L'exploration des fonctions cognitives chez les bébés, enfants et adultes avec la spectroscopie proche infrarouge

Summary

Nous décrivons ici une méthode de collecte de données et d'analyse des données fonctionnelles Proche spectroscopie infrarouge (fNIRS), un roman non-invasive du système d'imagerie cérébrale utilisées en neurosciences cognitives, en particulier dans l'étude du développement du cerveau des enfants. Cette méthode fournit un standard universel d'acquisition de données et d'analyse indispensable à l'interprétation des données et la découverte scientifique.

Abstract

Une explosion de fonctionnelles Proche spectroscopie infrarouge (fNIRS) études portant sur ​​l'activation corticale en relation avec les processus cognitifs supérieurs, tels que la langue ^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,} mémoire ^{11, 12} et l'attention est en cours dans le monde entier adultes impliquant les enfants et les nourrissons à la cognition ^{3,4,13,14,15,16,17,18,19} typiques et atypiques ^20,21,22. Le défi contemporain de l'aide pour les neurosciences cognitives fNIRS est de réaliser des analyses systématiques de ces données qu'elles sont universellement interprétable ^23,24,25,26, et donc peut avancer des questions scientifiques importantes sur l'organisation fonctionnelle et les systèmes neuronaux sous-jacents humaine cognition supérieure.

Technologies existantes ont neuroimagerie soit moins robuste résolution temporelle ou spatiale. Événement Potentiels et magnéto-encéphalographie (ERP et MEG) ont une excellente résolution temporelle, tandis que la tomographie par émission de positons et l'imagerie par résonance magnétique (TEP et IRMf) ont une meilleure résolution spatiale. L'utilisation non ionisants longueurs d'onde de la lumière dans le proche infrarouge (700-1000 nm), où l'oxyhémoglobine est préférentiellement absorbée par 680 nm et désoxy-hémoglobine est préférentiellement absorbée par 830 nm (par exemple, en effet, les longueurs d'onde très câblées dans l'fNIRS Hitachi GTE-400 système illustré ici), fNIRS est bien adapté pour les études de cognition supérieure, car il a à la fois bonne résolution temporelle (~ 5s) sans l'utilisation des rayonnements et une bonne résolution spatiale (profondeur ~ 4 cm), et ne exigent que les participants à être dans une structure fermée ^27,28. L'activité corticale participants peuvent être évalués tout confortablement assis dans une chaise ordinaire (adultes, enfants) ou même assis sur les genoux de maman s (bébés). Notamment, la SPIR est uniquement portables (de la taille d'un ordinateur de bureau), pratiquement silencieux, et peut tolérer un mouvement participants subtile. Ceci est particulièrement remarquable pour l'étude neurales du langage humain, qui a nécessairement comme une de ses principales composantes du mouvement de la bouche dans la production de la parole ou les mains dans le langage des signes.

La façon dont la réponse hémodynamique est localisée est par un réseau d'émetteurs laser et les détecteurs. Les émetteurs émettent une intensité connue des non-ionisantes lumière tandis que les détecteurs de détecter la quantité réfléchie par la surface corticale. Le rapprochement entre l'optodes, plus la résolution spatiale, tandis que les plus éloignés de la optodes, la plus grande profondeur de pénétration. Pour la fNIRS Hitachi GTE-4000 un système optimal de pénétration / la résolution du tableau optode est réglé sur 2 cm.

Notre objectif est de démontrer notre méthode d'acquisition et d'analyse des données fNIRS pour standardiser le terrain et permettent différents laboratoires dans le monde entier fNIRS pour avoir un fond commun.

