Summary
여기 우리는 특히 어린이 두뇌 개발을 공부에 적외선 분광학 (fNIRS),인지 신경 과학에 사용되는 소설 비침습 두뇌 이미징 시스템, 주변 기능을위한 데이터 수집 및 데이터 분석 방법을 설명합니다. 이 방법은 데이터 수집 및 데이터 해석과 과학적 발견에 필수적인 분석의 보편적인 기준을 제공합니다.
Abstract
적외선 분광학 (fNIRS) 같은 언어 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 메모리 11으로 높은인지 과정에 관련하여 대뇌 피질의 활성을 조사 연구하고, 관심 니어 12 기능의 폭발 진행 세계와 관련된 성인, 전형 및 비정형 인식 20,21,22과 함께 어린이 및 유아 3,4,13,14,15,16,17,18,19입니다. 인지 신경 과학에 대한 fNIRS를 사용하는 현대적인 도전들은 23,24,25,26 보편 interpretable 있으며, 따라서 기능적 조직과 인간의 높은 인식을 기본 신경 시스템에 대한 중요한 과학적 질문을 사전에 수도와 같은 데이터의 체계적 분석을 달성하는 것입니다.
기존 neuroimaging 기술 중 덜 강력한 시간적 혹은 공간적 해상도 있습니다. 양전자 방출의 Tomography 및 기능 자기 공명 이미징 (PET와 fMRI)가 더 나은 공간 해상도를 가지고 반면, 이벤트 관련 후보와 매그 니 토는 Encephalography (ERP 및 MEG)는, 우수한 현세의 해상도를했습니다. 옥시 헤모글로빈이 우선적으로 680 nm의 및 데옥시 - 헤모글로빈에 의해 흡수되는 가까운 적외선 범위 (700-1000 NM)에 빛의 비 이온화 파장을 사용하여이 우선적으로 830 nm의 (예, 게다가 매우 파장이에 연결된 의해 흡수 그것이 방사선 좋은 공간 해상도 (~ 4cm 깊이)를 사용하지 않고 모두 좋은 시간적 해상도 (~ 기들)을 가지고 있으며,하지 않기 때문에 여기에 그림 fNIRS 히타치 ETG - 400 시스템), fNIRS 잘 상위인지의 연구에 가장 적합합니다 참가자가 동봉된 구조 27,28에 필요합니다. 편안 일반 의자 (어른, 어린이)에 앉아있는 혹은 엄마의 무릎 (유아)에 앉아있는 동안 참가자 대뇌 피질의 활동이 평가하실 수 있습니다. 특히, NIRS는 거의 침묵 (데스크탑 컴퓨터의 크기) 독특한 휴대용이며, 참가자 미묘한 움직임을 용납하실 수 있습니다. 이것은 반드시 핵심 구성 요소는 수화에서 음성 생산이나 손에 입의 움직임 중 하나로가 인간 언어의 신경 연구에 특히 뛰어난 있습니다.
hemodynamic 응답화된되는 방법은 레이저 방출 및 감지기의 배열입니다. 감지기는 금액을 다시 대뇌 피질의 표면에서 반사를 감지하면서 방사체 비 이온화 빛의 알려진 강도를 내보냅니다. 가까이 함께 optodes을 더 큰 공간적 해상도, 더 떨어져 optodes 반면, 침투의 더 깊이. fNIRS 히타치 ETG - 4000 시스템은 최적의 보급 / 해상도 optode 배열은 2cm로 설정됩니다하십시오.
우리의 목표는 현장을 표준화 도움 공통 배경을 가지고 세계 여러 fNIRS 연구소를 활성화 fNIRS 데이터를 수집하고 분석 우리의 방법을 입증하는 것입니다.
Protocol
1 부 : 참가자하기 전에 연구실에 도착
- 객실 참가자에게 혼란있을 수 있습니다 관계없는 기사를 무료로되었는지 확인하십시오.
- 셋업 및 fNIRS 히타치 ETG - 4000 시스템에서 실험 프로토콜을로드합니다.
- 귀하의 실험 패러다임 - 설정합니다. 실험 패러다임은 Eprime, 프리젠 테이션, Psyscope 또는 Matlab 기반의 심리 도구 상자를 포함한 다양한 프레 젠 테이션 소프트웨어로 프로그래밍할 수 있습니다. 여기 Matlab 기반의 심리 도구 상자를 사용합니다.
