Summary
Aqui nós descrevemos um método de coleta de dados e análise de dados para funcional espectroscopia no infravermelho próximo (fNIRS), um romance não-invasivo sistema de imagens do cérebro usada em neurociência cognitiva, particularmente no estudo do desenvolvimento do cérebro da criança. Este método fornece um padrão universal de aquisição de dados e análise vital para a interpretação de dados e descoberta científica.
Abstract
Uma explosão de Near Infrared Spectroscopy funcional (fNIRS) estudos que investigam a activação cortical em relação a processos cognitivos superiores, como a linguagem 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, memória 11, 12 e atenção está em andamento em todo o mundo, envolvendo adultos, crianças e bebés 3,4,13,14,15,16,17,18,19 com a cognição típicos e atípicos 20,21,22. O desafio contemporâneo de usar fNIRS para a neurociência cognitiva é a realização de análises sistemáticas de dados de tal forma que eles são universalmente interpretável 23,24,25,26, e, assim, pode avançar importantes questões científicas sobre a organização funcional e sistemas neurais subjacentes maior cognição humana.
Tecnologias de neuroimagem existentes ou menos robustos resolução temporal ou espacial. Eventos relacionados Potenciais e Magneto encefalografia (ERP e MEG) têm excelente resolução temporal, enquanto Positron Emission Tomography e ressonância magnética funcional (PET e fMRI) têm melhor resolução espacial. Usando não-ionizante comprimentos de onda da luz na faixa do infravermelho próximo (700-1000 nm), onde oxi-hemoglobina é preferencialmente absorvido por 680 nm e desoxi-hemoglobina é preferencialmente absorvido por 830 nm (por exemplo, de fato, os comprimentos de onda muito hardwired em o fNIRS Hitachi ETG-400 sistema ilustrado aqui), fNIRS é bem adequado para estudos de cognição mais elevados, porque tem tanto boa resolução temporal (~ 5s) sem o uso de radiação e boa resolução espacial (~ 4 cm de profundidade), e não exigem que os participantes estar em uma estrutura fechada 27,28. Participantes atividade cortical pode ser avaliado, enquanto confortavelmente sentado em uma cadeira comum (adultos, crianças) ou até mesmo sentado no colo da mãe s (crianças). Nomeadamente, NIRS é o único portátil (do tamanho de um computador de mesa), praticamente em silêncio, e pode tolerar um movimento sutil participantes. Isto é particularmente notável para o estudo neurais da linguagem humana, que necessariamente tem como um de seus componentes-chave do movimento da boca na produção da fala ou as mãos em linguagem gestual.
A maneira em que a resposta hemodinâmica é localizado é por um conjunto de emissores laser e detectores. Emissores emitem uma intensidade conhecida de não-ionizante luz, enquanto detectores de detectar a quantidade refletida de volta a partir da superfície cortical. O aproximar do optodes, maior resolução espacial, enquanto a mais distante do optodes, maior a profundidade da penetração. Para o fNIRS Hitachi ETG-4000 ideal do sistema de penetração / resolução matriz optode está definido para 2 centímetros.
Nosso objetivo é demonstrar o nosso método de adquirir e analisar dados fNIRS para ajudar a padronizar o campo e permitir que laboratórios diferentes fNIRS em todo o mundo para ter um fundo comum.
Protocol
Parte 1: Antes de participante chegar ao laboratório
- Assegurar que a sala está livre de artigos estranhos que podem ser uma distração para o participante.
- Set-up e carregar protocolo experimental sobre a Hitachi fNIRS sistema ETG-4000.
- Set-up seu paradigma experimental. Paradigmas experimentais pode ser programado com software de apresentação diferente, incluindo Eprime, Apresentação Psyscope, ou uma caixa de ferramentas Matlab psicologia baseada. Aqui usamos Matlab toolbox psicologia baseada.
- Momento é chave para a análise de dados, assim, o paradigma experimental devem estar perfeitamente sincronizada com a coleta de dados. A Hitachi fNIRS ETG-4000 tem capacidade de disparo, permitindo o paradigma experimental para acionar a coleta de dados ou vice-versa. Teste de disparo do programa de apresentação de fNIRS Hitachi ETG-4000. Disparo pode ser feito usando paralelas, folhetins, ou portas USB. Aqui nós mostramos provocando via porta paralela.
- Antes de iniciar o estudo fNIRS é importante a realização de seleção do fundo participante. No laboratório Petitto, realizamos seleção do fundo, tendo os participantes ou seus pais preencher estudo apropriado questionários padronizados 29.
Chega participante
- É importante realizar a sessão e para tratar os participantes de uma forma profissional. O participante ou os pais dos participantes / representantes legais devem assinar um termo de consentimento antes do experimento começa. É vital para agradecer o participante para o seu tempo nestas experiências importantes e emocionantes.
- O participante está sentado confortavelmente perto da sala de ensaios fNIRS. Um participante bebê pode estar sentado no colo de um pai.
Parte 2: Colocar Optodes & Usando o sistema 10-20
Outro componente do método de análise que permite a interpretação de dados consistente é a padronização de protocolo fNIRS gravação. Isso implica a colocação optode, posicionamento participante e desencadeamento de software apresentação do estímulo. Tanto a colocação de neuro-anatômicas precisas de sondas e da confirmação de regiões de interesse (ROIs) são obtidos utilizando o sistema 20/10 3,4,30. Além disso, a localização estereotáxica da matriz sonda foi confirmado no crânio do participante através da sobreposição de informações de rastreamento 3D a partir de um sistema Polhemus trak rápido para um anatômicas scan co-registro de ressonância magnética do participante realizada com cápsulas de vitamina E colocados em cada local da sonda de 3,4. posicionamento participante ideal consistia em colocar os participantes confortavelmente em uma cadeira reclinável, com fibra ótica soltos, sem contato com o corpo ou cadeira.
