Summary
Aquí se describe un método de recolección de datos y análisis de datos para funcionales espectroscopia de infrarrojo cercano (fNIRS), una novela de sistema no invasivo usa imágenes del cerebro en la neurociencia cognitiva, especialmente en el estudio del desarrollo del cerebro del niño. Este método proporciona un estándar universal de adquisición de datos y el análisis fundamental para la interpretación de datos y descubrimientos científicos.
Abstract
Una explosión de funcionales espectroscopia de infrarrojo cercano (fNIRS) estudios de investigación de la activación cortical en relación con los procesos cognitivos superiores, tales como el lenguaje 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, memoria 11, y la atención 12 está en marcha en todo el mundo los adultos involucran, niños y bebés 3,4,13,14,15,16,17,18,19 con la cognición típicos y atípicos 20,21,22. El reto actual de la utilización de fNIRS de la neurociencia cognitiva es lograr un análisis sistemático de estos datos que son universalmente interpretable 23,24,25,26, y por lo tanto puede avanzar importantes cuestiones científicas sobre la organización funcional y los sistemas neurales que subyacen a la cognición humana superior.
Las tecnologías de neuroimagen han resolución espacial o temporal sea menos robusto. Eventos relacionados encefalografía Potenciales y Magneto (ERP y MEG) tienen una resolución temporal excelente, mientras que la tomografía por emisión de positrones y resonancia magnética funcional (fMRI y PET) tienen una mejor resolución espacial. El uso no ionizantes longitudes de onda de la luz en el rango del infrarrojo cercano (700-1000 nm), donde es preferentemente oxihemoglobina absorbe 680 nm y deoxi-hemoglobina es preferentemente absorbida por 830 nm (por ejemplo, de hecho, las longitudes de onda muy cableado en la fNIRS Hitachi ETG-400 del sistema se muestra aquí), fNIRS es muy adecuado para el estudio de la cognición superior porque tiene una buena resolución temporal (~ 5 años) sin el uso de la radiación y la buena resolución espacial (~ 4 cm de profundidad), y no exigir a los participantes a estar en una estructura cerrada 27,28. Actividad cortical participantes pueden ser evaluados, cómodamente sentados en una silla ordinaria (adultos, niños) o incluso sentado en el regazo de mamá s (niños). Cabe destacar que NIRS es el único portátil (del tamaño de una computadora de escritorio), prácticamente en silencio, y puede tolerar un movimiento sutil participantes. Esto es particularmente excepcional para el estudio neuronal del lenguaje humano, que necesariamente tiene como uno de sus componentes clave del movimiento de la boca en la producción del habla o de las manos en el lenguaje de señas.
La forma en que se localiza en la respuesta hemodinámica es un conjunto de emisores láser y detectores. Emisores emiten una intensidad conocida de no ionizantes luz, mientras que los detectores de detectar la cantidad reflejada desde la superficie cortical. Cuanto más cerca estén los optodes, mayor es la resolución espacial, mientras que los más alejados de la optodes, la mayor profundidad de la penetración. Para el fNIRS Hitachi ETG-4000 la penetración óptima del sistema / resolución de la matriz optode se encuentra a 2 cm.
Nuestro objetivo es demostrar nuestro método de adquisición y análisis de datos fNIRS para ayudar a estandarizar el campo y permitir que los laboratorios de todo el mundo fNIRS diferentes para tener un fondo común.
Protocol
Parte 1: Antes de la llegada de los participantes en el laboratorio
- Asegúrese de que la habitación esté libre de artículos extraños que pueden ser una distracción para el participante.
- Set-up y cargar el protocolo experimental en el fNIRS Hitachi ETG-4000.
- Configure su paradigma experimental. Paradigmas experimentales se pueden programar con el software de presentación diferente, incluyendo Eprime, Presentación, Psyscope o una caja de herramientas Matlab psicología basada. Aquí se utiliza caja de herramientas Matlab psicología basada.