- 타이밍 데이터 분석을위한 핵심이며, 따라서 실험 패러다임이 완벽한 데이터 수집과 초과해야합니다. fNIRS 히타치 ETG - 4000은 데이터 수집이나 반대를 유도하는 실험 패러다임에 대한 수 있도록 기능을 실행하고 있습니다. fNIRS 히타치 ETG - 4000에서 프레 젠 테이션 프로그램의 실행 테스트합니다. 트리거링은 병렬 연속을 사용하거나, USB 포트 할 수 있습니다. 여기서 우리는 병렬 포트를 통해 실행 보여줍니다.
- 전에 fNIRS 연구를 시작하기에 그것은 참가자 배경 검사를 실시하는 것이 중요합니다. Petitto 연구실에서 우리는 참가자 또는 부모가 공부에 적합한 표준화 설문에게 29 기입함으로써 백그라운드 검사를 실시합니다.
참가자 도착
- 세션을 실시하고 전문적인 방식으로 참가자를 치료하는 것이 중요합니다. 실험을 시작하기 전에 참가자 또는 참가자들의 부모 / 법적 보호자 동의서에 서명해야합니다. 그것이 중요하고 흥미로운 실험에서 시간을 참가자에게 감사 중요합니다.
- 참가자는 fNIRS 테스트 룸으로 편안하게 가까이 앉아있다. 유아 참가자는 부모의 무릎에 앉아 있습니다.
2 부 : Optodes 배치 및 10-20 시스템을 사용
일관성있는 데이터 해석을 가능하게 분석 방법의 또 다른 구성 요소는 fNIRS 녹음 프로토콜의 표준화이다. 이것은 optode 배치, 참가자의 위치와 자극 프레 젠 테이션 소프트웨어의 실행을 알아볼 수 있습니다. 프로브의 정확한 신경 해부 배치 및이자 (로아)의 영역의 확인 모두 10-20 3,4,30 시스템을 사용하여 얻을 수 있습니다. 또한, 탐침 배열의 stereotactic 지방화는 각 프로브 위치 3,4에 배치 비타민 E의 캡슐 실시 참가자의 해부 MRI 공동 등록 검사에 Polhemus 빠른 트락 시스템에서 3D 추적 정보를 오버레이하여 참가자의 두개골에서 확인되었다. 최적의 참가자 위치 시체 또는 의자와 연락없이 느슨하게 매달려 광섬유와 reclining 의자에 편안하게 참가자를 배치 참여.
- 다음 헤드 측정은 줄자로 찍은 및 참가자 데이터 시트에 쓰여지는 다음과 같습니다
- Inion에 Nasion 주변
- 맨 위에 Inions에 Nasion
- 맨 위에 이어에 이어
- 외과 테이프는 특정 타겟 위치를 표시하는 데 사용할 수 있습니다. 이 실험에서 우리는 FP, T3/T4, F8/F7를 표시합니다
- Optode의 배열로 실험의 목적 감독 10-20 지점에서 정박 특정 optodes와 함께 참가자들의 머리에 게재됩니다.
파트 4 : Optode 배열을 테스트
- 히타치 ETG - 4000 GUI 인터페이스 및 프로브 테스트 소개.
- 신호를 테스트 : 일단 optodes가 참가자들의 두피에 배치, 신호 품질 테스트입니다. optode가 명확한 신호가없는 경우, 연구자들은 부드럽게 optode과 두피의 연결에서 머리를 제거합니다. 때때로 optodes은 알코올 면봉과 함께 닦아해야 할 수 있습니다.
5 부 : 실험을 실행.
- 적어도 두 경험은 항상 방에 존재해야하며 하나는 fNIRS 히타치 ETG - 4000 실시간 밖으로 읽고 관찰하고 다른 참가자를 관찰. 참가자에 초점을 맞춘 비디오 카메라를 갖는 것은 매우 사후 특별 관찰하는 것이 좋습니다. fNIRS 히타치 ETG - 4000의 장점은 비디오와 fNIRS 신호가 서로 연관과 공동으로 등록되어있다. 생성된 모든 관련 정보 및 파일을 포함하는 로그는 유지됩니다.
- 실험 hemodynamic 패러다임 구축의 잘 설립 방법이있다, 즉 설계 및 이벤트 관련 디자인을 차단합니다. 보다 자세한 설명을 보려면 최근 검토 종이 31 참조하시기 바랍니다.