Protocol

Partie 1: Avant d'arriver participant au laboratoire

1. S'assurer que la salle est libre d'articles superflus qui peuvent être dérangeantes pour le participant.
2. Mise en place et de la charge sur le protocole expérimental fNIRS Hitachi GTE-4000 du système.
3. Configurez votre paradigme expérimental. Paradigmes expérimentaux peuvent être programmés avec le logiciel de présentation différente, incluant ePRIME, Présentation, Psyscope ou une boîte à outils Matlab psychologie basée. Ici, nous utilisons boîte à outils Matlab psychologie basée.
4. Le timing est clé pour l'analyse de données, donc le paradigme expérimental doit être parfaitement synchronisé avec la collecte de données. Le Hitachi fNIRS GTE-4000 a déclenchement des capacités, permettant ainsi le paradigme expérimental pour déclencher la collecte de données ou vice versa. Test de déclenchement du programme de présentation de fNIRS Hitachi GTE-4000. Le déclenchement peut être fait en utilisant en parallèle, des feuilletons, ou des ports USB. Ici, nous montrons le déclenchement via le port parallèle.
5. Avant de commencer l'étude fNIRS il est important d'effectuer la vérification des antécédents des participants. Dans le laboratoire Petitto, nous procédons à la vérification des antécédents en ayant les participants ou leurs parents de remplir d'étude appropriés à des questionnaires standardisés ^29.

Participant arrive

6. Il est important de mener la session et pour traiter les participants d'une manière professionnelle. Le participant ou des parents des participants / tuteurs légaux doivent signer un formulaire de consentement avant le début de l'expérience. Il est vital pour remercier les participants pour leur temps dans ces expériences importantes et passionnantes.
7. Le participant est assis confortablement près de la salle de test fNIRS. Un participant du nourrisson peut être assis sur les genoux d'un parent.

Partie 2: Placer optodes & Utiliser le système de 10 à 20

Une autre composante de la méthode d'analyse qui permet l'interprétation des données cohérentes est la standardisation de l'enregistrement fNIRS protocole. Cela implique le placement optode, le positionnement des participants, et le déclenchement d'un logiciel de présentation de relance. Tant la précision neuro-anatomiques de placement des sondes et la confirmation des régions d'intérêt (ROI) sont obtenus en utilisant le système de 10 à 20 ^3,4,30. En outre, la localisation stéréotaxique du tableau de sonde a été confirmé sur le crâne du participant en superposant des informations de tracking 3D à partir d'un système de Polhemus Fast Trak sur une IRM anatomique de co-enregistrement de balayage du participant réalisé avec des capsules de vitamine E placés à chaque emplacement ^3,4 sonde. positionnement optimal des participants impliqués placer des participants confortablement dans un fauteuil inclinable, avec la fibre optique ballants, sans contact avec le corps ou une chaise.

1. Les mesures suivantes sont prises la tête avec un ruban à mesurer et écrit sur les données des participants de la feuille:
   • Nasion d'Inion autour
   • Nasion Inions sur le dessus
   • Une oreille à plus haut
2. Ruban adhésif chirurgical peut être utilisé pour marquer les endroits cibles spécifiques. Dans cette expérience, nous célébrerons Fp, T3/T4, F8/F7
3. Tableaux Optode sont placés sur la tête des participants avec optodes spécifiques ancrés à 10-20 points comme dirigé par les buts de l'expérience.

Partie 4: Test de la baie de Optode

1. Introduction à l'ETG Hitachi-4000 Interface graphique et le test de la sonde.
2. Test de signal: optodes fois sont placés sur le cuir chevelu des participants, la qualité du signal est testé. Si une optode n'a pas un signal clair, les chercheurs retirez délicatement les cheveux de la connexion de l'optode et le cuir chevelu. À l'occasion de la optodes peut-être besoin d'être essuyé avec une compresse imbibée d'alcool.

Partie 5: Exécution de l'expérience.

1. Au moins deux expérimentateurs doivent être toujours présents dans la salle, l'un observant le Hitachi fNIRS GTE-4000 en temps réel de lire et d'observer l'autre participant. Ayant une caméra vidéo axé sur des participants est fortement recommandé pour le post-hoc des observations. Un avantage de l'Hitachi fNIRS GTE-4000 est que le signal vidéo et fNIRS sont synchronisés et co-enregistré. Un log contenant toutes les informations pertinentes et les fichiers générés est maintenu.
2. Il ya bien établi des méthodes de construction expérimentale paradigmes hémodynamique, à savoir bloc de conception et d'événements liés conceptions. Pour une description plus complète s'il vous plaît consulter le document récent examen ^31.

