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 som beskrivs här var att utveckla en fungerande protokoll att jämföra fMRI (funktionell magnetisk resonanstomografi) och fNIRS (funktionell nära infraröd spektroskopi) signaler i liknande multimodala uppgifter. Specifikt vi syftar till att utveckla en funktionell avbildning förfarande för användning med individer kontraindicerat för traditionella fMRI skannar på grund av tremor, dyskinesi eller flera implanterade enheter. Medan många effektiva utbildnings- och rehabiliteringsprogram finns för personer i riskzonen för att falla, det finns ingen bekräftelse på de neurala mekanismerna bakom effekten av dessa program. Ofta personer som deltar i dessa utbildningar är kontraindicerat av de skäl som nämns. Vår motivering för denna studie var att bestämma effekten av funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS) för att bestämma mönster av hjärnaktivitet i samband med en naturalistisk motor uppgift som involverar hela kroppsrörelser. Långsiktiga mål är bland annat utveckling av ett verktyg för att study inte bara motor lärande paradigm men också tjäna för att bekräfta lämpligheten fNIRS för ett bredare spektrum av uppgifter som inte är möjliga att genomföra i en naturalistisk sätt med traditionella metoder.
fNIRS aktivitet har tidigare visat sig vara starkt korrelerade (r = 0,77-0,94) för homologa regioner med fMRI BOLD (blod syrehalten beroende) signal inspelningar i begränsade studier som mätte samtidiga fNIRS och fMRI funktionell aktivitet med hjälp av klassiska psykologiska och enkel finger tapping paradigm 1-3. Resultaten av dessa studier bekräftar fNIRS är giltigt och tillförlitligt för att avgöra kortikal aktivitet i samband med en minskad uppgift miljö kompatibel med fMRI. Dock har fNIRS många fördelar jämfört med fMRI som neuroradiologiska metod. fNIRS, viktigare, är mycket mindre känsliga för rörelseartefakt än fMRI och tillåter individer att uppträda som de skulle i en naturalistisk miljö i motsats till fMRI studier som begränsar motor paradigms 4. Den tidsmässiga precision associerad med fNIRS möjliggör bestämning av förändringar i neurala svarsfunktioner med ökad granularitet på grund av den ökade samplingsfrekvensen. Slutligen är kostnaden för fNIRS lägre än fMRI scanning och möjliggör studier ska genomföras till en lägre kostnad. Men det finns nackdelar med fNIRS jämfört med fMRI inklusive begränsade inträngningsdjup, begränsad rumslig upplösning, och på senare tid har det visat sig att vissa fysiologiska fenomen som blodtryck, hjärtfrekvens och hårbotten blodflödeseffekter kan införa falska positiva till kortikal hemodynamiska signalen 5-9. Även om ett antal metoder och hårdvaruutvecklingen är specifika för NIRS, inklusive signalbehandling, hårdvara för att ge hög densitet optode gradienter utvecklas för närvarande, är det fortfarande viktigt att utveckla blandade metoder som gör att fMRI och fNIRS förfaranden för att komplettera varandra.
Denna studie tjänar till testeten metod för fNIRS för bestämning av neurala mekanismer som deltar under en naturalistisk dans videospel uppgift. Syftet med studien var att jämföra aktiviteten i en integrationscentrum i hjärnan (den överlägsna och mellersta temporal gyrus) mellan en grupp av individer avbildas med fMRI till en annan grupp av individer med hjälp av en naturalistisk version av uppgiften avbildas med fNIRS. Vår grupp har tidigare undersökt detta område genom att använda liknande interaktiva spel paradigm och har visat aktivitet i tinningloben svarar både oxygenater och de-oxyHb kromoforer i enlighet med kortikala aktiveringar 10. Vi har även tidigare försökt kontrollera för system artefakter tidigare genom att visa svar på detta område moduleras i amplitud med avseende på den kortikala belastningen på uppgiften och inte systemsvar i samband med själva aktiviteten 11. Den överlägsna och mellersta temporal gyrus har känt verksamhet i samband med integrationen av multimodala sensoriska stimuli och vi har tidigarevisas detta område att vara aktiva i Dance Dance Revolution (DDR) spel i pilot fMRI studier utöver våra fNIRS publikationer 10-12. Vår hypotes för den aktuella studien var att funktionell aktivitet i detta område som spelats in med fNIRS skulle signifikant korrelerade med funktionell aktivitet som spelats in med fMRI i en liknande men begränsad dans spel protokollet.
Protokollet som beskrivs här innefattar hur du ändrar en dans videospel som ska användas som en neuroradiologiska paradigm i både fNIRS och fMRI-protokoll. Men den totala förfarandet är inte specifik för paradigm för video spel och kan vara lämplig för ett obegränsat antal uppgifter som inte är möjliga att genomföra i de begränsningar som en fMRI-protokoll, inklusive språk- och rörelseuppgifter. Detta protokoll beskriver vidare förfarandet att använda anatomiska särdrag fMRI att utveckla specifika områden av intresse (ROI) som kan studeras vidare under verkliga verkliga uppgifter med fNIRS.
fNIRS är en funktionell hjärnavbildningsteknik som har löftet att tillåta studier av neurala korrelat av naturliga aktiviteter. Utveckling av dessa tekniker är en aktiv forskningsinriktning. Vi beskriva här en metod som har gällt under inspelning funktionell hjärnaktivitet i en enda region i intresset att delta i en dans videospel.
