Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изучение когнитивных функций у новорожденных, детей и взрослых с ближней инфракрасной спектроскопии

19.5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/1268

⸱

28 июля 2009 г.

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, 2Department of Psychology, University of Toronto Scarborough

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы опишем сбора данных и методов анализа данных для функциональных ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS), роман неинвазивной визуализации мозга система, используемая в когнитивной неврологии, в частности, в изучении детского развития мозга. Этот метод обеспечивает универсальный стандарт сбора данных и анализа жизненно важное значение для интерпретации данных и научных открытий.

Аннотация

Во всем мире наблюдается стремительный рост числа исследований с применением функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) для изучения активации коры головного мозга в связи с высшими когнитивными процессами, такими как речь1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, память11 и внимание12. В этих исследованиях принимают участие взрослые, дети и младенцы 3,4,13,14,15,16,17,18,19 с типичным и атипичным когнитивным развитием20,21,22. Современная задача использования fNIRS в когнитивной нейробиологии заключается в достижении систематического анализа данных, который обеспечил бы их универсальную интерпретируемость23,24,25,26, что позволит продвинуться в решении важных научных вопросов о функциональной организации и нейронных системах, лежащих в основе высшего познания человека.

Существующие технологии нейровизуализации обладают либо менее выраженным временным, либо пространственным разрешением. Вызванные потенциалы и магнитоэнцефалография (ERP и MEG) имеют отличное временное разрешение, тогда как позитронно-эмиссионная томография и функциональная магнитно-резонансная томография (PET и fMRI) обладают лучшим пространственным разрешением. Используя неионизирующие длины волн света в ближнем инфракрасном диапазоне (700-1000 nm), где оксигемоглобин преимущественно поглощает излучение на 680 nm, а дезоксигемоглобин — на 830 nm (например, именно эти длины волн аппаратно заложены в систему fNIRS Hitachi ETG-400, показанную здесь), fNIRS хорошо подходит для исследований высших когнитивных функций, поскольку обладает как хорошим временным разрешением (~5s) без использования радиации, так и хорошим пространственным разрешением (~4 cm глубины), а также не требует нахождения участников в закрытой конструкции27,28. Корковая активность участников может оцениваться, когда они удобно сидят на обычном стуле (взрослые, дети) или даже на коленях у матери (младенцы). Примечательно, что NIRS уникально портативен (размером с настольный компьютер), практически бесшумен и допускает незначительные движения участника. Это особенно важно для нейронных исследований человеческого языка, одним из ключевых компонентов которого неизбежно являются движения рта при производстве речи или рук при использовании жестового языка.

Локализация гемодинамического ответа осуществляется с помощью массива лазерных излучателей и детекторов. Излучатели испускают неионизирующий свет известной интенсивности, а детекторы фиксируют количество света, отраженного от поверхности коры головного мозга. Чем ближе расположены оптоды друг к другу, тем выше пространственное разрешение, а чем больше расстояние между ними, тем глубже глубина проникновения. Для системы fNIRS Hitachi ETG-4000 оптимальное соотношение глубины проникновения и разрешения достигается при установке массива оптодов на расстояние 2cm.

Наша цель — продемонстрировать метод сбора и анализа данных fNIRS, чтобы способствовать стандартизации в этой области и обеспечить общую базу для различных лабораторий fNIRS по всему миру.

Протокол

Часть 1: До участников, прибывающих в лаборатории

  1. Убедитесь, что комната свободна от посторонних статей, которые могут отвлекать участников.
  2. Установка и загрузка экспериментальных протокол о fNIRS Hitachi ETG-4000 системе.
  3. Настройка вашей экспериментальной парадигмы. Экспериментальные парадигмы может быть запрограммирован с различным программным обеспечением презентации, в том числе Eprime, Презентация, Psyscope или Matlab основанные инструментов психологии. Здесь мы используем Matlab основанные инструментов психологии.
  4. Выбор времени является ключевым для анализа данных, таким образом, экспериментальная парадигма должна быть идеально приурочено сбора данных. FNIRS Hitachi ETG-4000 имеет возможности запуска, что позволяет экспериментальную парадигму для запуска сбора данных, и наоборот. Испытание запуск презентации программы из fNIRS Hitachi ETG-4000. Запуск может быть сделано с использованием параллельных, сериалов, или USB-портов. Здесь мы показываем, запуск через параллельный порт.
  5. До начала fNIRS исследования важно проводить скрининг участник фоне. В лаборатории Petitto, мы проводим скрининг фона при наличии участников или их родителям заполнить соответствующую учебно-стандартные вопросники 29.