- El momento es clave para el análisis de datos, por lo tanto el paradigma experimental debe estar perfectamente sincronizada con la recopilación de datos. El Hitachi fNIRS ETG-4000 ha provocando capacidades, teniendo en cuenta el paradigma experimental para iniciar la recolección de datos, o viceversa. Prueba de activación del programa de presentación de fNIRS Hitachi ETG-4000. Activación se puede hacer utilizando en paralelo, en serie, o puertos USB. Aquí mostramos activación a través del puerto paralelo.
- Antes de iniciar el estudio fNIRS es importante para llevar a cabo selección de los participantes del fondo. En el laboratorio Petitto, llevamos a cabo la investigación de antecedentes por tener los participantes o sus padres llenar adecuado estudio de los cuestionarios estandarizados 29.
Participante llega
- Es importante llevar a cabo la sesión y para tratar a los participantes de una manera profesional. El participante o los padres de los participantes / tutores legales deben firmar un formulario de consentimiento antes de que el experimento comienza. Es de vital importancia dar las gracias al participante por su tiempo en estos experimentos importantes y emocionantes.
- El participante está sentado cómodamente cerca de la sala de pruebas fNIRS. Un participante niño puede estar sentado en el regazo de sus padres.
Parte 2: Colocación de Optodes y Uso del sistema de 10-20
Otro componente del método de análisis que permite la interpretación de datos consistente es la estandarización del protocolo de grabación fNIRS. Esto implica la colocación de optode, el posicionamiento de los participantes, y la activación de software de presentación de estímulo. Tanto la precisión neuro-anatómico de colocación de sondas y la confirmación de las regiones de interés (ROI) se consiguen mediante el sistema de 10 a 20 3,4,30. Además, la localización estereotáctica de la matriz de la sonda fue confirmada en el cráneo de los participantes mediante la superposición de información de seguimiento en 3D de un sistema de Polhemus Fast Trak en una resonancia magnética anatómica co-registro de escaneo de los participantes realizó con cápsulas de vitamina E colocados en cada ubicación de la sonda 3,4. posicionamiento óptimo de los participantes consistía en colocar a los participantes cómodamente en una silla reclinable, con fibra óptica que cuelgan libremente, sin contacto con el cuerpo o en la silla.
- Las mediciones se toman después de la cabeza con una cinta métrica y por escrito en la hoja de datos de los participantes:
- Nasion al inion alrededor
- Nasion hasta Inions sobre la parte superior
- Oreja a oreja sobre la parte superior
- Cinta quirúrgica puede ser utilizado para marcar lugares específicos de destino. En este experimento vamos a marcar Fp, T3/T4, F8/F7
- Matrices Optode se colocan en la cabeza de los participantes con optodes específica anclada en 10-20 puntos según las indicaciones de los propósitos del experimento.
Parte 4: Prueba de la matriz Optode
- Introducción a la Hitachi ETG-4000 Interface GUI y pruebas de la sonda.
- Prueba de la señal: optodes Una vez se colocan en el cuero cabelludo de los participantes, la calidad de la señal se pone a prueba. Si un optode no tiene una señal clara, los investigadores retire suavemente el pelo de la conexión de la optode y el cuero cabelludo. En ocasiones, la optodes posible que tenga que ser limpiado con una gasa con alcohol.
Parte 5: Ejecutar el experimento.
- Al menos dos experimentadores debe estar siempre presente en la sala, una observación de la Hitachi fNIRS ETG-4000 en tiempo real, leer y observar el otro participante. Tener una cámara de vídeo centrado en el participante es muy recomendable para las observaciones post-hoc. Una de las ventajas de la Hitachi fNIRS ETG-4000 es que el vídeo y la señal de fNIRS están sincronizados y co-registrados. Un registro que contiene toda la información pertinente y los archivos generados se mantiene.
- Hay métodos bien establecidos de la construcción de paradigmas experimentales hemodinámica, es decir, el diseño de bloques y diseños relacionados con eventos. Para una descripción más completa, por favor vea el artículo de revisión reciente 31.
