Использование MazeSuite и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии для изучения обучения в пространственной навигации

Наша цель в этой презентации двоякая. Во-первых, чтобы проиллюстрировать процесс разработки экспериментального протокола и использования набора May, а во-вторых, продемонстрировать настройку и развертывание системы мониторинга активности мозга FNIR. Майский комплект может быть использован для проектирования и редактирования адаптированных 3D-сред, а также для отслеживания поведенческих показателей участника.

Чтобы продемонстрировать это, сообщается о подвыборке из исследования, показывающей, как использовать как майскую свиту, так и FNIR в одном эксперименте. Исследование предполагает оценку когнитивной активности дорсальной латеральной префронтальной коры при усвоении и обучении компьютерной булавы заданиям на блокированные и случайные практические приказы. FNIR — это метод оптического мониторинга мозга, который использует ближний инфракрасный диапазон, например, для отслеживания изменений гемодинамических реакций в коре головного мозга.

Неинвазивный мониторинг церебральной гемодинамики и оксигенации был впервые продемонстрирован Джобом Осси и его коллегами в 1977 году. Эта технология позволяет проектировать портативные, безопасные, недорогие, неинвазивные и минимально инвазивные системы мониторинга, которые можно использовать для измерения активности мозга в естественной среде. Амбулаторные и полевые условия вблизи инфракрасного света могут проникать в ткани на несколько сантиметров в пределах от 700 до 900 нанометров.

Когда свет попадает в ткани, он либо поглощается, либо рассеивается. Абсорбция происходит за счет хромосилы, поглощающих свет молекул, таких как гемоглобин, и рассеяние воды происходит в структуре тканей, таких как клеточные мембраны и слои. Типичное измерение FNIR включает в себя единицу измерения, которая имеет источники света и детекторы.

Когда источник света активирует, свет подается на кожу головы, проникает в нее и распространяется во всех направлениях в ткани и теряет интенсивность по мере своего перемещения, часть света достигает обратно на поверхность из-за многократного последовательного рассеяния и регистрируется детектором, фотоны, которые достигают детектора, фактически проходят через объем в форме банана. Измерения на детекторе дают информацию об этом объеме между источником света и детектором. Пара называется оидом, глубиной проникновения, другими словами, кривизна банана является функцией расстояния между источником света и детектором.

Вот почему геометрия датчика FNIR является ключевым фактором при проектировании. В зависимости от типа измерений когнитивной задачи и измерений из префронтальной коры, опторазделение обычно составляет от 2,5 до 3 сантиметров. В данном исследовании мы использовали устройства FNIR модели 1000.

Это основано на разработках Ченса и его коллег в 1990-х годах и получило дальнейшее развитие в Лаборатории оптической визуализации мозга Университета Дрекселя. Этот инструмент не использует волокна или световоды для взаимодействия опто с кожей. Следовательно, он проще в настройке, более удобен для длительных сеансов и менее подвержен артефактам движения.

Тем не менее, этот датчик разработан специально для обнаружения корковой активации дорсальной латеральной префронтальной коры, которая находится под лбом и не может быть использована в других областях головы из-за помех от волос. Сенсорная площадка FNIR, использованная в исследовании, содержит четыре светоизлучающих диода, которые излучают некогерентный свет на 730 нанометрах и 850 нанометрах. Имеется 10 фотоприемников и путем посвечивания светодиодов в последовательном порядке, а также с помощью окружающих детекторов 16 мест измерения.

Коробки отбираются при каждом сканировании. Это включает в себя измерение интенсивности света на двух разных длинах волн, а также измерение темноты для окружающего освещения, всего три канала для каждого места измерения, так что в общей сложности из сканирования записывается 48 каналов. Сенсорная площадка размещается на лбу объекта съемки.

Один должен быть слева от объекта и два сбоку. С правой стороны объекта съемки датчик должен быть расположен прямо над бровями и должен быть отцентрирован вертикально. Воображаемая вертикальная линия симметрии проходит через среднюю линию лба, а затем через нос.

Осевая линия сенсорных накладок совпадает со средней линией лба и носа. После того, как сенсорная площадка установлена, кабели тянутся с двух сторон и подключаются в задней части головы. Когда кабель закреплен с зажимом, очень важно убедиться, что сенсорная площадка правильно соединена с кожей и что между optos и кожей нет неровностей или зазоров.

