Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Biology

Exploring kognitiva funktioner hos Bebisar, Barn & Vuxna med nära infraröd spektroskopi

Published: July 28, 2009 doi: 10.3791/1268

Summary

Här beskriver vi en datainsamling och analysmetod för funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS), en ny icke-invasiv avbildning av hjärnan som används inom kognitiv neurovetenskap, särskilt studera utvecklingen barnets hjärna. Denna metod ger en universell standard för datainsamling och analys avgörande för tolkning av data och vetenskapliga upptäckter.

Abstract

En explosion av funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS) studier som undersöker kortikal aktivering i förhållande till högre kognitiva processer, såsom språk 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, minne 11, och uppmärksamhet 12 pågår i världen där vuxna, barn och spädbarn 3,4,13,14,15,16,17,18,19 med typiska och atypiska kognition 20,21,22. Den moderna utmaningen att använda fNIRS för kognitiv neurovetenskap är att uppnå systematiska analyser av data så att de är allmänt tolkningsbar 23,24,25,26, och därmed kan förskott viktiga vetenskapliga frågor om den funktionella organisationen och neurala system som ligger bakom människans högre kognition.

Befintliga neuroimaging teknik har antingen mindre robust temporal eller rumslig upplösning. Händelse med anknytning potentialer och Magneto Encephalography (ERP och MEG) har utmärkt temporal upplösning, medan Positron Emission Tomography och funktionell magnetisk resonanstomografi (PET och fMRI) har bättre rumslig upplösning. Använda icke-joniserande våglängder av ljus i det nära infraröda området (700-1000 nm), där oxy-hemoglobin är företrädesvis upp av 680 nm och deoxy-hemoglobin är företrädesvis upp av 830 nm (t ex, ja, den mycket våglängder hårdkodade i den fNIRS Hitachi ETG-400-systemet visas här), är fNIRS väl lämpad för studier av högre kognition eftersom det har både bra tidsupplösning (~ 5s) utan användning av strålning och bra spatial upplösning (~ 4 cm djup), och inte kräver att deltagarna att vara i en sluten struktur 27,28. Deltagarna kortikal aktivitet kan bedömas medan du sitter bekvämt i en vanlig stol (vuxna, barn) eller till och med sitter i mammas knä (spädbarn). Noterbart är NIRS unikt bärbara (storleken på en stationär dator), nästan ljudlös och kan tolerera en deltagare subtil rörelse. Detta är särskilt enastående för de neurala studiet av mänskligt språk, som med nödvändighet har som en av sina viktigaste komponenterna rörelse i munnen i tal produktion eller i händerna på teckenspråk.

Det sätt på vilket de hemodynamiska responsen är lokaliserad är genom en rad laser sändare och detektorer. Utsläppskällor släpper ut en känd intensitet av icke-joniserande ljus medan detektorer känner av hur mycket som reflekteras tillbaka från den kortikala ytan. Ju närmare ihop optodes, desto större den rumsliga upplösningen, medan ytterligare isär optodes, desto större djup penetration. För fNIRS Hitachi ETG-4000-systemet optimal inträngningsförmåga / upplösning av optode arrayen är satt till 2 cm.

Vårt mål är att visa vår metod att förvärva och analysera fNIRS data för att standardisera område och göra olika fNIRS laboratorier över hela världen att ha en gemensam bakgrund.

Protocol

Del 1: Före deltagare anländer till labbet

  1. Se till att rummet är fritt från främmande föremål som kan vara störande till deltagaren.
  2. Set-up och last experimentella protokoll om fNIRS Hitachi ETG-4000-system.
  3. Ställ upp din experimentella paradigm. Experimentell paradigm kan programmeras med olika presentation programvara, inklusive Eprime, Presentation, Psyscope eller en Matlab baserat psykologi verktygslåda. Här använder vi Matlab baserade psykologi verktygslåda.
  4. Timing är viktig för analys av data, och därmed den experimentella paradigm måste vara helt tidsinställda med datainsamling. Den fNIRS Hitachi ETG-4000 har utlösande kapacitet, vilket möjliggör den experimentella paradigm för att utlösa den datainsamling eller vice versa. Test aktivering av presentationsprogram från fNIRS Hitachi ETG-4000. Utlösande kan göras med parallella, serier eller USB-portar. Här visar vi triggning via parallellporten.
  5. Före start av fNIRS studien är det viktigt att genomföra screening deltagare bakgrund. I Petitto labbet, genomför vi bakgrunden screening genom att deltagarna eller deras föräldrar fylla i studie-lämpliga standardiserade frågeformulär 29.