Parte 6: Análisis
Una vez que todos los datos han sido recogidos, el participante se le agradece por su tiempo y voluntad de participar y sale del laboratorio. Como el análisis no se realiza en el Hitachi fNIRS ETG-4000, ya que, en cambio, los datos se exportan a un equipo de análisis.
- La conversión de mV a las concentraciones de hemoglobina. Como los valores de atenuación de primas se recogen en la atenuación de la fuerza de láser (medida en mV), estos valores deben ser convertidos a la hemoglobina oxigenada y desoxigenada valiosaes. Esto se hace con el archivo de Beer-Lambert ecuación.
- La aplicación de la modificación de Beer-Lambert se lleva a cabo en dos etapas. Bajo el supuesto de que la dispersión es constante a lo largo de la longitud del camino, en primer lugar la atenuación para cada longitud de onda (ΔA λ (t)) se calcula mediante la comparación de la densidad óptica de la intensidad de la luz durante la tarea (tarea I) a la línea de base calculada de la señal ( Yo línea de base). Los valores de ΔA para cada longitud de onda y el punto de muestreo de tiempo (t) para resolver el modificado la ecuación de Beer-Lambert.
La ecuación 1 
La ecuación 2 
λ 1 ∈ desoxi, λ 1 ∈ oxi, λ 2 λ ∈ desoxi y 2 ∈ oxígeno son las constantes de los coeficientes de extinción que medir la fracción de luz perdida a la absorción por unidad de distancia de concentración en el tejido. La desoxi C resultante y los valores de C son las concentraciones de oxígeno de la hemoglobina desoxigenada y oxigenada para cada t.
Parte 7: Resultados de Representante
Los resultados típicos respuesta hemodinámica en varias características distintivas. En la respuesta de oxihemoglobina, que es la primera característica de un baño. Esta caída se produce como una región de neuronas se activa y se agota el oxígeno disponible. A medida que aumenta el flujo de sangre, transportado por la hemoglobina oxigenada, la respuesta de oxihemoglobina aumenta rápidamente por encima de los niveles de referencia inicial a un nivel de estado estacionario. Cuando la región ya no se activa, la respuesta de la hemoglobina se desintegra oxi-durante los próximos 12 a 15 segundos y lentamente vuelve a caer a los niveles basales. Hay de vez en cuando un undershoot que ocurre antes de la respuesta hemodinámica de regresar a los niveles de referencia inicial.
Los malos resultados son por lo general en forma de optodes no bien asentada en el cuero cabelludo o el movimiento excesivo. Este tipo de ruido - llamado "Flatling '- son evidentes en la señal de que los valores de microvoltios saturar y una serie de canales diferentes, se mueven tanto y la respuesta de oxi-desoxi-de una manera coordinada.
DEMOSTRACIÓN: Agitar la fibra óptica.
Análisis estadístico: El oxígeno extraído y deoxi-hemoglobina valores para cada canal, para cada participante y para cada tarea puede ser sometido a un análisis estadístico convencional, incluyendo pruebas t, ANOVA, correlación, etc
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Discussion
En este estudio, hemos demostrado el uso de una novela, no invasiva, la tecnología de imagen cerebral para investigar fNIRS funcionamiento del cerebro humano en relación con la cognición y la percepción humanas. fNIRS imágenes del cerebro puede representar el futuro de la imagen cerebral no invasiva, especialmente con las poblaciones de lactantes y niños, que algún día podría estar ampliamente disponible en los laboratorios de investigación, consultorios médicos, y en el sistema escolar permite a los médicos para aplicar los hallazgos científicos sobre la cerebro para su práctica clínica.
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Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por becas de LAP (PI):
Institutos Nacionales de Salud R21 HD50558, otorgado 2005-07; Nacional
Institutos Nacionales de Salud R01 HD045822, otorgado 2004-09; Dana beca de la Fundación,
otorgado 2004-06, la Fundación Canadiense para la Innovación ("TPI" de subvención), otorgado
2008-2012, de Ontario Research Fund Grant, otorgado 2008-2012.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | Psychology toolbox |
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