam 10 fotodetektorów i świecących diod LED w kolejności sekwencyjnej, wraz z wykorzystaniem otaczających detektorów 16 miejsc pomiarowych.

Podczas każdego skanowania pobierane są próbki z pudełek. Obejmuje to pomiar natężenia światła o dwóch różnych długościach fal, a także pomiar ciemności dla światła otoczenia, w sumie trzy kanały dla każdego miejsca pomiaru, więc w sumie ze skanu zarejestrowanych jest 48 kanałów. Podkładkę sensoryczną umieszcza się nad czołem osoby badanej.

Jeden powinien znajdować się po lewej stronie podmiotu i po drugiej stronie. Po prawej stronie fotografowanej osoby czujnik powinien znajdować się tuż nad brwiami i powinien być wyśrodkowany w pionie. Wyimaginowana pionowa linia symetrii przechodzi przez linię środkową czoła, a następnie nosa.

Linia środkowa opuszków sensorycznych pokrywa się z linią środkową czoła i nosa. Po ustawieniu podkładki sensorycznej są ciągnięte z dwóch stron i podłączane z tyłu głowicy. Po zabezpieczeniu klipsem należy sprawdzić, czy podkładka sensoryczna jest prawidłowo połączona ze skórą i czy nie ma żadnych wybrzuszeń ani przestrzeni między optos a skórą.

Dobrym sposobem sprawdzenia, czy sprzężenie jest prawidłowe, jest lekkie dociśnięcie podkładki czujnika i wyczucie, czy położenie zmienia się wraz z naciskiem. Czasami na czujnik FNIR można nałożyć opaskę na głowę, elastyczną i/lub mocną tkaninę, taką jak opaska tenisowa lub bandana, aby zabezpieczyć połączenie optos ze skórą. Po ustawieniu czujnika należy zweryfikować sygnały na wszystkich kanałach, rozpoczynając akwizycję danych W pierwszej kolejności podkładkę czujnika należy podłączyć do skrzynki sterowniczej FNIR.

Urządzenie powinno być podłączone do komputera za pomocą USB, a oba systemy powinny być włączone. Następnie uruchom Kobe Studio na komputerze, klikając skrót w lewym okienku, kliknij link uruchom bieżące urządzenie. Jeśli ustawienia są poprawne, w okienku komunikatów zostanie wyświetlona informacja, że urządzenie zostało uruchomione, a na wykresach zostaną wyświetlone nowo pozyskane sygnały.

Poziomy sygnału zależą od ustawień prądu i wzmocnienia diody LED. Dobrą zasadą jest, aby te parametry były powyżej 700 miliwoltów i poniżej 4 000 miliwoltów. Ponadto sygnały powinny być stabilne.

Zbyt duża zmienność i skoki mogą wskazywać na nieprawidłowe sprzężenie czujnika lub problemy z połączeniem kablowym lub sprzętowym. W niektórych przypadkach jeden lub dwa kanały boczne, jeden i dwa po lewej stronie oraz 15 i 16 po prawej stronie, mogą być umieszczone nad włosami, a ich wartości sygnału są zbyt niskie. Możesz po prostu kontynuować i wyeliminować te kanały w dalszej części analizy.

Może być konieczne dostosowanie ustawień w zależności od każdego obiektu, ponieważ mogą występować duże różnice indywidualne ze względu na różne właściwości optyczne danej skóry. Aby najpierw zmienić ustawienia urządzenia, kliknij zatrzymaj bieżące urządzenie. Następnie kliknij właściwości urządzenia w lewym okienku.

Przejdź do zakładki ustawień pozyskiwania danych w oknie dialogowym. Jeśli chcesz najpierw zwiększyć wartości sygnału, zwiększ wartość prądu diody LED. Wzrost wartości prądu diody LED oznacza, że diody LED będą świecić jaśniej

Jeśli chcesz najpierw stopniować poziomy sygnału, zmniejsz wzmocnienie. Początkowa wartość wzmocnienia jest używana dla wszystkich wokseli. Po ustawieniu wartości kliknij przycisk Zapisz, a następnie kliknij przycisk Start.

Obecne urządzenie do rozpoczynania akwizycji danych z nowo ustawionymi parametrami, powszechne i przydatne jest również używanie znaczników do identyfikowania określonych zdarzeń podczas eksperymentów. Istnieją dwa rodzaje markerów, ręczne i automatyczne. Znaczniki ręczne są generowane przez kliknięcia przycisków w głównym oknie K, a następnie są oznaczane i zapisywane za pomocą danych FNIR.

