We present a method to compare functional brain activity recorded during a naturalistic task using fNIRS with activity recorded during fMRI.
We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced version of the task using fMRI (functional magnetic resonance imaging). Recently, it has been shown that fNIRS can accurately record functional brain activities equivalent to those concurrently recorded with functional magnetic resonance imaging for classic psychophysical tasks and simple finger tapping paradigms. However, an often quoted benefit of fNIRS is that the technique allows for studying neural mechanisms of complex, naturalistic behaviors that are not possible using the constrained environment of fMRI. Our goal was to extend the findings of previous studies that have shown high correlation between concurrently recorded fNIRS and fMRI signals to compare neural recordings obtained in fMRI procedures to those separately obtained in naturalistic fNIRS experiments. Specifically, we developed a modified version of the dance video game Dance Dance Revolution (DDR) to be compatible with both fMRI and fNIRS imaging procedures. In this methodology we explain the modifications to the software and hardware for compatibility with each technique as well as the scanning and calibration procedures used to obtain representative results. The results of the study show a task-related increase in oxyhemoglobin in both modalities and demonstrate that it is possible to replicate the findings of fMRI using fNIRS in a naturalistic task. This technique represents a methodology to compare fMRI imaging paradigms which utilize a reduced-world environment to fNIRS in closer approximation to naturalistic, full-body activities and behaviors. Further development of this technique may apply to neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease, late states of dementia, or those with magnetic susceptibility which are contraindicated for fMRI scanning.
Målet med de metoder, der er beskrevet her var at udvikle en arbejdsgruppe protokol at sammenligne fMRI (funktionel magnetisk resonans) og fNIRS (funktionel nær-infrarød spektroskopi) signaler i lignende multimodale opgaver. Konkret vi havde til formål at udvikle en funktionel procedure for brug med enkeltpersoner kontraindiceret til traditionelle fMRI scanninger grundet tremor, dyskinesi, eller flere implanterede enheder billeddannelse. Mens mange effektive uddannelses- og rehabiliteringsprogrammer af personer med risiko for at falde, er der ingen bekræftelse af de neurale mekanismer bag effekten af disse programmer. Ofte personer, der deltager i disse uddannelsesprogrammer er kontraindiceret for de nævnte grunde. Vores begrundelse for denne undersøgelse var at fastlægge effekten af funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) at bestemme mønstre af hjernens aktivitet forbundet med en naturalistisk motor opgave, der involverer hele kroppen bevægelser. Langsigtede mål omfatter udvikling af et værktøj til at study ikke kun motor learning paradigmer, men også tjene til at bekræfte det hensigtsmæssige i fNIRS for en bredere vifte af opgaver, der ikke er muligt at udføre i en naturalistisk måde ved hjælp af traditionelle metoder.
har tidligere vist fNIRS aktivitet at være stærkt korreleret (r = 0,77-0,94) for homologe regioner med fMRI BOLD (blod ilt niveau afhængige) signal optagelser i begrænsede undersøgelser, som målte samtidige fNIRS og fMRI funktionel aktivitet ved hjælp af klassiske psykologiske og enkel finger trykke paradigmer 1-3. Resultaterne af disse undersøgelser bekræfter fNIRS er gyldig og pålidelig at bestemme kortikale aktivitet forbundet med en reduceret miljømæssig opgave kompatibel med fMRI. Men fNIRS har talrige fordele i forhold fMRI som Neuroimaging metode. fNIRS, vigtigere, er meget mindre følsom over for bevægelsesartefakt end fMRI og tillader individer til at opføre sig, som de ville i et naturalistisk miljø i modsætning til fMRI undersøgelser, der begrænser motorens paradigms 4. Den tidsmæssige nøjagtighed i forbindelse med fNIRS muliggør bestemmelse af ændringer i neurale respons funktioner med øget granularitet på grund af den øgede frekvens prøvetagning. Endelig er prisen på fNIRS er lavere end fMRI-scanning og giver mulighed for undersøgelser, der gennemføres på mindre omkostninger. Der er dog ulemper ved fNIRS sammenlignet med fMRI herunder begrænset indtrængningsdybde, begrænset rumlig opløsning, og for nylig er det blevet vist, at visse fysiologiske fænomener såsom blodtryk, puls og hovedbund blodgennemstrømningen effekter kan indføre falske positive kortikal hæmodynamiske signal 5-9. Mens en række metoder og hardware specifikt sigte på NIRS, herunder signalbehandling, hardware til at levere high-density optode gradienter i øjeblikket er under udvikling, er det stadig vigtigt at udvikle blandede metoder, der tillader fMRI og fNIRS procedurer til at supplere hinanden.