Хороший способ проверить правильность соединения — немного надавить на контактную площадку датчика и почувствовать, меняется ли положение с давлением. Иногда повязка на голову, эластичная и/или жесткая ткань, такая как теннисная лента или бандана, может быть надета на датчик FNIR для обеспечения сцепления опто с кожей. После позиционирования датчика следует проверить сигналы по всем каналам путем запуска сбора данных Сначала сенсорная площадка должна быть подключена к аппаратному блоку управления FNIR.

Устройство должно быть подключено к компьютеру с помощью USB-кабеля, и обе системы должны быть включены. Далее запустите Kobe Studio на компьютере, нажав на ярлык на левой панели, нажмите на ссылку запуска текущего устройства. Если настройки верны, на панели сообщений будет указано, что устройство было запущено, а на графиках будут отображаться вновь полученные сигналы.

Уровни сигнала зависят от настроек тока и усиления светодиода. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, чтобы эти параметры были выше 700 милливольт и ниже 4000 милливольт. Кроме того, сигналы должны быть стабильными.

Слишком большие отклонения и скачки могут указывать на неправильное соединение датчика или проблемы с подключением кабеля или оборудования. В некоторых случаях один или два боковых канала, один и два слева и 15 и 16 справа, могут быть расположены над волосами, и их сигнальные значения слишком низкие. Вы можете просто продолжить и устранить эти каналы позже в анализе.

Возможно, вам потребуется настроить параметры в зависимости от каждого объекта, так как могут быть большие индивидуальные различия из-за разных оптических свойств отдельного скина. Чтобы сначала изменить настройки устройства, нажмите «Остановить текущее устройство». Затем нажмите на свойства устройства на левой панели.

Перейдите на вкладку настроек сбора данных в диалоговом окне. Если вы хотите сначала увеличить значения сигнала, увеличьте значение тока светодиода. Увеличение значения тока светодиода означает, что светодиоды будут светить ярче.

Если вы хотите сначала повысить уровень сигнала, уменьшите усиление. Начальное значение усиления используется для всех вокселей. После установки значений нажмите кнопку Сохранить, а затем нажмите кнопку Пуск.

В настоящее время устройство для начала сбора данных с вновь заданных параметров, также распространено и полезно использовать маркеры для идентификации тех или иных событий во время экспериментов. Существует два типа маркеров, ручные и автоматические. Ручные маркеры генерируются нажатием кнопок в главном окне K, а также помечаются временем и сохраняются с данными FNIR.

Автоматические маркеры принимаются от внешнего устройства или компьютерного программного обеспечения для приема автоматических маркеров при остановке устройства. Перейдите в настройки устройства, расположенные на левой панели, и во вкладке настроек синхронизации проверьте, прислушивайтесь к маркерам. Последовательный порт является рекомендуемым методом связи маркеров.

Убедитесь, что в качестве номера последовательного порта на компьютере установлен действительный номер порта. Затем стимулирующее программное обеспечение, такое как ePrime или May Suite, может быть отправлено для отправки маркеров по значениям, которые получены, помечены временем и сохранены вместе с данными FNIR на этом компьютере. Необработанные сигналы FNIR — это сигналы временных рядов с интенсивностью света.

Шум в данных может быть удален до или после преобразования исходного света. Интенсивность. Физиологически нерелевантные данные, такие как дыхание, пульсация сердца и шум оборудования, должны быть исключены из исходных измерений FNIR. Компонент, связанный с частотой сердечных сокращений, обычно имеет пик, который составляет около или выше 0,5 герц, а частота дыхания составляет от 0,2 герц до 0,4 герц, чтобы устранить эти физиологические артефакты.

Используются фильтры нижних частот с конечной импульсной характеристикой и линейными фазовыми фильтрами нижних частот. Сигналы также могут быть искажены артефактами движения. Когда источники света и/или детекторы датчиков FNIR соскальзывают со своего исходного места или теряют контакт с кожей из-за движения головы, в измерениях FNIR могут произойти неожиданные внезапные всплески или всплески.