Partie 6: Analyse

Une fois toutes les données ont été recueillies, le participant est remercié pour leur temps et leur volonté de participer et quitte le laboratoire. Comme l'analyse n'est pas faite sur le Hitachi fNIRS GTE-4000, comme, au contraire, les données sont exportées vers un ordinateur d'analyse.

1. Conversion de uV à des concentrations d'hémoglobine. Comme valeurs d'atténuation brutes sont recueillies dans l'atténuation de la force au laser (tel que mesuré dans uV), ces valeurs doivent être converties à l'hémoglobine oxygénée et désoxygénée Values. Ceci est fait selon la méthode modifiée de Beer-Lambert équation.
2. L'application de la modification de Beer-Lambert est menée en deux étapes. Sous l'hypothèse que la dispersion est constante sur la longueur du chemin, d'abord l'atténuation pour chaque longueur d'onde _(λ Aa _(t)) est calculé en comparant la densité optique de l'intensité lumineuse durant la _tâche (tâche I) à la ligne de base calculée sur le signal ( J'ai _{de base).} Les valeurs Aa pour chaque longueur d'onde et le point le temps d'échantillonnage (t) pour résoudre le modifiés équation de Beer-Lambert.

   L'équation 1

   Équation 2

λ ∈ _{1 désoxy,} λ ∈ _{1 oxy,} λ ∈ _{2 désoxy} et λ ∈ _{2 oxy} sont les constantes pour les coefficients d'extinction qui mesurent la fraction de lumière perdue à l'absorption par distance unité de concentration dans les tissus. Le _désoxy C et C résultante des valeurs _oxy sont les concentrations d'hémoglobine désoxygénée et oxygénée pour chaque t.

Partie 7: Résultats Représentant

Les résultats typiques de la réponse hémodynamique à plusieurs caractéristiques distinctes. Dans la réponse oxyhémoglobine, il est d'abord un plongeon caractéristique. Cette trempette se produit comme une région de neurones s'active et épuise l'oxygène disponible. Comme le flux sanguin augmente, portant hémoglobine oxygénée, la réponse oxyhémoglobine augmente rapidement au-dessus du niveau de référence initial à un niveau stable. Lorsque la région n'est plus activée, les désintégrations de réponse oxyhémoglobine au cours des 12-15 prochaines secondes et lentement retombe à des niveaux de référence. Il ya parfois une undershoot qui survient avant la réponse hémodynamique retour aux niveaux de base initial.

Mauvais résultats sont généralement sous la forme d'optodes pas correctement assis sur le cuir chevelu ou les mouvements excessifs. Ces types de bruit - appelé «Flatling» - sont évidentes dans le signal que les valeurs microvolt saturer et un certain nombre de différents canaux, déplacer les deux oxy-et désoxy-réponse d'une manière coordonnée.

DÉMONSTRATION: Secouer la fibre optique.

Analyses statistiques: L'oxy extraites et désoxyhémoglobine valeurs pour chaque canal, pour chaque participant et pour chaque tâche peut alors être soumis à une analyse statistique classiques, y compris les tests t, ANOVA, corrélations etc

Discussion

Dans cette étude, nous avons démontré l'utilisation d'un roman, une technologie non invasive fNIRS imagerie cérébrale pour étudier le fonctionnement du cerveau humain par rapport à la cognition humaine et la perception. l'imagerie cérébrale fNIRS peut représenter l'avenir de l'imagerie cérébrale non invasive, en particulier avec les populations infantile et juvénile, qui pourraient un jour être largement disponibles dans les laboratoires de recherche, les bureaux des médecins, et dans les systèmes scolaires permettant aux cliniciens d'appliquer les découvertes scientifiques de base sur les cerveau à leur pratique clinique.

Materials

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