Denne undersøgelse tjener til at testeen metode fNIRS til bestemmelse neurale mekanismer involveret i en naturalistisk dans videospil opgave. Formålet med undersøgelsen var at sammenligne aktivitet i en integration midten af hjernen (den overlegne og midterste tidsmæssig gyrus) mellem en gruppe af individer filmede med fMRI til en anden gruppe af individer under anvendelse af en naturalistisk udgave af opgaven filmede med fNIRS. Vores gruppe har tidligere undersøgt dette område ved hjælp af lignende interaktiv spil paradigmer og har vist aktivitet i tindingelappen reagerer på både oxy- og de-oxyHb kromoforer efter kortikale aktiveringer 10. Vi har også tidligere forsøgt at kontrollere for systemiske artefakter tidligere ved at vise responser på dette område er moduleret i amplitude i forhold til den kortikale belastning af opgaven og ikke systemiske reaktioner i forbindelse med aktiviteten selv 11. Den overlegne og midterste tidsmæssige gyrus har kendt aktivitet forbundet med integration af multimodale sensoriske stimuli, og vi har tidligerevist dette område at være aktiv i Dance Dance Revolution (DDR) spil i pilot fMRI studier i tillæg til vores fNIRS publikationer 10-12. Vores hypotese for den aktuelle undersøgelse var, at funktionelle aktivitet på dette område som er optaget ved hjælp af fNIRS ville blive betydeligt korreleret med funktionel aktivitet registreret bruger fMRI i en lignende, men begrænset dans spil protokol.
Den her beskrevne protokol omfatter hvordan man kan ændre en dans videospil, der skal bruges som en neuroimaging paradigme i både fNIRS og fMRI-protokoller. Men den overordnede procedure er ikke specifik for paradigme video spil og kunne være passende for enhver række opgaver, som ikke er muligt at udføre i de begrænsninger af en fMRI-protokol, herunder sprog og lokomotoriske opgaver. Denne protokol yderligere skitserer proceduren for at bruge den anatomiske specificitet fMRI til at udvikle specifikke områder af interesse (ROI), som kan undersøges nærmere under virkelige virkelige verden opgaver ved hjælp fNIRS.
fNIRS er en funktionel hjerne billedteknik, som har løftet om at tillade undersøgelse af de neurale korrelater af naturlige aktiviteter. Udvikling af disse teknikker er en aktiv forskning retning. Vi skitserer her en metode, der har været effektiv til optagelse funktionel hjerneaktivitet i en enkelt region af interesse i forbindelse med deltagelse i en dans videospil.
Antallet af publikationer, der undersøger motoriske læring paradigmer med fNIRS er steget kraftigt i de seneste år med indførelsen af multi-kanal fNIRS enheder fra Hitachi og Shimadzu (samt andre) kan optage funktionelle aktiviteter i flere områder af hjernen samtidigt 20,21 . Vi har tidligere vist, at det er muligt at bestemme anatomisk specificitet fNIRS signaler samt at anvende de signaler for at bestemme, hvordan variationer i timing og amplitude af signalerne bidrage til adfærdsmæssige udførelse af motoriske opgaver <sup> 11. En nylig særnummer af tidsskriftet NeuroImage fokuseret på aktuelle anvendelser af NIRS teknologi og omfattede en række undersøgelser er specifikke for motorisk læring 22. Selv med denne snowballing interesse i NIRS teknologi, har få studier fokuseret på neurale mekanismer naturalistiske adfærd valideret af fMRI. Mens dette særnummer og mange andre publikationer 23-26 klart skitsere fremtidige rolle fNIRS i at studere motoriske adfærd, beskrevet protokollen her blev udviklet til at validere en ensartet metode til at sammenligne fMRI og fNIRS data fra naturalistiske adfærd.