Кроме того, если источник света теряет связь с кожей, детектор может регистрировать либо очень низкие значения, поскольку свет не может проходить к нему, либо экстремально высокую интенсивность и мгновенное насыщение из-за отраженного света от поверхности кожи. Аналогичные эффекты насыщения могут возникнуть, если детектор лопнет и потеряет контакт с кожей. Утечка окружающего света, движение головки может привести к дальнейшим изменениям давления, оказываемого на сенсорную площадку или на источники света и детекторы.

Эти изменения могут позволить большему количеству фотонов проникнуть в ткань, тем самым временно изменяя интенсивность обнаруженного света. Помимо визуального осмотра данных на предмет возможных артефактов движения, существует все большее число алгоритмов обнаружения и удаления артефактов движения для автоматизации процесса и устранения субъективности. Необработанные сигналы FNIR преобразуются в изменения относительной оксигенации с помощью модифицированного пива Lambert Law.

Оптическая плотность на определенной входной длине волны представляет собой логарифмическое отношение интенсивности входного света и интенсивности выходного света. OD также связана с концентрацией и коэффициентом поглощения хромосилы, скорректированным расстоянием от источника света и детектора плюс постоянный коэффициент затухания при одинаковой интенсивности входного света в два разных момента времени. Разница в наружном диаметре может быть записана только в терминах обнаруженных значений интенсивности света. Как правило, выбираются две длины волн: одна в пределах от 700 до 900 нанометров, где поглощение оксигемоглобина и дезоксигемоглобина является доминирующим по сравнению с другими тканевыми хромофорами, и две длины волн, одна ниже и одна выше изоспастической, которая составляет примерно 805 нанометров, где спектры поглощения дезоксигемоглобина и оксигемоглобина пересекаются друг с другом.

Это уравнение может быть задано для решения для концентраций, если матрица два на два незначима. После этого рассчитываются относительные изменения показателей оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина. Следующим шагом является выделение признаков в зависимости от используемого протокола эксперимента и когнитивной задачи.

Извлечение признаков чаще всего используется для уменьшения объема данных и сравнения между различными когнитивными задачами, группами предметов и анатомическими местоположениями с помощью статистического анализа. Обычно используемые признаки включают максимальное минимальное среднее или среднее значение оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина и время реакции, которое представляет собой время, прошедшее до достижения минимума или максимума. Эти особенности могут быть выделены в рамках вызванного гемодинамического ответа на определенный когнитивный стимул, полученного с помощью парадигм одиночного испытания, или с эпохой данных или блоком данных, соответствующими определенным условиям, реализованным с помощью дизайнов и парадигм блочных испытаний.

Состоит из трех компонентов, каждый из которых направлен на определенную стадию эксперимента. Проектирование, экспериментирование и анализ. Maze Maker позволяет пользователю легко проектировать 3D-среду для каждого этапа экспериментального протокола.

Простое окружение может быть создано за считанные секунды. Сначала определите площадь пола, а затем с помощью инструмента «Стена» определите границы лабиринта. Наконец, поместите исходную позицию субъекта, а затем выйдите из области.

После сохранения инструмент быстрого запуска можно использовать для немедленного тестирования среды. Более сложные среды могут быть созданы в соответствии с требованиями конкретного экспериментального проекта. Окружение может быть настроено с помощью интерактивных объектов, управления освещением и текстурирования.

С помощью Maze List Builder можно создавать и сохранять файлы Mel, которые объединяют определенные комбинации лабиринтов и пользовательских сообщений для использования в качестве экспериментальных процедур. Функциональность Masis может быть использована для выполнения конкретных экспериментальных проектов, уровни могут быть расположены с возрастающей или случайной сложностью в виде раскадровки или с контролем по сравнению с экспериментальными уровнями. Отдельные испытания эксперимента проводятся с использованием программы Maze Walker.

Изменение настроек в Maze Walker позволяет пользователям дополнительно задавать условия эксперимента. Управление можно изменить для приема ввода с различных устройств, включая клавиатуру, мышь и джойстик. Внешние устройства могут осуществлять двустороннюю связь с Maze Walker, собирая информацию или вызывая изменения в окружающей среде.

