Esplorare le funzioni cognitive in neonati, bambini e adulti con Near Infrared Spectroscopy

Summary

Qui si descrive una raccolta di dati e metodo di analisi dei dati funzionali per Near Infrared Spectroscopy (fNIRS), un romanzo non invasivo sistema di imaging del cervello utilizzata in neuroscienze cognitive, in particolare nello studio del cervello sviluppo del bambino. Questo metodo fornisce uno standard universale di acquisizione ed analisi dei dati vitali per l'interpretazione dei dati e le scoperte scientifiche.

Abstract

Un'esplosione di funzionali Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) studi che hanno valutato l'attivazione corticale in relazione ai processi cognitivi superiori, come il linguaggio ^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,} memoria ^{11, 12} e attenzione è in corso in tutto il mondo che coinvolgono adulti, bambini e neonati ^{3,4,13,14,15,16,17,18,19} con cognizione tipico e atipico ^20,21,22. La sfida contemporanea di utilizzare fNIRS di neuroscienze cognitive è quello di raggiungere analisi sistematica di tali dati che sono universalmente interpretabili ^23,24,25,26 e, quindi, possono avanzare importanti questioni scientifiche circa l'organizzazione funzionale e di sistemi neurali alla base della cognizione umana più alta.

Tecnologie esistenti neuroimaging hanno o meno robusta risoluzione temporale o spaziale. I potenziali evento correlati e Magneto encefalografia (ERP e MEG) hanno un'eccellente risoluzione temporale, mentre la Tomografia ad Emissione di Positroni e risonanza magnetica funzionale (PET e fMRI) hanno una migliore risoluzione spaziale. Utilizzando non ionizzanti lunghezze d'onda della luce nel vicino infrarosso (700-1000 nm), dove ossi-emoglobina è preferenzialmente assorbita da 680 nm e deossi-emoglobina è preferenzialmente assorbita da 830 nm (per esempio, infatti, le lunghezze d'onda molto cablata in il fNIRS Hitachi ETG-400 sistema illustrato qui), fNIRS è adatto per gli studi di maggiore cognizione, perché ha sia una buona risoluzione temporale (~ 5s) senza l'uso di radiazioni e una buona risoluzione spaziale (~ 4 cm di profondità), e non richiedono ai partecipanti di essere in una struttura chiusa ^27,28. I partecipanti attività corticale può essere valutata stando comodamente seduti in una sedia normale (adulti, bambini) o addirittura seduti in grembo mamma s (neonati). In particolare, NIRS è l'unico portatile (delle dimensioni di un computer desktop), praticamente in silenzio, e può tollerare un movimento sottile partecipanti. Ciò è particolarmente eccezionale per lo studio neurali del linguaggio umano, che ha necessariamente come uno dei suoi componenti chiave del movimento della bocca nella produzione di discorso o le mani nel linguaggio dei segni.

Il modo in cui è localizzata la risposta emodinamica viene da una serie di emettitori laser e rivelatori. Emettitori emettono una nota di intensità non ionizzanti luce mentre rilevatori di rilevare la quantità riflessa dalla superficie corticale. I più vicini alla optodes, maggiore è la risoluzione spaziale, mentre la più lontani del optodes, la maggiore profondità di penetrazione. Per la fNIRS Hitachi ETG-4000 sistema ottimale penetrazione / risoluzione dell'array optode è impostato a 2 cm.

Il nostro obiettivo è quello di dimostrare il nostro metodo di acquisizione e analisi dei dati fNIRS per standardizzare il campo e permettono diversi laboratori fNIRS tutto il mondo per avere uno sfondo comune.

