Exploring Cognitive Functions in Babies, Kinder & Erwachsene mit Nahinfrarot-Spektroskopie

Summary

Hier beschreiben wir eine Datenerhebung und Datenanalyse-Verfahren für die funktionelle Nahinfrarot-Spektroskopie (fNIRS), eine neue, nicht-invasive Bildgebung des Gehirns System in den kognitiven Neurowissenschaften, insbesondere in das Studium Kind die Entwicklung des Gehirns. Diese Methode bietet einen universellen Standard für die Datenerfassung und Analyse entscheidend für die Interpretation der Daten und der wissenschaftlichen Entdeckung.

Abstract

Eine Explosion der funktionalen Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) Studien, die kortikale Aktivierung in Bezug auf höhere kognitive Prozesse, wie Sprache ^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,} Speicher ^{11, 12} und Aufmerksamkeit ist im Gange weltweit mit Erwachsenen, Kindern und Säuglingen ^{3,4,13,14,15,16,17,18,19} mit typischen und atypischen Erkenntnis ^20,21,22. Die zeitgenössische Herausforderung mit fNIRS für kognitive Neurowissenschaften ist die systematische Analyse von Daten, so dass sie universell interpretierbar sind ^23,24,25,26 und kann somit wichtige wissenschaftliche Fragen über die funktionelle Organisation und neuronalen Systemen zugrunde liegenden menschlichen höheren Erkenntnis voraus zu erreichen.

Bestehende Neuroimaging Technologien haben entweder weniger robust zeitlicher und räumlicher Auflösung. Evozierten Potenziale und Magneto Enzephalographie (ERP-und MEG) haben hervorragende zeitliche Auflösung, während Positronen-Emissions-Tomographie und funktionelle Magnetresonanz-Tomographie (PET und fMRI) eine bessere räumliche Auflösung haben. Die Verwendung von nicht-ionisierender Wellenlängen des Lichts im nahen Infrarot-Bereich (700-1000 nm), wo Oxy-Hämoglobin bevorzugt von 680 nm und deoxy-Hämoglobin absorbiert wird, wird vorzugsweise durch 830 nm (z. B. in der Tat, die sehr Wellenlängen in hardwired absorbiert die fNIRS Hitachi ETG-400-System dargestellt), ist fNIRS gut für Untersuchungen der höheren Erkenntnis geeignet, weil es sowohl gute zeitliche Auflösung (~ 5s) ohne Verwendung von Strahlung und gute räumliche Auflösung (~ 4 cm Tiefe) und nicht von den Teilnehmern in einem geschlossenen Struktur ^27,28 sein. Die Teilnehmer kortikale Aktivität kann beurteilt, während bequem in einem gewöhnlichen Stuhl (Erwachsene, Kinder) sitzen oder sogar in mom s Runde (Kleinkinder) sitzen. Bemerkenswert ist, dass NIRS einzigartige tragbare (von der Größe eines Desktop-Computer), nahezu geräuschlos und kann ein Teilnehmer subtile Bewegung zu tolerieren. Dies ist besonders hervorragend für die neuronale Studium der menschlichen Sprache, die notwendigerweise als eine der wichtigsten Komponenten der Bewegung des Mundes beim Sprechen Produktion oder die Hände in Gebärdensprache.

Die Art und Weise, in der die hämodynamische Antwort ist lokalisiert ist durch eine Reihe von Laser-Emitter und-Detektoren. Strahler emittieren ein bekannter Intensität der nicht-ionisierenden Licht, während Detektoren die Menge zurück reflektiert von der kortikalen Oberfläche zu erkennen. Je näher die Optoden, desto größer ist die räumliche Auflösung, während die weiter auseinander die Optoden, desto größer ist die Eindringtiefe. Für die fNIRS Hitachi ETG-4000-System die optimale Penetration / Auflösung der Optode Array ist 2cm gesetzt.

Unser Ziel ist es, unsere Methode der Erfassung und Analyse von Daten fNIRS, um die Standardisierung auf dem Gebiet und ermöglichen verschiedene fNIRS Labors weltweit einen gemeinsamen Hintergrund haben zu demonstrieren.