6 부 : 분석
일단 모든 데이터가 수집되었고, 참가자들은 시간과 참여 의지에 대한 감사와 실험실을 단풍입니다. 분석 fNIRS 히타치 ETG - 4000에서 수행 아니므로, 같은 대신, 데이터는 분석 컴퓨터에 수출하고 있습니다.
- 헤모글로빈 농도로 μV에서 전환. 원시 감쇠 값은 레이저 강도의 감쇠합니다 (μV로 측정)에서 수집 있으므로이 값은 산소와 헤모글로빈 deoxygenated valu로 변환해야합니다말이지. 이것은 수정 비어 - 램버트 방정식을 사용하여 수행됩니다.
- 수정된 맥주 - 램버트의 응용 프로그램은 두 단계로 진행됩니다. 산란 처음 경로 길이, 신호의 계산 기준 각 파장 (ΔA λ (t)가) 작업 (I 작업) 중 광도의 광학 밀도를 비교하여 계산 (대한 감쇠를 통해 지속되는 가정하에 I 기준). 각 파장에 대해 ΔA의 가치와 샘플 시점 (T)는 수정 맥주 램버트 방정식을 해결하기 위해.
방정식 1 
방정식 2 
λ 1 ∈ 데옥시, λ ∈ 일 옥시, λ 2 ∈ 데옥시 및 λ ∈ 옥시이이 조직의 단위 농도 거리마다 흡수하는 손실 빛의 분율을 측정 흡광 계수에 대한 상수입니다. 결과 C의 데옥시와 C 옥시 값은 각 t에 대한 deoxygenated과 산소 헤모글로빈의 농도입니다.
7 부 : 대표 결과
몇 가지 뚜렷한 특징은 전형적인 hemodynamic 응답 결과. 옥시 헤모글로빈 응답에 특성 물놀이가 먼저 있습니다. 뉴런의 지역 활성화와 사용 가능한 산소를 depletes로 수영을 발생합니다. 혈액 흐름이 증가할수록 산소 헤모글로빈를 들고, 옥시 헤모글로빈 응답은 안정된 상태 수준으로 초기 기본 수준 이상 빠르게 상승합니다. 영역이 더 이상 활성화되지중인 경우, 옥시 헤모글로빈 응답 다음 12~15초 이상 자연 붕괴 천천히가 기본 수준하기 위해 뒤로 빠졌습니다. 초기 기본 수준으로 돌아가는 hemodynamic 응답하기 전에 발생 undershoot가 종종있다.
잘못된 결과가 제대로 두피이나 과도한 운동에 자리에 착석하지 optodes의 형태로 일반적입니다. 소음 이러한 유형 - 'Flatling'라는 - 백만분의 일볼트 가치가 포화하고 다른 채널의 번호, 조율된 방식으로 옥시과 데옥시 - 응답 모두 이동 신호에 분명 있습니다.
데모 : 광섬유를 흔들어봐.
통계 분석 : 각 참가자에 대해 각 작업에 대한 각 채널에 대해 추출 옥시과 데옥시 - 헤모글로빈이 값은, 다음 T - 테스트, ANOVAs, 상관 관계 등, 기존의 통계 분석에 제출하실 수 있습니다
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Discussion
본 연구에서는, 우리는 인간의 인식과 지각과 관련하여 인간의 두뇌 기능을 조사하기 위해 소설, 비침습 fNIRS 뇌 이미징 기술의 사용을 시연했다. fNIRS 두뇌 이미징 특히 임상가에 대한 기본적인 과학적 발견을 적용할 수 있도록 유아 및 어린이 일일 연구 실험실에서 널리 사용할 수있는 집단, 의사 '사무실과 학교 시스템과 함께, 비침습 뇌 이미징의 미래를 대표하는 수도 있습니다 그들의 임상 연습 뇌.
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Acknowledgments
이 작품은 무릎 (PI)에 보조금 지원되었습니다
국민 건강 R21 HD50558의 연구소, 2005-07를 수여; 국립
건강 R01 HD045822의 기관은 2004-09을 수상, 다나 재단 그랜트,
혁신에 대한 캐나다 재단 ( "CFI"부여), 수상, 2004-06를 수여
2008년에서 2012년까지; 온타리오 연구 기금 그랜트, 2008-2012을 수여.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
References
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