Znaczniki automatyczne są odbierane z urządzenia zewnętrznego lub oprogramowania komputerowego w celu odbierania znaczników automatycznych, gdy urządzenie jest zatrzymane. Przejdź do ustawień urządzenia znajdujących się w lewym okienku i na karcie ustawień synchronizacji sprawdź, nasłuchuj znaczników. Port szeregowy jest sugerowaną metodą komunikacji znaczników.

Sprawdź, czy numer portu szeregowego jest ustawiony na prawidłowy numer portu w komputerze. Następnie można wysłać oprogramowanie stymulacyjne, takie jak ePrime lub May Suite, aby wysłać znaczniki według wartości, które są odbierane, oznaczane w czasie i zapisywane wraz z danymi FNIR na tym komputerze. Surowe sygnały FNIR to sygnały szeregów czasowych, które są natężeniem światła.

Szum w danych można usunąć przed lub po konwersji surowego światła. Intensywność. Wartości natlenienia Fizjologicznie nieistotne dane, takie jak oddychanie, pulsacja serca i hałas sprzętu, muszą zostać wyeliminowane z surowych pomiarów FNIR. Składnik związany z tętnem zwykle ma szczyt około lub powyżej 0,5 Hz, a oddychanie wynosi od 0,2 Hz do 0,4 Hz, aby wyeliminować te fizjologiczne artefakty.

Stosowane są filtry dolnoprzepustowe o skończonej odpowiedzi impulsowej i liniowej fazie. Sygnały mogą być również zniekształcone przez artefakty ruchu. Gdy źródła światła i/lub detektory czujnika FNIR przesuwają się z pierwotnie przymocowanego miejsca lub tracą kontakt ze skórą z powodu ruchu głowy, w pomiarach FNIR może dojść do nieoczekiwanego nagłego wybuchu lub skoków.

Ponadto, jeśli źródło światła przestanie łączyć się ze skórą, detektor może rejestrować albo bardzo niskie wartości, ponieważ żadne światło nie może się do niego zbliżać, albo ekstremalnie wysokie natężenia i chwilowe nasycenie spowodowane światłem odbitym od powierzchni skóry. Podobne efekty nasycenia mogą wystąpić, jeśli detektor pęknie i straci kontakt ze skórą. Powodowanie przecieku światła otoczenia Ruch głowy może dodatkowo powodować zmiany nacisku wywieranego na podkładkę czujnika lub na źródła światła i detektory.

Zmiany te mogą pozwolić większej liczbie fotonów na wejście do tkanki, zmieniając w ten sposób tymczasowo wykrywane natężenie światła. Oprócz tylko wizualnej kontroli danych pod kątem możliwych artefaktów ruchu, istnieje coraz więcej algorytmów wykrywania i usuwania artefaktów ruchu, które automatyzują proces i eliminują subiektywność Algorytmy usuwania artefaktów w literaturze obejmują zarówno proste filtry dolnoprzepustowe i przepustowe VAM, jak i analizę falkową, od analizy składowych niezależnych lub głównych po filtrowanie optymalne, takie jak adaptacyjne filtry Parenera i Cowmana, systemy fal ciągłych. Surowe sygnały FNIR są przekształcane w względne zmiany natlenienia przy użyciu zmodyfikowanego prawa Lamberta piwa.

Gęstość optyczna przy określonej długości fali wejściowej to logarytmiczny stosunek natężenia światła wejściowego i natężenia światła wyjściowego OD jest również związany ze współczynnikiem koncentracji i absorpcji siły chromu, skorygowaną odległością źródła światła i detektora oraz stałym współczynnikiem tłumienia o tym samym natężeniu światła wejściowego w dwóch różnych przypadkach czasowych. Różnicę w OD można zapisać tylko w postaci wykrytych wartości natężenia światła. Zazwyczaj dwie wybierane długości fal to jedna w zakresie od 700 do 900 nanometrów, gdzie absorpcja oksyhemoglobiny i deoksyhemoglobiny jest dominująca w porównaniu z innymi chromoforami tkankowymi i dwie poniżej i jedna powyżej izospastycznego, czyli około 805 nanometrów, gdzie widma absorpcyjne deoksy i oksyhemoglobiny krzyżują się ze sobą.