Участник прибыл

  1. Важно проводить сессии и для лечения участников на высоком профессиональном уровне. Участника или участников родители / законные опекуны должны подписать форму согласия перед экспериментом начинается. Крайне важно, чтобы поблагодарить участников для своего времени в этих важных и захватывающих экспериментов.
  2. Участник сидит удобно близко к комнате тестирования fNIRS. Младенческая участник может сидеть на коленях у родителей.

Часть 2: Размещение Optodes и использовании 10-20 системы

Еще одним компонентом метод анализа, который позволяет последовательной интерпретации данных стандартизации протокола записи fNIRS. Это влечет за собой optode размещения, участник позиционирования и запуск программного обеспечения стимулов презентации. Оба точны нервно-анатомические размещения датчиков и подтверждение регионах, представляющих интерес (трансформирования) достигается с помощью системы 10-20 3,4,30. Кроме того, стереотаксической локализации зонда массив был подтвержден на черепе участника путем наложения 3D отслеживания информации из системы Polhemus Быстрый Trak на анатомические МРТ корегистрацию проверки участников проводится с витамином Е капсулы, размещенных по каждой ПЭП 3,4. Оптимальное позиционирование участник участвует размещения участников комфортно в лежачем стуле, с волоконной оптикой висит свободно, без контакта с телом или стул.

  1. Следующие измерения головы взяты с рулеткой и записать на листе участников данных:
    • Насьон в ИНИОН вокруг
    • Насьон к Inions поверх
    • Уха до уха над верхней
  2. Хирургическая лента может использоваться для обозначения определенных местах цель. В этом эксперименте мы будем отмечать Fp, T3/T4, F8/F7
  3. Optode массивы расположены на голове участников с конкретными optodes на якоре в 10-20 пунктов в соответствии с указаниями целей эксперимента.

Часть 4: Тестирование Optode массива

  1. Введение в Hitachi ETG-4000 Графический интерфейс и зонд тестирования.
  2. Тестирование сигнала: как только optodes расположены на коже головы участников, качество сигнала проверяется. Если optode не имеет четкого сигнала, исследователи осторожно удалите волосы от подключения optode и кожи головы. В отдельных случаях optodes возможно, необходимо будет протереть тампоном, смоченным спиртом.

Часть 5: Выполнение эксперимента.

  1. По крайней мере два экспериментаторы должны быть всегда присутствует в комнате, одно наблюдение fNIRS Hitachi ETG-4000 в реальном времени считывать и другие наблюдения участника. Наличие видеокамеры сосредоточены на участника настоятельно рекомендуется после специальных наблюдений. Преимущество fNIRS Hitachi ETG-4000 является то, что видео-и fNIRS сигнала синхронизируется и сотрудничества зарегистрированы. Журнал, содержащий всю необходимую информацию и файлы, созданные сохраняется.
  2. Есть устоявшихся методов построения экспериментальных парадигм гемодинамики, а именно: Блок дизайн и связанные с событиями конструкций. Для более полного описания см. в недавней работе обзор 31.

Часть 6: Анализ

После того как все данные собраны, участник поблагодарил за уделенное время и желание участвовать и листьев лаборатории. Как показывает анализ осуществляется не на fNIRS Hitachi ETG-4000, а, наоборот, данные экспортируются в компьютерный анализ.