Resultaterne indikerer en høj korrelation mellem grupper for fNIRS og fMRI signaler i en integration område af tidsmæssige lap og sammenhængen mellem de signaler er på linje med der er vist før i samtidige fMRI / fNIRS undersøgelser 3. Figur 9 viser, at fNIRS aktivitet i tindingelappen er ikke kun kortikale i naturen Vidh differential oxy- og deoxyHb chromofore absorbans, men også, at aktiviteten i den tidsmæssige lap er helt forskellig fra den, der ses i frontallappen ikke korrelerer med fMRI aktivitet i tindingelappen. Vi understreger et par kritiske aspekter af undersøgelsen, der tillader data, der skal sammenlignes mellem de to teknikker. Først blev kalibrering af optode steder skitseret som en central strategi i bekræftelse kortikal anatomi og fortolkning af resultaterne. Ændringerne vi gjort til software og hardware tillod os at synkronisere vores paradigme med en blok design protokol optimeret til at give stærke kortikale svar i begge procedurer. Vi har også skitsere centrale strategier for at sikre højt signal støjforhold (hårfjerning fra optode overflade) og reduktion af artefakter, herunder bevægelse og i ansigtet stimulation (forsøgspersoner blev specifikt instrueret om ikke at røre ved deres hoved eller ansigt) til.
Disse resultater og resultaterne af tidligere undersøgelser, der undersøger samtidige fNIRS / FMRI billeddiagnostiske procedurer bekræfte en høj korrelation mellem de signaler, som teoretisk forudsagt 1-3. En begrænsning til fortolkningen af de data, der præsenteres her, er, at vi ikke har kunnet udnytte nyere teknikker i optimering af NIRS optagelse, der viser, at det er muligt at øge opløsningen af de enkelte kanal data ved hjælp af høj densitet optagelser. Denne høj densitet teknik er også blevet anvendt til at adskille overfladiske komponenter fra den kortikale NIRS signalerer 27 foruden andre teknikker, der fjerner artefakter fra blodtryk, puls og andre systemiske variabler 6,7,28. Det er også blevet vist, at sonden placering og chromaphore valg kan anvendes til at kontrollere for falske positive 29 og adaptiv filtrering af NIRS signaler kan anvendes effektivt i tilfælde af høje signal-støj-forholdet. Den opgave, vi har ansat her og tidligere brug af kommercielle NIRS systemer med paradigmer præsenteret i blok design 10,11har produceret data med store signaler, og har ikke behov for yderligere teknikker eller hardware analyse at vise ligheder mellem signaler. Det er dog muligt, at de præsenterede data kan forbedres yderligere ved brug af disse og andre teknikker i NIRS signalbehandling.
Aktuelle metoder i funktionel NIRS vil ikke erstatte behovet for fMRI scanning; snarere, som vi foreslår her, de to billeddannende procedurer (ud over EEG og andre) kan bruges til at supplere hinanden. I tilfælde af en gruppe af personer, der er kontraindiceret til fMRI-scanning, kan fNIRS bevise eneste levedygtige teknik til at fastslå fordelene ved et træningsprogram såsom forebyggelsesprogrammer fall risiko for personer med Parkinsons sygdom. Endvidere fNIRS har en række fremtidige retninger, der også kan bruges til at tilføje oplysninger til den anatomiske detaljer leveres gennem MR-scanning. High density optode placering og øget optodes vil give højeretidsmæssige opløsning, der kan bruges til tilslutning og princippet komponent analyse samt øget nøjagtighed BOLD signal modellering.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev delvist understøttet af de følgende finansieringskilder: JSP'er Grant-in-Aid for Videnskabelig Forskning (C) 25350642 (AT), en forskningsbevilling fra Hayao Nakayama Foundation for Science & Technology og kultur (SS & YO), og en Sundhed Games Research tilskud fra Robert Wood Johnson Foundation (Grant # 66729) (SB & JAN).
Equipment | |||
Shimadzu OMM-3000 | http://www.shimadzu.com/an/lifescience/imaging/nirs/nirs_top.html; The OMM-3000 used in this study has been replaced by the LABNIRS | ||
Polhemus Patriot 3D Digitizer | http://polhemus.com/motion-tracking/all-trackers/patriot/ | ||
GE Twin-Speed 1.5T MRI scanner | http://www3.gehealthcare.com/en/Products/Categories/Magnetic_Resonance_Imaging; The Twin-Speed 1.5T scanner has been retired. A number of new scanners are available to replicate this procedure | ||
Software | |||
Stepmania | http://www.stepmania.com/ | ||
Matlab | http://www.mathworks.com/ | ||
NIRS-SPM | http://bisp.kaist.ac.kr/NIRS-SPM.html | ||
WFU Pick Atlas | http://fmri.wfubmc.edu/software/PickAtlas |