Summary
在这里，我们介绍了近红外光谱（fNIRS），认知神经科学中使用的一种新型的非侵入性的脑成像系统，功能，特别是在学习孩子大脑发育的数据收集和数据分析方法。这种方法提供了一个重要的数据采集和分析数据的解释和科学发现的普遍标准。
Abstract
红外光谱（fNIRS）较高的认知过程，如语言 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10， 内存 11，皮质活化调查研究， 注意 12附近爆炸功能正在进行全球范围内涉及成人，儿童和婴儿3,4,13,14,15,16,17,18,19典型和非典型的认知20,21,22。当代的认知神经科学fNIRS的挑战是实现系统的数据，例如，他们普遍的解释是 23,24,25,26，从而可能推进人类更高的认知力的基本功能的组织和神经系统的重要科学问题的分析。
现有的神经影像学技术，要么不太可靠的时间或空间分辨率。事件相关电位和磁脑照相的企业资源计划（ERP和MEG）有良好的时间分辨率，而正电子发射断层扫描和功能磁共振成像（PET和fMRI）有更好的空间分辨率。使用非电离光波长在近红外波段（700-1000纳米），优先吸收680 nm和脱氧血红蛋白氧血红蛋白优先吸收830纳米（例如，的确，非常硬连接到波长fNIRS是fNIRS日立，ETG - 400系统这里说明），以及适用于更高的认知力的研究，因为它不使用辐射和良好的空间分辨率（〜4厘米深）既有良好的时间分辨率（〜5秒），并没有要求参与者在一个封闭的结构27,28。与会者皮质活动可以评估，而舒适地坐在一个普通的椅子（成人，儿童），甚至坐在妈妈的腿上（婴儿）。值得注意的是，近红外光谱是独特的便携式（台式计算机的大小），几乎无声，并可以容忍一个微妙的运动参与者。这是特别突出的神经研究人类的语言，这必然有它的嘴在讲话生产或手语的手运动的关键部件之一。
在其中的血流动力学反应是本地化的方式是由激光发射器和探测器阵列。发射器发出的非电离光的强度，而探测器检测到从皮质表面反射回来的金额。紧密联系起来的optodes，空间分辨率更大，而进一步除了optodes，更深入的渗透。对于fNIRS日立，ETG - 4000系统的最优渗透/分辨率optode阵列设置2厘米。
我们的目标是展示我们的采集和分析fNIRS数据，以帮助规范领域，使不同fNIRS实验室在全球范围内都有一个共同的背景的方法。
Protocol
第1部分：在此之前，参与者到达实验室
- 确保该房间是多余的物品，可能分散注意力的参与者。
- 设置和负载fNIRS日立，ETG - 4000系统的实验性协议。
- 设置您的实验范式。实验范式，可以设定不同的演示软件，包括Eprime，简报，Psyscope或一个基于MATLAB的心理工具箱。在这里，我们使用基于MATLAB的心理工具箱。
- 时序数据分析的关键，因此，实验范式，必须完全定时与数据收集。 fNIRS日立，ETG - 4000的触发功能，使实验范式，以触发数据收集或反之亦然。测试演示程序的触发fNIRS日立，ETG - 4000。触发可以使用平行，连续，或USB端口。在这里，我们显示通过并行端口触发。
- 开始fNIRS研究之前，重要的是要进行参与者的背景筛查。在Petitto实验室，我们进行背景审查，参加者或他们的父母填写学习适当的标准化问卷29。
参与者抵达
- 重要的是进行会议，并以专业的态度对待参与者。在实验开始前，参与者或参与者的父母/法定监护人必须签署一份同意书。至关重要的是要感谢他们的时间，在这些重要的和令人兴奋的的实验的参与者。
- 参与者是坐在舒适的密切fNIRS试验室。婴儿的参加者可坐在父母的腿上。
第2部分：配售Optodes使用10-20系统
分析的方法，使一致的数据解释的另一个组成部分是fNIRS录制协议的标准化。这就需要optode安置，参与者定位，并触发刺激演示软件。准确的神经解剖位置的探头和地区的利益（投资回报）的确认是通过使用10-20系统3,4,30。此外，探针阵列的立体定位证实参与者的头骨从Polhemus快速TRAK系统叠加到MRI解剖的合作摆在每个探头的位置3,4与维生素E胶囊进行的参与者登记扫描的3D跟踪信息。配售与会者舒适地在躺椅上，与光纤光学无接触身体或椅子松散的挂，参与最佳参与者定位。
- 下面的头用卷尺测量和参与者的数据表上写下来：
- 鼻根至枕外隆凸尖周围
- 鼻根到Inions超过顶部
- 耳耳超过顶部
- 外科胶带可以用来标记特定的目标位置。在这个实验中，我们将迎来FP，T3/T4，F8/F7
- Optode阵列放在参与者“与挂靠在10-20分，作为实验的目的具体optodes头。
第4部分：测试Optode阵列
- 日立，ETG - 4000的GUI界面和探针测试。
- 测试信号：一旦optodes参与者的头皮上，信号质量测试。如果一个optode没有一个明确的信号，研究人员轻轻取出optode和头皮的头发。有时optodes可能需要用酒精棉球擦拭。
第5部分：运行实验。
- 必须至少有两个实验者在房间里总是存在;观察fNIRS日立，ETG - 4000实时读出和其他观测参与者。重点对参与者有一个摄像头，强烈建议事后观察。 fNIRS日立，ETG - 4000的一个优点是，视频和fNIRS信号同步和联合注册。保持一个包含所有相关信息和文件生成的日志。
- 建设血流动力学实验范式有行之有效的方法，即座设计和事件相关的设计。如需更完整的描述，请参阅最近审查文件31。
第6部分：分析
参与者一旦所有的数据都已经收集，感谢他们的时间和参与意愿，并离开实验室。分析fNIRS日立，ETG - 4000，，相反，数据分析计算机出口。
- 从μV的转换血红蛋白浓度。为原料的衰减值在激光强度的衰减（以μV测量）收集，这些值必须被转换成含氧和脱氧血红蛋白有价值ES。这是通过修改后的啤酒 - 兰伯特方程。
- 修改后的啤酒 - 兰伯特的应用是在两个步骤进行。根据散射是在路径的长度，首先衰减的信号计算基准为每个波长（ΔAλ（T））是由比较期间的任务（我的任务 ）的光强度的光密度计算常数（假设我基线 ）。每个波长的ΔA值和采样的时间点（T），解决了修改后的比尔-朗伯方程。
公式1 
公式（2） 