  1. Переход от мкВ для гемоглобина. В качестве сырья значения ослабления собраны в ослабления лазерного силы (измеряемая в мкВ), эти значения должны быть преобразованы в кислородом и венозная гемоглобина ценныех годов. Это делается с помощью модифицированного Беэр-Ламберт уравнения.
  2. Применение модифицированных Беэр-Ламберт проводится в два этапа. В предположении, что рассеяние является постоянным по длине пути, во-первых затухания для каждой длины волны (ΔA λ (T)) рассчитывается путем сравнения оптической плотности интенсивности света в течение задача (я задача) к расчетной базовой сигнала ( Я исходные данные). ΔA значения для каждой длины волны и пробы момент времени (т) для решения изменение Беэр-Ламберт уравнения.
    Уравнение 1 figure-protocol-1 Уравнение 2 figure-protocol-2

λ 1 ∈ дезокси, λ 1 ∈ окси, λ 2 ∈ дезокси и λ 2 ∈ окси-константы для вымирания коэффициенты, измеряющие фракции легких потеряны для поглощения на единицу концентрации расстояние в ткани. Результирующая дезокси С и С окси значения концентрации венозная и оксигемоглобина при каждом ^.

Часть 7: Представитель Результаты

Типичные гемодинамические результаты ответа в несколько различных характеристик. В кислородно-гемоглобина ответ, есть первый характерный провал. Это падение происходит в регионе нейронов активизирует и истощает имеющегося кислорода. По мере увеличения потока крови, проведение кислородом гемоглобин, окси-гемоглобина ответ быстро поднимается выше начального уровня базовой линии до устойчивого уровня государства. Когда регионе больше не активирован, окси-гемоглобина ответ распада в течение ближайших 12-15 секунд и медленно падает обратно к исходному уровню. Существует иногда недолет, что происходит до гемодинамического ответа возвращается к исходному уровню базового уровня.

Плохие результаты, как правило, в виде optodes не правильно установлен на волосистой части головы или чрезмерное движение. Эти виды шума - называется "Flatling '- очевидны в сигнал, микровольт значения насыщения, а также ряд различных каналов, как окси-и дезокси-ответ двигаться согласованно.

ДЕМОНСТРАЦИЯ: Shaking волоконной оптики.

Статистический анализ: извлеченные окси и дезокси-гемоглобина для каждого канала, для каждого участника и для каждой задачи может быть представлено обычным статистический анализ, в том числе Т-тестов, ANOVAs, корреляции и т.д.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В этом исследовании мы показали, использование новых, неинвазивные fNIRS технологии изображения мозга для исследования функций мозга человека в отношении человеческого познания и восприятия. fNIRS сканирование мозга может представлять будущее неинвазивной визуализации мозга, особенно младенческой и детской популяции, которые могут в один прекрасный день широко доступны в исследовательские лаборатории, офисы врачей, а в школе системы, позволяющие врачам применять основные научные выводы о мозг их клинической практике.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о наличии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантами для LAP (PI):

Национальные институты здоровья R21 HD50558, награжден 2005-07, Национальный

Институтов Здоровья R01 HD045822, награжден 2004-09; Дана Фонда Грант,

награжден 2004-06; Канадского фонда для инноваций ("CFI" грант), награжден

2008-2012 годы; Онтарио исследовательского фонда Грант, награжден 2008-2012 гг.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ETG-4000Hitachi
MatlabMathworksPsychology toolbox

Ссылки

  1. Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
  2. Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
  3. Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
  4. Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
  5. Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
  6. Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
  7. Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
  8. White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
  9. Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
  10. Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
  11. Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
  12. Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
  13. Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
  14. Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
  15. Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
  16. Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
  17. Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
  18. Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
  19. Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
  20. Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
  21. Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
  22. Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
  23. Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
  24. Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
  25. Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
  26. Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
  27. Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
  28. Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
  29. Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
  30. Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
  31. Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопиясбор данных фБИКСизмерение гемодинамического ответапротокол размещения оптодовмеждународная система 10-20методы когнитивной нейробиологиимониторинг активности мозгаближний инфракрасный светанализ оксигенированного гемоглобинаразработка экспериментальной парадигмы
Изучение когнитивных функций у новорожденных, детей и взрослых с ближней инфракрасной спектроскопии
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.