To równanie można ustawić tak, aby rozwiązywało się dla stężeń, jeśli macierz dwa na dwa jest nieistotna. Po względnych zmianach wartości hemoglobiny natlenionej i odtlenionej. Następnym krokiem jest wyodrębnienie cech w zależności od zastosowanego protokołu eksperymentalnego i zadania poznawczego.

Ekstrakcja cech jest najczęściej stosowana w celu zmniejszenia ilości danych i porównania między różnymi zadaniami poznawczymi, grupami badanych i lokalizacjami anatomicznymi za pomocą analizy statystycznej. Powszechnie stosowanymi cechami są maksymalna minimalna średnia lub średnia wartość hemoglobiny natlenionej i odtlenionej oraz czas reakcji, czyli czas, jaki upłynął do osiągnięcia minimum lub maksimum. Cechy te można wyodrębnić w wywołanej odpowiedzi hemodynamicznej na określony bodziec poznawczy uzyskany za pomocą paradygmatów pojedynczego badania lub za pomocą epoki danych lub bloku danych odpowiadającego określonym warunkom zrealizowanym za pomocą projektów i paradygmatów badań blokowych.

Zestaw majowy Składa się z trzech komponentów, z których każdy jest ukierunkowany na określony etap eksperymentu. Projektowanie, eksperymentowanie i analiza. Maze Maker pozwala użytkownikowi w łatwy sposób zaprojektować środowisko 3D dla każdego etapu protokołu eksperymentalnego.

Proste środowiska można stworzyć w kilka chwil. Najpierw zdefiniuj powierzchnię podłogi, a następnie użyj narzędzia ściana, aby zdefiniować granice labiryntu. Na koniec umieść pozycję początkową obiektu, a następnie wyjdź z obszaru.

Po zapisaniu narzędzie szybkiego uruchamiania może być użyte do natychmiastowego przetestowania środowiska. Bardziej skomplikowane środowiska mogą być tworzone w celu spełnienia wymagań konkretnego projektu eksperymentalnego. Środowiska można dostosowywać, wprowadzając interaktywne obiekty, elementy sterujące oświetleniem i teksturowanie.

Korzystając z narzędzia do tworzenia list labiryntów, można tworzyć i zapisywać pliki Mel, które łączą określone kombinacje labiryntów i wiadomości użytkownika do wykorzystania jako procedury eksperymentalne. Funkcjonalność Masis może być wykorzystana do przeprowadzenia określonych poziomów projektu eksperymentalnego, może być ułożona z rosnącym lub losowym poziomem trudności jako scenorys lub z poziomami kontrolnymi w porównaniu z eksperymentalnymi. Poszczególne próby eksperymentu są przeprowadzane za pomocą programu Maze Walker.

Zmiana ustawień w Maze Walker pozwala użytkownikom na dalsze określenie warunków eksperymentu. Sterowanie można zmienić, aby akceptować dane wejściowe z różnych urządzeń, w tym klawiatury, myszy i joysticka. Urządzenia zewnętrzne mogą angażować się w dwukierunkową komunikację z Maze Walker, zbierając informacje lub wywołując zmiany w środowisku.

Komunikacja z urządzeniem może odbywać się za pomocą T-C-P-I-P lub szeregowego i może łączyć się z szeroką gamą urządzeń, w tym E-E-G-F-M-R-I i FNIR. Podczas sesji mais Walker rejestrowała ruch obiektu wraz z wszelkimi zdarzeniami, które miały miejsce podczas sesji. Dzięki programowi Maze Analyzer pliki MACE mogą być wyświetlane z nagraną ścieżką użytkownika do przeglądu.

Aby pomóc w analizie, można nałożyć na siebie różne ścieżki i obliczyć informacje statystyczne o różnych badaniach. Dodatkowo zebrane informacje można wyeksportować do Excela lub MATLAB w celu dodatkowego przetwarzania. Nasz repertuar poznawczy obejmuje szeroki wachlarz funkcji i umiejętności, do których można uzyskać dostęp za pomocą różnych zadań, w tym wirtualnej nawigacji przestrzennej, labiryntów, aktywacji mózgu Wzorce w korze czołowej różnią się od początkowej nowej wydajności zadania po ćwiczeniach i podczas zapamiętywania.