- As medições cabeça seguintes são tomadas com uma fita métrica e escrito na folha de dados participantes:
- Násio ao redor ínion
- Násio para Inions por cima
- Orelha a orelha por cima
- Fita cirúrgica pode ser usado para marcar locais de destino específico. Neste experimento vamos marcar Fp, T3/T4, F8/F7
- Arrays optode são colocados na cabeça dos participantes com optodes específicas ancorada em 20/10 pontos como dirigido pelos propósitos do experimento.
Parte 4: Testando a matriz optode
- Introdução à interface GUI Hitachi ETG-4000 e testes de sonda.
- Teste do sinal: optodes Uma vez são colocados no couro cabeludo dos participantes, a qualidade do sinal é testado. Se um optode não tem um sinal claro, os pesquisadores remover suavemente o cabelo a partir da conexão do optode e do couro cabeludo. Na ocasião, o optodes pode precisar de ser limpo com um algodão embebido em álcool.
Parte 5: A execução do experimento.
- Pelo menos dois experimentadores deve estar sempre presente na sala, um observando o Hitachi fNIRS ETG-4000 em tempo real lido e os outros observando o participante. Ter uma câmera de vídeo focado em participante é altamente recomendado para post-hoc observações. Uma vantagem da Hitachi fNIRS ETG-4000 é que o sinal de vídeo e fNIRS são sincronizados e co-registrados. Um log contendo todas as informações e arquivos gerados é mantida.
- Há bem estabelecidos métodos de construção de paradigmas experimentais hemodinâmica, ou seja, Bloco de design e eventos relacionados com projetos. Para uma descrição mais completa veja o artigo de revisão recente 31.
Parte 6: Análise
Depois de todos os dados foram coletados, o participante é agradeceu por seu tempo e vontade de participar e deixa o laboratório. Como a análise não é feita no Hitachi fNIRS ETG-4000, como, em vez disso, os dados são exportados para um computador de análise.
- Conversão de mV para concentrações de hemoglobina. Como valores de atenuação-primas são coletados na atenuação da força laser (medida em mV), esses valores devem ser convertidos para oxigenado e desoxigenado hemoglobina values. Isso é feito usando a equação modificada Beer-Lambert.
- A aplicação da modificação Beer-Lambert é realizado em duas etapas. Sob a suposição de que a dispersão é constante ao longo do comprimento do caminho, primeiro a atenuação para cada comprimento de onda (ΔA λ (t)) é calculado através da comparação da densidade óptica de intensidade de luz durante a tarefa (tarefa I) para a linha de base calculada do sinal ( Eu linha de base). Os valores de ΔA para cada comprimento de onda e tempo de amostragem (t) para resolver a equação modificada Beer-Lambert.
Equação 1 
Equação 2 
λ ∈ um desoxi, λ ∈ um oxi, λ 2 e λ ∈ desoxi 2 ∈ oxi são as constantes para os coeficientes de extinção que medem a fração da luz perdeu a absorção por unidade de distância de concentração no tecido. O desoxi C e os valores resultantes oxi C são as concentrações de hemoglobina desoxigenada e oxigenado para cada t.
Parte 7: Resultados Representante
Típico resultados hemodinâmicos de resposta em várias características distintas. Na resposta oxi-hemoglobina, há primeiro um mergulho característica. Este mergulho ocorre como uma região de neurônios ativa e esgota o oxigênio disponível. À medida que aumenta o fluxo sanguíneo, levando hemoglobina oxigenada, a resposta oxi-hemoglobina aumenta rapidamente acima dos níveis basais iniciais para um nível de estado estacionário. Quando a região não está sendo ativado, o decai oxi-hemoglobina resposta nos próximos 12-15 segundos e lentamente cai de volta aos níveis basais. Há ocasionalmente um undershoot que ocorre antes da resposta hemodinâmica retornando aos níveis basais iniciais.
Maus resultados são geralmente na forma de optodes não devidamente sentado no couro cabeludo ou movimento excessivo. Estes tipos de ruído - chamado "Flatling '- são evidentes no sinal de como os valores microvolt saturar e um número de canais diferentes, move tanto oxi e desoxi-resposta de forma coordenada.
DEMONSTRAÇÃO: Agitando a fibra óptica.
Análises estatísticas: Os oxi extraído e desoxi-hemoglobina valores para cada canal, para cada participante e para cada tarefa pode então ser submetidos à análise estatística convencional, incluindo os testes t, ANOVAs, correlações etc
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Discussion
Neste estudo, demonstramos o uso de um romance não-invasivo fNIRS, a tecnologia de imagens cerebrais para investigar o funcionamento do cérebro humano em relação à cognição humana e percepção. fNIRS imagens do cérebro pode representar o futuro da não-invasivo de imagens cerebrais, particularmente com bebês e crianças populações, que podem um dia estar amplamente disponível em laboratórios de pesquisa, consultórios médicos, e nos sistemas de ensino permitindo que os médicos para aplicar os conhecimentos científicos sobre o cérebro a sua prática clínica.
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Acknowledgments
Este trabalho foi financiado por doações de LAP (PI):
National Institutes of Health R21 HD50558, concedido 2005-07; Nacional
Institutes of Health R01 HD045822, concedido 2004-09; Dana Foundation Grant,
concedido 2004-06; Fundação Canadense para Inovação ("TPI" subvenção), concedido
2008-2012; O Ontario Research Fund Grant, concedido 2008-2012.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
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