Antalet publikationer undersöker motorisk inlärning paradigm med fNIRS har ökat snabbt under de senaste åren med införandet av flerkanals fNIRS enheter från Hitachi och Shimadzu (liksom andra) kan registrera funktionella aktiviteter i flera områden av hjärnan samtidigt 20,21 . Vi har visat tidigare att det är möjligt att bestämma anatomiska specificitet fNIRS signaler samt för att använda signalerna för att avgöra hur variationer i tid och amplitud av signalerna bidrar till spatial förmåga av motoriska uppgifter <sup> 11. En ny specialutgåva av tidskriften Neuroimage fokuserade på aktuella tillämpningar av NIRS teknik och ingår ett antal studier som är specifika för motorisk inlärning 22. Även med denna snöbolls intresse för NIRS teknik, har få studier fokuserat på neurala mekanismer för naturalis beteenden validerats av fMRI. Även om denna speciella fråga och många andra publikationer 23-26 tydligt beskriva den framtida rollen för fNIRS studera motoriska beteenden, beskrivna protokollet här har utvecklats för att validera en enhetlig metod för att jämföra fMRI och fNIRS data från naturalis beteenden.
Resultaten indikerar en hög korrelation mellan grupper för fNIRS och fMRI-signaler i ett integrationsområdet i tinningloben och korrelationen mellan signalerna i linje med vad som visas tidigare i samtidiga fMRI / fNIRS studier 3. Figur 9 visar att fNIRS aktivitet i tinningloben är inte bara kortikala i naturen with differential oxi- och deoxyHb chromofore absorbans, men också att aktiviteten i tinningloben är helt annorlunda än den som ses i pannloben inte korrelerar med fMRI aktivitet i tinningloben. Vi betonar några viktiga aspekter av studien som gör att uppgifter kan jämföras mellan de två teknikerna. Först kalibreringen av optode platser som beskrivs som en nyckelstrategi för att bekräfta kortikala anatomi och tolkning av resultaten. Ändringarna vi gjort till mjukvara och hårdvara tillät oss att synkronisera vårt paradigm med ett block konstruktion protokoll optimerad för att ge starka kortikala svar i båda förfarandena. Vi beskriva också viktiga strategier för att säkerställa hög signal-brusförhållande (hårborttagning från optode yta) och minskning av artefakter inklusive rörelse och ansikts stimulering (försökspersoner särskilda instruktioner att inte röra huvudet eller i ansiktet).
Dessa resultat och resultaten från tidigare studier som undersöker samtidiga fNIRS / FMRI avbildningsförfaranden bekräftar en hög korrelation mellan signalerna som teoretiskt förutspådde 1-3. En begränsning till tolkningen av de data som presenteras här är att vi inte kunde använda nyare tekniker i optimering av NIRS inspelning som visar att det är möjligt att öka upplösningen av de individuella kanaldata med hjälp av hög täthet inspelningar. Denna höga densitet teknik har också använts för att separera ytliga komponenter från kortikala NIRS signaler 27 i tillägg till andra tekniker som tar bort artefakter från blodtryck, hjärtfrekvens och andra systemvariabler 6,7,28. Det har också visats att sondplacering och chromaphore val kan användas för att styra för falska positiva 29 och adaptiv filtrering av NIRS signaler kan användas effektivt i fallet med högt signalbrusförhållande. Den uppgift som vi har anställt här och tidigare användning av kommersiella NIRS system med paradigm presenteras i block konstruktion 10,11har producerat data med stora signaler och har inte krävt ytterligare analystekniker eller hårdvara för att visa likheter mellan signaler. Det är emellertid möjligt att de data som presenteras här skulle kunna förbättras ytterligare genom användningen av dessa och andra tekniker i NIRS signalbehandling.
Nuvarande metoder inom funktionell NIRS kommer inte att ersätta behovet av fMRI scanning; snarare, som vi föreslår här, de två avbildningsförfaranden (förutom EEG och andra) kan användas för att komplettera varandra. I fallet med en grupp av individer som är kontraindicerat för fMRI scanning kan fNIRS bevisa det enda hållbara teknik för att ta reda på fördelarna med ett utbildningsprogram såsom program faller riskförebyggande för personer med Parkinsons sjukdom. Vidare har fNIRS ett antal framtida riktningar som också kan användas för att lägga till information till den anatomiska detaljer som tillhandahålls genom MR-skanning. Hög densitet optode placering och ökade optodes kommer att ge högretemporal upplösning som kan användas för anslutning och komponentanalys princip samt ökad noggrannhet BOLD signal modellering.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning stöds delvis av följande finansieringskällor: JSPS Grant-i-Stöd för vetenskaplig forskning (C) 25.350.642 (AT), ett forskningsbidrag från Hayao Nakayama Foundation for Science & Technology och kultur (SS & YO), och en Hälsa Spel forskningsanslag från Robert Wood Johnson Foundation (Grant # 66.729) (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 |