Korzystając z FNIR i skupiając się na korze przedczołowej, wykorzystujemy funkcję PFC, zwłaszcza funkcję wykonawczą, regulację funkcji poznawczych w działaniu, wykorzystanie PFC podczas zadań rozwiązywania problemów oraz wykorzystanie struktur wyższego poziomu przy jednoczesnym zachowaniu wielu elementów w pamięci roboczej. Organizacja praktyki podczas uczenia się wielu podobnych zadań jest zjawiskiem uczenia się zwanym efektem interferencji kontekstowej. Efekty interferencji kontekstowej są widoczne, gdy osoby wykonują wiele zadań w różnych harmonogramach ćwiczeń.

Duża interferencja kontekstowa powstaje, gdy zadania do nauczenia się są prezentowane w niesekwencyjnej, nieprzewidywalnej kolejności. Praktyka blokowa o niskiej interferencji kontekstowej powstaje, gdy zadania do przyswojenia są prezentowane w przewidywalnej kolejności. Każdy z nich przeprowadził 315 prób akwizycyjnych, 105 prób każdego z trzech labiryntów w ciągu trzech dni, poniedziałku, środy i piątku.

W następny poniedziałek, 72 godziny po przejęciu, przeprowadzono 30 prób zatrzymania i 20 prób transferu w kolejności losowej. Aktywność PFC była monitorowana we wszystkich fazach dla 16 miejsc optograficznych. Stosowanie miar zależnych od FNIR obejmowało względne zmiany w średnich pomiarach natlenienia, hemoglobiny i zachowań całkowitego czasu, ścieżki, długości i średniej prędkości dla labiryntów.

Wyniki zachowania pokazują, że w przypadku obu kolejności ćwiczeń występuje monotonny trend malejący dla czasu labiryntu, całkowitego czasu niezbędnego do ukończenia labiryntu, co sugeruje, że podczas ćwiczeń uczestnicy ukończyli labirynt w krótszym czasie, co jest oczekiwane w przypadku behawioralnej oceny uczenia się. Ponadto prędkość labiryntu, średnia prędkość, z jaką uczestnicy poruszają się po labiryncie, wzrasta wraz z praktyką. Ponownie, oczekuje się poprawy w pomiarach behawioralnych w czasie, ponieważ wnioski z uczenia się dla tych wyników.

Istnieje porównanie obok siebie praktyki losowej i blokowej dla każdego zadania transferu w celu łatwiejszego zadania transferu. Cztery maja ćwiczenia blokowe przewyższyły ćwiczenia losowe. Jednak w przypadku trudniejszego zadania transferowego, labiryntu piątego, losowa praktyka była lepsza niż średnia blokowa natleniona.

Zmiany stężenia hemoglobiny podczas prób praktycznych wskazują, że zablokowana kolejność wymagała większej aktywacji mózgu w porównaniu z kolejnością losową. Ponadto, porównując w ramach kolejności ćwiczeń z uczeniem się w zablokowanej kolejności, nowe zadanie, podobnie jak w fazie transferu, wymagało większej aktywacji mózgu. Biorąc pod uwagę, że kolejność ćwiczeń była inna dla już nauczonych zadań.

Dla uczestnika, który nauczył się zadania w zablokowanej kolejności, ta warstwowa losowa kolejność ćwiczeń mogła być na tyle nowatorska, że wymagała dodatkowego wysiłku i zasobów poznawczych do wykonania zadania. Co więcej, w przypadku losowej kolejności ćwiczeń, faza transferu aktywacji neuronalnej nie była wyższa niż faza retencji. Podsumowując, to badanie eksploracyjne wykazało wykorzystanie zestawu May i FNIR do badania neurobehawioralnych aspektów uczenia się w nawigacji przestrzennej.

May Suite umożliwia projektowanie i stosowanie prostych środowisk 3D z przyjaznym dla użytkownika interfejsem graficznym i automatycznie rejestruje pomiary behawioralne dla porównań w obrębie tematu lub między przedmiotami. FNIR to przenośne, bezpieczne i nieinwazyjne narzędzie do monitorowania mózgu, które było używane w laboratoriach klinicznych i naturalnych do badania aktywacji mózgu. Mamy nadzieję, że ta prezentacja była pomocna w wyjaśnieniu tych narzędzi.

Powodzenia w eksperymentach.