Protocol

Teil 1: Vor der Teilnehmer kommen ins Labor

1. Stellen Sie sicher, dass der Raum frei von fremden Gegenständen, die der Teilnehmer kann störend ist.
2. Set-up und laden experimentelle Protokoll über die fNIRS Hitachi ETG-4000-System.
3. Set-up Ihrer experimentellen Paradigmen. Experimentelle Paradigmen können mit verschiedenen Präsentations-Software, einschließlich ePRIME, Präsentation, Psyscope oder Matlab basierte Psychologie Toolbox programmiert werden. Hier verwenden wir Matlab basierte Psychologie Toolbox.
4. Timing ist der Schlüssel für die Datenanalyse, so dass die experimentellen Paradigma muss perfekt mit der Datenerhebung zeitlich gesteuert werden. Die fNIRS Hitachi ETG-4000 hat Triggerfunktionen, so dass für die experimentelle Paradigma der Datenerfassung oder umgekehrt ausgelöst werden. Testen Auslösung von Präsentations-Programm von fNIRS Hitachi ETG-4000. Die Triggerung kann getan werden parallel mit, Serien, oder USB-Ports. Hier zeigen wir über die parallele Schnittstelle ausgelöst.
5. Vor Beginn der fNIRS Studie ist es wichtig, Teilnehmer Hintergrund Screening durchzuführen. In der Petitto Labor führen wir Hintergrund-Screening, indem die Teilnehmer oder ihre Eltern füllen Studie-geeigneten standardisierten Fragebögen ^29.

Teilnehmer Arrives

6. Es ist wichtig, um die Sitzung zu leiten und den Teilnehmern in einer professionellen Art und Weise zu behandeln. Der Teilnehmer oder die Teilnehmer die Eltern / Erziehungsberechtigten müssen eine Einverständniserklärung vor dem Experiment beginnt. Es ist wichtig, um die Teilnehmer für ihre Zeit danken in diesen wichtigen und spannenden Experimenten.
7. Der Teilnehmer sitzt bequem in der Nähe des fNIRS Testraum. Ein Säugling Teilnehmer kann auf einer übergeordneten Schoß sitzen.

Teil 2: Platzieren Optoden & Mit dem 10-20 System

Ein weiterer Bestandteil der Analyse-Methode, die im Einklang Interpretation der Daten ermöglicht, ist die Standardisierung von fNIRS Aufnahme-Protokoll. Dies bedeutet Optode Platzierung Teilnehmer Positionierung und Auslösen eines Reizes Präsentations-Software. Sowohl die genaue neuro-anatomische Platzierung der Fühler und die Bestätigung der regions of interest (ROIs) werden unter Verwendung des 10-20 Systems ^3,4,30 erreicht. Ferner wurde die stereotaktische Lokalisierung der Sonden-Array auf der Teilnehmerliste des Schädels durch Überlagerung 3D-Tracking-Informationen aus einer Polhemus Fast Trak-System auf einer anatomischen MRT-Co-Registrierung Scan des Teilnehmers mit Vitamin E Kapseln bei jeder Sonde Lage ^3,4 platziert durchgeführt bestätigt. Optimale Positionierung Teilnehmer beteiligt Platzierung die Teilnehmer bequem in einem Liegestuhl, mit Lichtwellenleiter lose hängend, ohne Kontakt mit dem Körper oder Stuhl.

1. Die folgenden Kopf Messungen werden mit einem Maßband genommen und sich auf die Teilnehmer Datenblatt geschrieben:
   • Nasion zu Inion rund
   • Nasion zu Inions über top
   • Ohr zum Ohr über Oberseite
2. Chirurgische Band kann verwendet werden, um spezifische Zielregionen zu markieren. In diesem Experiment werden wir markieren Fp, T3/T4, F8/F7
3. Optode Arrays sind auf der Teilnehmerinnen Kopf mit spezifischen Optoden bei 10-20 Punkten als von den Zielen des Experiments gerichtet verankert platziert.

Teil 4: Prüfung der Optode Array

1. Einführung in die Hitachi ETG-4000 GUI-Schnittstelle und die Sonde testen.
2. Testing-Signal: Einmal Optoden auf die Teilnehmer der Kopfhaut platziert werden, die Qualität des Signals wird getestet. Wenn ein Optode kein klares Signal, Forscher entfernen sanft Haare aus der Verbindung der Optode und der Kopfhaut. Anlässlich der Optoden Möglicherweise müssen Sie mit einem Alkoholtupfer abgewischt werden.

Teil 5: Die Ausführung des Experiments.

1. Mindestens zwei Experimentatoren muss immer vorhanden sein in den Raum, eine Beobachtung der fNIRS Hitachi ETG-4000 Echtzeit ausgelesen und die andere die Beobachtung der Teilnehmer. Mit einer Videokamera auf Teilnehmer ausgerichtet ist sehr für Post-hoc-Beobachtungen empfohlen. Ein Vorteil der fNIRS Hitachi ETG-4000 ist, dass die Video-und fNIRS Signal synchronisiert werden und Co-registriert. Ein Protokoll mit allen relevanten Informationen und Dateien erzeugt wird gehalten.
2. Es gibt gut etablierte Methoden für den Aufbau experimentellen hämodynamischen Paradigmen, nämlich Blockbauweise und Event-Related Designs. Für eine vollständige Beschreibung finden Sie in der jüngsten Überprüfung Papier ^31.