Связь с устройством может осуществляться по T-C-P-I-P или последовательному кабелю и может взаимодействовать с широким спектром устройств, включая E-E-G-F-M-R-I и FNIR. Во время сеансов Маис Уокер регистрировал движения объекта вместе с любыми событиями, которые происходили во время сеанса. С помощью программы Maze Analyzer файлы MACE могут отображаться с записанным путем пользователя для просмотра.

Различные пути могут быть наложены друг на друга, чтобы помочь в анализе и рассчитать статистическую информацию о различных испытаниях. Кроме того, собранная информация может быть экспортирована в Excel или MATLAB для дополнительной обработки. Наш когнитивный репертуар включает в себя широкий спектр функций и способностей, которые могут быть доступны с помощью различных задач, включая виртуальную пространственную навигацию, лабиринты, активацию мозга

Используя FNIR и сосредоточившись на префронтальной коре, мы извлекаем выгоду из функции ПФК, особенно исполнительной функции, регуляции когнитивных функций в действии, использования ПФК во время решения задач и использования структур более высокого уровня при сохранении нескольких элементов в рабочей памяти. Организация практики при изучении нескольких одинаковых задач — это феномен обучения, называемый эффектом контекстуальной интерференции. Эффекты контекстуальной интерференции очевидны, когда люди выполняют несколько задач в разных графиках занятий.

Высокая контекстуальная интерференция возникает, когда задачи, которые необходимо изучить, представлены в непоследовательном непредсказуемом порядке. Блочная практика с низким уровнем контекстуальной интерференции создается, когда задачи, которые необходимо изучить, представлены в предсказуемом порядке. Каждый из них провел 315 испытаний по сбору данных, по 105 испытаний каждого из трех лабиринтов в течение трех дней, в понедельник, среду и пятницу.

В следующий понедельник, через 72 часа после приобретения, было проведено 30 испытаний по удержанию и 20 испытаний по переносу в случайном порядке. Мониторинг активности ПФУ осуществлялся на всех этапах для 16 оптоцентров. Использование зависимых от FNIR измерений включало относительные изменения в средних показателях насыщения кислородом, гемоглобина и поведенческих показателях общего времени, пути, длины и средней скорости для лабиринтов.

Результаты поведения показывают, что для обоих порядков практики существует монотонная тенденция к уменьшению времени лабиринта, общее время, необходимое для прохождения лабиринта, предполагает, что по мере того, как участники практикуются, они прошли лабиринт за более короткие промежутки времени, что ожидается для поведенческих оценок обучения. Кроме того, скорость прохождения лабиринта, средняя скорость, с которой участники перемещаются по лабиринту, увеличивается с практикой. Опять же, ожидается улучшение поведенческих показателей с течением времени в качестве выводов об обучении для этих результатов.

Существует параллельное сравнение случайной и блочной практики для каждой задачи переноса для более простой задачи переноса. Майская практика с четырьмя блоками превзошла случайную практику. Тем не менее, для более сложной задачи переноса, лабиринта пять, случайная практика была лучше, чем блочная средняя насыщенность кислородом.

Изменения концентрации гемоглобина во время практических испытаний указывают на то, что заблокированный порядок требовал более высокой активации мозга по сравнению со случайным порядком. Кроме того, при сравнении в рамках тренировочного порядка для блокированного порядка обучения, новая задача, как и в фазе переноса, требовала более высокой активации мозга. При том, что порядок практики был другим для уже выученных задач.

Для участника, который выучил задачу в заблокированном порядке, этот стратифицированный случайный порядок практики мог быть достаточно новым, чтобы потребовать дополнительных усилий и когнитивных ресурсов для выполнения задачи. Более того, для случайного порядка практики фаза переноса нейронной активации не была выше, чем фаза удержания. В заключение, это поисковое исследование продемонстрировало использование Maysuite и FNIR для изучения нейроповеденческих аспектов обучения в пространственной навигации.

May Suite позволяет проектировать и применять простые 3D-среды с удобным графическим интерфейсом, а также автоматически записывает поведенческие измерения для сравнения внутри объекта или между объектами. FNIR — это портативный, безопасный и неинвазивный инструмент мониторинга мозга, который используется в клинических лабораториях и естественных условиях для изучения активации мозга. Мы надеемся, что эта презентация была полезна для объяснения этих инструментов.

Удачи в ваших экспериментах.