Deltagare Ankommer

  1. Det är viktigt att genomföra sessionen och att behandla deltagarna på ett professionellt sätt. Deltagaren eller deltagarnas föräldrar / vårdnadshavare ska underteckna ett medgivande innan försöket börjar. Det är viktigt att tacka deltagarna för deras tid i dessa viktiga och spännande experiment.
  2. Deltagaren sitter bekvämt nära fNIRS testning rummet. Ett spädbarn deltagare får sitta i förälderns knä.

Del 2: Placering Optodes & Använda 10-20 systemet

En annan komponent i analysen metod som möjliggör konsekvent tolkning av data är standardiseringen av fNIRS inspelning protokollet. Detta innebär optode placering, deltagare positionering och utlösning av stimulans presentationsprogram. Både noggrann neuro-anatomiska placering av sonder och bekräftelse av regioner av intresse (ROI) uppnås genom att använda 10-20 systemet 3,4,30. Vidare var stereotaktisk lokalisering av sonden array bekräftade på deltagarens skallen genom att lägga 3D spåra information från en Polhemus Snabb Trak systemet på en anatomisk MRI co-registrering genomsökning av deltagare genomförts med E-vitamin kapslar placeras på varje sondplats 3,4. Optimal deltagare positionering inblandade placera deltagare bekvämt i en liggande stol, med fiberoptik hänger löst utan kontakt med kroppen eller stol.

  1. Följande huvudet mätningar görs med ett måttband och skrivit ner på deltagarna datablad:
    • Nasion att Inion runt
    • Nasion till Inions över toppen
    • Öra till öra över toppen
  2. Kirurgisk tejp kan användas för att markera särskilda platser. I detta experiment kommer vi att märka Fp, T3/T4, F8/F7
  3. Optode arrayer är placerade på deltagarnas huvudet med specifika optodes förankrade på 10-20 poäng enligt anvisningar från tillämpningen av experimentet.

Del 4: Testa Optode Array

  1. Introduktion till Hitachi ETG-4000 GUI Interface och sond testning.
  2. Test signalen: När optodes placeras på deltagarnas hårbotten, är signalkvaliteten testas. Om en optode inte har en tydlig signal, forskare bort försiktigt hår från anslutning av optode och hårbotten. Vid tillfälle optodes kan behöva torkas av med en alkoholservett.

Del 5: Köra experimentet.

  1. Minst två praktiker måste alltid närvarande i rummet, en observera fNIRS Hitachi ETG-4000 realtid läsa upp och den andra observera deltagaren. Att ha en videokamera fokuserad på deltagare rekommenderas för post-hoc-observationer. En fördel med fNIRS Hitachi ETG-4000 är att video-och fNIRS signalen är synkroniseras och co-registrerade. En logg som innehåller all relevant information och filer som genereras hålls.
  2. Det finns väl etablerade metoder för att bygga experimentella hemodynamiska paradigm, nämligen block design och Event-relaterade mönster. För en mer komplett beskrivning se den nyligen genomförda översynen papper 31.

Del 6: Analys

När alla data har samlats in, är deltagaren tackade för sin tid och vilja att delta och lämnar labbet. Eftersom analysen inte görs på fNIRS Hitachi ETG-4000, som i stället är de data som exporteras till en analys dator.