Protocol

Parte 1: Prima di arrivare partecipante al laboratorio

1. Assicurarsi che la stanza è libera di articoli estranee che possono essere fonte di distrazione al partecipante.
2. Set-up e carico protocollo sperimentale sul Hitachi fNIRS ETG-4000 sistema.
3. Set-up tuo paradigma sperimentale. Paradigmi sperimentali possono essere programmati con software di presentazione diversi, tra cui Eprime, Presentazione, Psyscope o una psicologia basata toolbox Matlab. Qui usiamo toolbox psicologia basata Matlab.
4. La tempistica è fondamentale per l'analisi dei dati, quindi il paradigma sperimentale deve essere perfettamente a tempo con la raccolta dei dati. La Hitachi fNIRS ETG-4000 ha attivazione capacità, consentendo il paradigma sperimentale per attivare la raccolta di dati o viceversa. Test di attivazione del programma di presentazione da fNIRS Hitachi ETG-4000. Attivazione può essere fatto utilizzando parallele, seriali, USB o porte. Qui vi mostriamo attivazione tramite la porta parallela.
5. Prima di iniziare lo studio fNIRS è importante condurre uno screening sfondo partecipante. Nel laboratorio Petitto, conduciamo uno screening sfondo avendo i partecipanti o dei loro genitori di compilare questionari standardizzati di studio appropriato ^29.

Arriva partecipante

6. E 'importante condurre la sessione e di trattare i partecipanti in modo professionale. Il partecipante o dei genitori dei partecipanti '/ tutori devono firmare un modulo di consenso prima che l'esperimento comincia. E 'vitale per ringraziare i partecipanti per il loro tempo in questi esperimenti importanti ed emozionanti.
7. Il partecipante è seduto comodamente vicino alla sala prove fNIRS. Un partecipante bambino può essere seduti in braccio a un genitore.

Parte 2: Posizionamento Optodes e uso il 10-20 del sistema

Un altro componente del metodo di analisi che consente coerente interpretazione dei dati è la standardizzazione del protocollo di registrazione fNIRS. Ciò comporta la posizione optode, il posizionamento dei partecipanti e attivazione del software di stimolo presentazione. Sia il preciso neuro-anatomiche posizionamento delle sonde e la conferma delle regioni di interesse (ROI) si ottengono usando il 10-20 sistema ^3,4,30. Inoltre, la localizzazione stereotassica dell'array sonda è stata confermata sul cranio del partecipante sovrapponendo le informazioni 3D da un sistema di tracciamento Polhemus Fast Trak su un anatomico MRI co-registrazione scansione del partecipante condotta con capsule di vitamina E messi a ogni posizione della sonda ^3,4. posizionamento ottimale dei partecipanti coinvolti collocare i partecipanti comodamente su una sedia a sdraio, con le fibre ottiche appesi liberamente, senza contatto con il corpo o la sedia.

1. Le misure che seguono sono presi la testa con un metro a nastro e scritto sul foglio dei dati dei partecipanti:
   • Nasion al Inion intorno
   • Nasion di coniugi Inion sopra la parte superiore
   • Un orecchio all'altro sopra la parte superiore
2. Nastro chirurgico può essere usato per contrassegnare luoghi specifici. In questo esperimento ci segnerà Fp, T3/T4, F8/F7
3. Array Optode sono posizionati sulla testa dei partecipanti 'con optodes specifico ancorata a 10-20 punti come indicato dal fini dell'esperimento.

Parte 4: Test della matrice Optode

1. Introduzione al ETG-4000 Hitachi interfaccia GUI e test sonda.
2. Test segnale: optodes Una volta immessi sul cuoio capelluto dei partecipanti ', la qualità del segnale viene testato. Se un optode non ha un segnale chiaro, i ricercatori rimuovere delicatamente i capelli dal collegamento della optode e del cuoio capelluto. In occasione del optodes aver bisogno di essere pulite con un batuffolo di cotone imbevuto di alcool.

Parte 5: Esecuzione dell'esperimento.

1. Almeno due sperimentatori deve essere sempre presente in sala, uno osservando i Hitachi fNIRS ETG-4000 in tempo reale, leggere e l'altra osservazione partecipante. Avere una videocamera focalizzata sul partecipante è altamente raccomandato per la post-hoc osservazioni. Un vantaggio della Hitachi fNIRS ETG-4000 è che il video e il segnale fNIRS sono sincronizzati e co-registrate. Un registro contenente tutte le informazioni e file generato viene mantenuto.
2. Ci sono ben definiti i metodi di costruzione di paradigmi sperimentali emodinamica, cioè blocchi di design e di eventi legati disegni. Per una descrizione più completa si veda il recente documento revisione ^31.

Parte 6: Analisi

Una volta che tutti i dati sono stati raccolti, il partecipante viene ringraziato per il loro tempo e la volontà di partecipare e lascia il laboratorio. L'analisi non viene fatta sulla Hitachi fNIRS ETG-4000, come, invece, i dati vengono esportati in un computer di analisi.

1. La conversione da uV a concentrazioni di emoglobina. Come valori di attenuazione prime siano raccolte in attenuazione della forza laser (misurata in uV), questi valori devono essere convertiti in Valu emoglobina ossigenata e deossigenatoes. Questo viene fatto usando la modifica di Beer-Lambert equazione.
2. L'applicazione della modifica di Beer-Lambert è condotta in due fasi. Partendo dal presupposto che la diffusione è costante la lunghezza del percorso, in primo luogo l'attenuazione per ogni lunghezza d'onda _(λ ΔA _(t)) è calcolato confrontando la densità ottica di intensità luminosa durante il compito _(compito I) alla linea di base calcolata del segnale ( I _basale). I valori di ΔA per ogni lunghezza d'onda e il punto di tempo campionato (t) per risolvere la modifica di Beer-Lambert equazione.

   Equazione 1

   Equazione 2

λ ₁ ∈ _deossi, λ ₁ ∈ _ossi, λ ₂ e λ ∈ _{deossi 2} ∈ _ossi sono le costanti per i coefficienti di estinzione che misura la frazione di luce persa ad assorbimento per unità di distanza concentrazione nei tessuti. Il _deossi C e C i valori risultanti _ossi sono le concentrazioni di emoglobina ossigenata deossigenata e per ogni t.

Parte 7: Risultati Rappresentante

Tipico risultati risposta emodinamica in diverse caratteristiche distinte. Nel ossi-emoglobina risposta, vi è prima un tuffo caratteristica. Questo tuffo si presenta come una regione di neuroni si attiva e consuma ossigeno disponibile. Mentre aumenta il flusso sanguigno, portando l'emoglobina ossigenata, l'ossi-emoglobina risposta sale rapidamente sopra i livelli basali iniziale ad un livello di stato stazionario. Quando la regione non è più in corso di attivazione, l'ossi-emoglobina decade risposta nei prossimi 12-15 secondi e lentamente scende a livelli basali. C'è tanto in tanto un undershoot che si verifica prima della risposta emodinamica tornando ai livelli di base iniziale.

Cattivi risultati sono di solito sotto forma di optodes non correttamente posizionato sul cuoio capelluto o movimenti eccessivi. Questi tipi di rumore - chiamato 'Flatling' - sono evidenti nel segnale di come i valori microvolt saturare e una serie di canali diversi, spostare entrambi ossi-e deossi-risposta in modo coordinato.

DIMOSTRAZIONE: Agitare la fibra ottica.

Analisi statistica: L'ossi estratti e deossi-emoglobina valori per ciascun canale, per ogni partecipante e per ogni attività può essere sottoposto alle tradizionali analisi statistiche, tra cui t-test, ANOVA, correlazioni, ecc

Discussion

In questo studio, abbiamo dimostrato l'utilizzo di una, il romanzo non invasiva tecnologia di imaging del cervello fNIRS per indagare la funzione del cervello umano in relazione alla cognizione umana e la percezione. brain imaging fNIRS può rappresentare il futuro della non-invasiva di imaging cerebrale, in particolare con le popolazioni neonato e bambino, che un giorno potrebbe essere ampiamente disponibili nei laboratori di ricerca, studi medici ', e nei sistemi scolastici che permette ai medici di applicare i risultati scientifici circa l' cervello per la loro pratica clinica.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ETG-4000	Hitachi
Matlab	Mathworks		Psychology toolbox