Teil 6: Analyse

Sobald alle Daten gesammelt wurden, ist der Teilnehmer für ihre Zeit und die Bereitschaft zur Teilnahme gedankt und verlässt das Labor. Da die Analyse nicht auf der fNIRS Hitachi ETG-4000 getan, als statt dessen werden die Daten an eine Analyse-Computer exportiert.

1. Die Umrechnung von uV an Hämoglobin-Konzentrationen. Als Rohstoff Dämpfungswerte in Dämpfung von Laser-Stärke (wie in uV gemessen) erhoben werden, müssen diese Werte mit Sauerstoff versorgt und sauerstoffarmes Hämoglobin wertvolle umgewandelt werdenes. Dies geschieht mit Hilfe der modifizierten Lambert-Beer-Gleichung.
2. Die Anwendung der modifizierten Beer-Lambert wird in zwei Schritten durchgeführt. Unter der Annahme, dass die Streuung konstant über die Weglänge, zuerst die Dämpfung für jede Wellenlänge (&Dgr; _{λ (t))} wird durch den Vergleich der optischen Dichte der Lichtintensität während der Aufgabe (I _Aufgabe) berechnet, um die berechnete Basislinie des Signals ( Ich _baseline). Die &Dgr;-Werte für jede Wellenlänge und beprobt Zeitpunkt (t) zur Lösung des modifizierten Lambert-Beer-Gleichung.

   Gleichung 1

   Gleichung 2

λ ₁ ∈ _deoxy, λ ₁ ∈ _oxy, λ ₂ ∈ _deoxy und λ ₂ ∈ _oxy sind die Konstanten für die Extinktionskoeffizienten, dass der Anteil des Lichts verloren, um die Absorption pro Einheit Konzentration Abstand in das Gewebe zu messen. Der resultierende C _Desoxy-und C _oxy Werte sind die Konzentrationen von Sauerstoff befreit und oxygenierten Hämoglobins für jedes t.

Teil 7: Repräsentative Ergebnisse

Typische hämodynamische Reaktion Ergebnisse in mehreren unterschiedlichen Eigenschaften. In der Oxy-Hämoglobin Antwort gibt es zunächst eine charakteristische dip. Dieser Dip tritt als eine Region von Neuronen aktiviert und verbraucht verfügbaren Sauerstoff. Da der Blutfluss erhöht, Durchführung oxygenierten Hämoglobins, steigt die Oxy-Hämoglobin Antwort schnell über dem ursprünglichen Ausgangswert zu einem steady state level. Wenn die Region nicht mehr aktiviert, sinkt die Oxy-Hämoglobin Reaktion zerfällt in den nächsten 12-15 Sekunden und langsam wieder auf das Ausgangsniveau. Es ist gelegentlich ein Unterschreiten, dass vor der hämodynamischen Antwort Rückkehr nach anfänglichen Basis-Ebenen erfolgt.

Bad Ergebnisse sind in der Regel in Form von Optoden nicht richtig auf der Kopfhaut oder übermäßige Bewegung sitzt. Diese Arten von Lärm - genannt "Flatling" - werden in der Signal als Mikrovolt Werte und sättigen eine Reihe von verschiedenen Kanälen, sowohl Oxy-und Desoxy-Reaktion zu bewegen in einer koordinierten Art und Weise evident.

DEMONSTRATION: Shaking the Faseroptik.

Statistische Analysen: Die extrahierten Oxy-und Desoxy-Hämoglobin-Werte für jeden Kanal, für jeden Teilnehmer und für jede Aufgabe kann dann zu herkömmlichen statistischen Analyse unterzogen werden, unter anderem T-Tests, Varianzanalysen, Korrelationen etc.

Discussion

In dieser Studie haben wir gezeigt, die Verwendung eines neuartigen, nicht-invasive Bildgebung des Gehirns fNIRS Technologie für die menschliche Hirnfunktion in Bezug auf die menschliche Kognition und Wahrnehmung zu untersuchen. fNIRS Bildgebung des Gehirns darstellen kann die Zukunft der nicht-invasiven bildgebenden Verfahren, insbesondere bei Säuglingen und Kindern Populationen, dass eines Tages werden weit verbreitet in Forschungslabors kann, Arztpraxen und in den Schulsystemen ermöglicht Klinikern zu grundlegenden wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Anwendung Gehirn auf ihre klinische Praxis.

Materials

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