1λ∈脱氧 ，λ∈ 氧 ，λ∈ 脱氧和2λ∈氧测量输给单位在组织中的浓度距离的吸收光的一小部分的消光系数，常数。由此产生的彗星脱氧和C 氧值是每个 T无氧和含氧血红蛋白的浓度。
第7部分：代表结果
血流动力学反应的结果，典型的几个鲜明的特点。在氧血红蛋白反应，首先是有一个特点DIP。此DIP发生，作为一个区域的神经元激活，并耗尽可用氧气。随着血流量的增加，氧合血红蛋白的携带氧血红蛋白的反应高于初始基线水平迅速到一个稳定的状态水平。不再被激活，当该地区，在未来的12-15秒的氧的血红蛋白的反应衰变，慢慢地回落到基线水平。偶尔有一个冲前发生的血流动力学响应返回到初始基线水平。
坏的结果通常是在没有正确固定在头皮上或运动过量optodes的形式。这些类型的噪音 - 被称为“Flatling” - 是很明显的信号微伏值饱和，并且不同的渠道，以协调的方式移动氧和脱氧反应。
示范：翻天覆地的光纤。
统计分析：每个通道中提取氧和脱氧血红蛋白值，为每一个参与者，并为每个任务，然后可以提交给传统的统计分析，包括t检验，方差分析，相关性等。
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Discussion
在这项研究中，我们展示了一种新型的，非侵入性fNIRS的脑成像技术来研究有关人类认知和感知人的大脑功能。 fNIRS脑成像技术可能代表的非侵入性的脑成像技术的未来，特别是婴儿和儿童的人口，可能有一天会在实验室广泛使用，医生的办公室，并让医生申请有关的基本的科学发现，在学校系统他们的临床实践中的大脑。
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Acknowledgments
这项工作是支持由LAP（PI）的赠款：
美国国立卫生R21 HD50558，荣获2005-07;国家
卫生R01 HD045822研究院颁发的2004-09年;达纳基金会赠款，
荣获2004-06;加拿大创新基金会（CFI“补助金），授予
2008年至2012年，安大略省的研究基金资助，荣获2008年至2012年。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
References
- Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
- Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
- Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
- Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
- Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
- Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
- Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
- White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
- Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
- Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
- Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
- Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
- Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
- Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
- Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
- Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
- Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
- Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
- Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
- Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
- Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
- Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
- Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
- Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
- Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
- Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
- Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
- Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
- Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
- Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
- Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).