  1. Konvertering från μV till hemoglobinkoncentrationerna. Som råvara Dämpningsvärden samlas i dämpning av laser styrka (mätt i μV), måste dessa värden omvandlas till syresatt och syrefattigt hemoglobin värdefullaES. Detta görs med hjälp av den modifierade Beer-Lambert ekvation.
  2. Tillämpningen av den modifierade Beer-Lambert sker i två steg. Under antagandet att spridningen är konstant över väglängd, först dämpning för varje våglängd (DA λ (t)) beräknas genom att jämföra den optiska tätheten av ljusintensitet under uppgiften (jag uppgift) den beräknade baslinjen av signalen ( Jag utgångsvärdet). Den DA värden för varje våglängd och provtas tidpunkt (t) för att lösa den modifierade Beer-Lambert ekvation.
    Ekvation 1 ekvation 1 Ekvation 2 ekvation 2

λ 1deoxy, λ 1oxy, λ 2deoxy och λ 2oxy är konstanter för extinktionskoefficienterna som mäter den del av ljuset förlorade mot absorption per koncentration avståndet i vävnaden. Den resulterande C deoxy och C oxy värden är halterna av syrefattigt och syresatt hemoglobin för varje t.

Del 7: representativa resultat

Typiska hemodynamiska svar resulterar i flera olika egenskaper. I oxy-hemoglobin svar krävs det först en karakteristisk dopp. Denna dip uppstår som en region av nervceller aktiveras och utarmar syre. Som ökar blodflödet, transporterar syresatt hemoglobin, stiger oxy-hemoglobin svar snabbt över den första baslinjen nivåer för att en steady state nivå. När regionen inte längre är aktiverad sjunker oxy-hemoglobin svar sönderfall under de kommande 12-15 sekunder och långsamt tillbaka till basnivåer. Det finns ibland en undersväng som inträffar före den hemodynamiska svaret tillbaka till första basnivåer.

Dåliga resultat är oftast i form av optodes inte ordentligt i hårbotten eller överdriven rörelse. Dessa typer av buller - som kallas "Flatling" - är tydliga i signalen som den mikrovolt värden mätta och ett antal olika kanaler, både oxy-och deoxy respons flytta på ett samordnat sätt.

Demonstration: Skaka fiberoptik.

Statistiska analyser: De extraherade oxy och deoxy-hemoglobinvärden för varje kanal, för varje deltagare och för varje uppgift kan sedan lämnas till konventionell statistisk analys, inklusive t-test, ANOVAs, korrelationer etc.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna studie visade vi att använda en ny, icke-invasiva fNIRS brain imaging-teknik för att undersöka mänskliga hjärnans funktion i relation till människans kognition och perception. fNIRS hjärnavbildning kan representera framtiden för icke-invasiv hjärnröntgen, särskilt med spädbarn och barn populationer, som en dag kan bli brett tillgänglig i forskningslaboratorier, läkarmottagningar och i skolans system som möjliggör för läkare att tillämpa grundläggande vetenskapliga rön om hjärnan att deras kliniska praktik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Detta arbete har finansierats med bidrag till LAP (PI):

National Institutes of Health R21 HD50558, tilldelades 2005-07; National

Institutes of Health R01 HD045822, tilldelades 2004-09; Dana Foundation,

tilldelas 2004-06, kanadensisk stiftelse för innovation ("CFI" Grant), tilldelades

2008-2012, The Ontario forskningsfond Grant ut 2008-2012.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
  2. Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
  3. Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
  4. Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
  5. Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
  6. Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
  7. Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).
  8. White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).
  9. Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).
  10. Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).
  11. Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).
  12. Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).
  13. Petitto, L. A. The Educated Brain. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).
  14. Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).
  15. Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).
  16. Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).
  17. Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).
  18. Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).
  19. Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).
  20. Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).
  21. Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).
  22. Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).
  23. Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).
  24. Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).
  25. Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).
  26. Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).
  27. Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).
  28. Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).
  29. Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).
  30. Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).
  31. Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).

Tags

Neurovetenskap spädbarn barn nära infraröd spektroskopi fNIRS optisk tomografi kognitiv neurovetenskap psykologi hjärnan utveckling kognitiv neurovetenskap analys
Exploring kognitiva funktioner hos Bebisar, Barn & Vuxna med nära infraröd spektroskopi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shalinsky, M. H., Kovelman, I.,More

Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (29), e1268, doi:10.3791/1268 (2009).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter