Biology

पास इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ शिशुओं, बच्चे, और वयस्कों में संज्ञानात्मक कार्य तलाश

Published: July 28, 2009 doi: 10.3791/1268

Mark H. Shalinsky¹, Iouila Kovelman¹, Melody S. Berens², Laura-Ann Petitto²

¹Department of Psychology, University of Michigan, Ann Arbor, ²Department of Psychology, University of Toronto Scarborough

Summary

यहाँ हम बच्चे के मस्तिष्क के विकास का अध्ययन में विशेष रूप से इन्फ्रारेड (fNIRS) स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक उपन्यास मस्तिष्क गैर इनवेसिव इमेजिंग प्रणाली संज्ञानात्मक तंत्रिका विज्ञान में प्रयोग किया जाता है, के पास कार्यात्मक के लिए एक डाटा संग्रह और डेटा विश्लेषण विधि का वर्णन. इस विधि डाटा अधिग्रहण और डेटा की व्याख्या और वैज्ञानिक खोज के लिए महत्वपूर्ण विश्लेषण के एक सार्वभौमिक मानक प्रदान करता है.

Protocol

भाग 1: प्रतिभागी को पहले प्रयोगशाला में पहुंचने

सुनिश्चित करें कि कमरे में असंगत लेख है कि प्रतिभागी को ध्यान भंग हो सकता है की मुक्त है.
सेट अप और प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल fNIRS Hitachi ETG-4000 सिस्टम पर लोड.
अपने प्रयोगात्मक प्रतिमान सेट. प्रायोगिक मानदंड अलग प्रस्तुति Eprime, प्रस्तुति Psyscope, या एक Matlab आधारित मनोविज्ञान toolbox सहित सॉफ्टवेयर, के साथ क्रमादेशित किया जा सकता है. यहाँ हम Matlab आधारित मनोविज्ञान toolbox का उपयोग करें.
समय डेटा विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण है, इस प्रकार प्रयोगात्मक प्रतिमान पूरी तरह से डेटा संग्रह के साथ समय पर होना चाहिए. fNIRS ETG 4000-Hitachi क्षमताओं ट्रिगर है, प्रयोगात्मक प्रतिमान के लिए अनुमति देता है डेटा संग्रह या ठीक इसके विपरीत ट्रिगर. प्रस्तुति कार्यक्रम की fNIRS ETG 4000-Hitachi से ट्रिगर टेस्ट. ट्रिगर समानांतर किया जाना का उपयोग कर सकते हैं, धारावाहिक, या USB बंदरगाहों. यहाँ हम समानांतर पोर्ट के माध्यम से ट्रिगर दिखा.
FNIRS अध्ययन शुरू करने से पहले यह भागीदार पृष्ठभूमि स्क्रीनिंग आचरण करने के लिए महत्वपूर्ण है. Petitto प्रयोगशाला में, हम कर प्रतिभागियों या उनके माता पिता बाहर भरने के अध्ययन के उपयुक्त मानकीकृत ^{प्रश्नावली} 29 द्वारा पृष्ठभूमि स्क्रीनिंग आचरण .

भागीदार में

सत्र का संचालन करने के लिए और एक पेशेवर तरीके से प्रतिभागियों को इलाज यह महत्वपूर्ण है. भागीदार या 'प्रतिभागियों के माता - पिता / कानूनी संरक्षक एक सहमति फार्म पर हस्ताक्षर करने से पहले प्रयोग शुरू होता है चाहिए. यह महत्वपूर्ण है अपने समय के लिए इन महत्वपूर्ण और रोमांचक प्रयोगों में भागीदार धन्यवाद.
भागीदार fNIRS परीक्षण कमरे में आराम से करीब बैठा है. एक शिशु भागीदार एक माता पिता की गोद में बैठा जा सकता है.

भाग 2: Optodes रखकर 10-20 सिस्टम का प्रयोग

विश्लेषण तरीका है कि सक्षम बनाता है संगत डेटा व्याख्या का एक अन्य घटक fNIRS रिकॉर्डिंग प्रोटोकॉल का मानकीकरण है. यह optode नियुक्ति, भागीदार स्थिति, और उत्तेजना प्रस्तुति सॉफ्टवेयर के ट्रिगर जरूरत पर जोर देता है. दोनों जांच की सटीक प्लेसमेंट न्यूरो संरचनात्मक और ब्याज (ROIs) के क्षेत्रों की पुष्टि 10-20 ^3,4,30 प्रणाली का उपयोग करके प्राप्त कर रहे हैं. इसके अलावा, जांच सरणी के stereotactic स्थानीयकरण प्रतिभागी खोपड़ी पर एक संरचनात्मक विटामिन ई कैप्सूल हर जांच ^3,4 स्थान पर रखा के साथ किए गए भागीदार के एमआरआई स्कैन सह पंजीकरण पर एक Polhemus फास्ट trak प्रणाली से 3 डी ट्रैकिंग जानकारी overlaying द्वारा पुष्टि की गई. इष्टतम भागीदार स्थिति प्रतिभागियों को आराम से एक reclining कुर्सी में फाइबर शरीर या कुर्सी के साथ संपर्क के बिना शिथिल फांसी प्रकाशिकी के साथ रखने के लिए शामिल है.

निम्नलिखित सिर माप एक टेप उपाय के साथ लिया जाता है और प्रतिभागियों डेटा पत्रक पर नीचे लिखा है:
- Inion Nasion आसपास
- शीर्ष पर Inions के लिए Nasion
- शीर्ष पर कान के लिए कान
सर्जिकल टेप करने के लिए विशिष्ट लक्षित स्थानों को चिह्नित किया जा सकता है. इस प्रयोग में हम एफ पी, T3/T4, F8/F7 का प्रतीक होगा
Optode arrays विशिष्ट 10-20 अंक के रूप में प्रयोग के प्रयोजनों के द्वारा निर्देशित पर लंगर optodes के साथ 'प्रतिभागियों के सिर पर रखा जाता है.

भाग 4: परीक्षण Optode ऐरे

Hitachi ETG-4000 GUI इंटरफ़ेस और जांच परीक्षण के लिए परिचय.
संकेत परीक्षण: एक बार optodes 'प्रतिभागियों के सिर पर रखा जाता है, संकेत गुणवत्ता का परीक्षण किया है. यदि एक optode एक स्पष्ट संकेत नहीं है, शोधकर्ताओं ने धीरे optode और खोपड़ी के कनेक्शन से बालों को हटाने. इस अवसर पर optodes के एक शराब झाड़ू के साथ साफ हो की आवश्यकता हो सकती है.

भाग 5: प्रयोग चल रहा है.

कम से कम दो प्रयोगकर्ताओं हमेशा कमरे में मौजूद होना चाहिए, एक देख fNIRS Hitachi ETG-4000 वास्तविक समय बाहर पढ़ने और अन्य प्रतिभागी देख. एक वीडियो कैमरा भागीदार पर ध्यान केंद्रित होने के बाद अस्थायी टिप्पणियों के लिए अत्यधिक की सिफारिश की है. FNIRS ETG 4000-Hitachi का एक लाभ यह है कि वीडियो और fNIRS संकेत के साथ synched और सह पंजीकृत हैं. सभी प्रासंगिक जानकारी और फ़ाइलों को उत्पन्न युक्त लॉग रखा है.
प्रयोगात्मक hemodynamic मानदंड इमारत की अच्छी तरह से स्थापित तरीके हैं, अर्थात् डिजाइन और घटना से संबंधित डिजाइन ब्लॉक. एक और अधिक पूर्ण विवरण के लिए हाल ही में की ^{समीक्षा} 31 कागज देखने के लिए कृपया .

भाग 6: विश्लेषण

एक बार डेटा के सभी एकत्र किया गया है, तो प्रतिभागी अपने समय और इच्छा भाग लेने के लिए धन्यवाद दिया है और प्रयोगशाला पत्ते. के रूप में विश्लेषण fNIRS ETG 4000-Hitachi पर नहीं किया जाता है, के रूप में, बजाय, एक विश्लेषण कंप्यूटर के लिए डेटा निर्यात कर रहे हैं.

ΜV से हीमोग्लोबिन सांद्रता के लिए रूपांतरण. के रूप में कच्चे क्षीणन मान लेजर ताकत का क्षीणन (के रूप μV में मापा) में एकत्र कर रहे हैं, इन मूल्यों oxygenated और deoxygenated हीमोग्लोबिन valu के लिए परिवर्तित किया जाना चाहिएतों. इस संशोधित समीकरण बीयर-Lambert का उपयोग किया जाता है.
संशोधित बीयर-Lambert के आवेदन दो चरणों में आयोजित किया जाता है. धारणा है कि बिखरने पथ लंबाई, पहली बार आधारभूत संकेत की गणना के लिए प्रत्येक तरंग दैर्ध्य (ΔA _(टी) λ) कार्य _(मैं काम) के दौरान प्रकाश की तीव्रता का ऑप्टिकल घनत्व की तुलना द्वारा परिकलित किया जाता है के लिए क्षीणन पर निरंतर है के तहत ( _{आधारभूत} मैं). प्रत्येक तरंग दैर्ध्य के लिए ΔA मान और नमूना समय बिंदु (टी) संशोधित समीकरण बीयर-Lambert को हल करने के लिए.
एक समीकरण 2 समीकरण

₁ λ ∈ _{डिओक्सी, 1} λ ∈ _{ऑक्सी, 2} λ ∈ _{डिओक्सी} और ₂ λ ∈ _{ऑक्सी} विलुप्त होने के गुणांक है कि प्रति इकाई ऊतकों में एकाग्रता दूरी के अवशोषण के लिए खो दिया प्रकाश के अंश को मापने के लिए स्थिरांक हैं. परिणामी सी _{डिओक्सी} और सी _{ऑक्सी} मूल्यों प्रत्येक टी के लिए deoxygenated और oxygenated हीमोग्लोबिन की सांद्रता रहे हैं.

भाग 7: प्रतिनिधि परिणाम

कई अलग विशेषताओं में विशिष्ट hemodynamic प्रतिक्रिया परिणाम. Oxy-हीमोग्लोबिन प्रतिक्रिया में, वहाँ पहले एक विशेषता डुबकी है. यह डुबकी होता है के रूप में न्यूरॉन्स की एक क्षेत्र सक्रिय है और उपलब्ध ऑक्सीजन depletes. के रूप में रक्त प्रवाह बढ़ता है, oxygenated हीमोग्लोबिन ले, ऑक्सी - हीमोग्लोबिन प्रतिक्रिया प्रारंभिक आधारभूत स्तर से ऊपर तेजी से एक स्थिर राज्य स्तर तक बढ़ जाता है. जब क्षेत्र अब सक्रिय नहीं किया जा रहा है, Oxy-हीमोग्लोबिन अगले 12-15 सेकंड से अधिक प्रतिक्रिया decays और आधारभूत स्तर को धीरे - धीरे वापस बूँदें. वहाँ कभी कभी एक undershoot है कि hemodynamic प्रारंभिक आधारभूत स्तर पर लौटने प्रतिक्रिया करने से पहले होता है.

बुरा परिणाम खोपड़ी या अत्यधिक आंदोलन पर ठीक से नहीं बैठा optodes के रूप में आम तौर पर कर रहे हैं. शोर के इन प्रकार कहा जाता है, 'Flatling' - संकेत के रूप में microvolt मूल्यों तर और विभिन्न चैनलों के एक नंबर, एक समन्वित फैशन में दोनों के ऑक्सी और डिओक्सी प्रतिक्रिया चाल में स्पष्ट कर रहे हैं.

प्रदर्शन: तंतु प्रकाशिकी हिलती.

सांख्यिकीय विश्लेषण: प्रत्येक चैनल के लिए निकाले ऑक्सी और डिओक्सी - हीमोग्लोबिन प्रत्येक भागीदार के लिए और प्रत्येक कार्य के लिए, मान तो पारंपरिक सांख्यिकीय विश्लेषण के लिए प्रस्तुत कर सकते हैं टी परीक्षण ANOVAs, सहसंबंध आदि सहित, हो

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Discussion

इस अध्ययन में, हम एक उपन्यास, गैर इनवेसिव fNIRS मस्तिष्क इमेजिंग तकनीक का उपयोग करने के लिए मानव अनुभूति और धारणा के संबंध में मानव मस्तिष्क समारोह की जांच का प्रदर्शन किया. fNIRS मस्तिष्क इमेजिंग विशेष रूप से शिशु और बाल आबादी है, कि एक दिन अनुसंधान प्रयोगशालाओं में व्यापक रूप से उपलब्ध हो सकता है 'चिकित्सकों कार्यालयों, और स्कूल प्रणाली में चिकित्सकों के बारे में बुनियादी वैज्ञानिक निष्कर्ष को लागू करने के लिए अनुमति के साथ गैर इनवेसिव मस्तिष्क इमेजिंग के भविष्य का प्रतिनिधित्व कर सकते उनके नैदानिक अभ्यास करने के लिए मस्तिष्क.

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Acknowledgments

यह काम गोद (पीआई) को अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था:

R21 HD50558 स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थान, 2005-07 से सम्मानित किया, राष्ट्रीय

स्वास्थ्य R01 HD045822 के संस्थान, 2004-09 से सम्मानित किया, दाना फाउंडेशन अनुदान,

अभिनव के लिए कनाडा फाउंडेशन ("CFI" अनुदान), सम्मानित किया, 2004-06 से सम्मानित किया

2008-2012, ओंटारियो रिसर्च फंड अनुदान, 2008-2012 से सम्मानित किया.

Materials

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

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References

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