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 metodene beskrevet her var å utvikle en fungerende protokoll for å sammenligne fMRI (funksjonell magnetisk resonans imaging) og fNIRS (funksjonell nær-infrarød spektroskopi) signaler i lignende multimodale oppgaver. Spesielt vi som mål å utvikle en funksjonell avbildning prosedyre for bruk med enkeltpersoner kontraindisert for tradisjonelle fMRI skanninger grunn av skjelvinger, dyskinesi, eller flere implanterte enheter. Mens mange effektiv trening og rehabiliteringsprogram finnes for personer med risiko for å falle, er det ingen bekreftelse av neural mekanismene bak effekten av disse programmer. Ofte enkeltpersoner som deltar i disse opplæringsprogrammer er kontraindisert av grunner nevnt. Årsaken til denne studien var å bestemme effekten av funksjonelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) for å bestemme mønstre av hjerneaktivitet assosiert med en natur motor oppgave som omfatter hele kroppens bevegelser. Langsiktig mål er blant annet utvikling av et verktøy for å study ikke bare motorisk læring paradigmer, men også tjene til å bekrefte hensiktsmessigheten av fNIRS for et bredere spekter av oppgaver som ikke er mulig å utføre i et naturalistisk måte ved hjelp av tradisjonelle metoder.
fNIRS aktivitet har tidligere vist seg å være sterkt korrelert (r = 0,77 til 0,94) for homologe områder med fMRI BOLD (blod oksygen nivå avhengige) signal opptak i begrenset studier som målte samtidige fNIRS og fMRI funksjonell aktivitet ved hjelp av klassiske psykologiske og enkel finger peke paradigmer 1. 3. Resultatene av disse studiene bekrefter fNIRS er gyldig og pålitelig å bestemme kortikal aktivitet forbundet med en redusert miljø oppgave er kompatibel med fmri. Imidlertid har fNIRS mange fordeler fremfor fMRI som neuroimaging metode. fNIRS, viktigst, er mye mindre følsom for bevegelse artefakt enn fMRI og lar fag for å oppføre seg som de ville i en naturalistisk miljø i motsetning til fMRI studier som begrenser motor paradigms 4. Tinning nøyaktighet forbundet med fNIRS åpner for fastsettelse av endringer i nevrale responsfunksjoner med økt detaljnivå på grunn av den økte samplingfrekvens. Til slutt, kostnaden for fNIRS er lavere enn fMRI skanning og gir mulighet for studier skal gjennomføres med lavere kostnader. Det finnes imidlertid ulemper ved fNIRS forhold til fmri herunder begrenset inntrengningsdybde, begrenset romlig oppløsning, og mer nylig har det blitt vist at visse fysiologiske fenomener som blodtrykk, puls, og hodebunn blodstrøm effekter kan innføre falske positiver til kortikale hemodynamisk signal 5-9. Mens en rekke metoder og maskinvare utvikling spesifikke for NIRS, inkludert signalbehandling, maskinvare for å gi høy tetthet optode gradienter er under utvikling, er det likevel viktig å utvikle blandede metoder som gjør at fMRI og fNIRS prosedyrer for å utfylle hverandre.
Denne studien bidrar til å testeen metode for fNIRS for å bestemme nevrale mekanismer som driver under en naturalistisk dans videospill oppgave. Målet med studien var å sammenligne aktivitet i en integrering sentrum av hjernen (den overlegne og midtre temporal gyrus) mellom en gruppe individer avbildes med fMRI til en annen gruppe av emner ved hjelp av en naturalistisk versjon av oppgaven avbildes med fNIRS. Vår gruppe har tidligere undersøkt dette området med lignende interaktive spill paradigmer og har vist aktivitet i tinninglappen reagerer på både oksy- og de-oxyHb kromoforer i samsvar med kortikale aktive 10. Vi har også tidligere forsøkt å kontrollere for systemiske gjenstander som tidligere ved å vise respons på dette området er modulert i amplitude med hensyn til det kortikale belastningen av oppgaven og ikke systemiske responser relatert til selve aktiviteten 11. Den overlegne og midtre temp gyrus har kjent aktivitet forbundet med integrering av multimodale sensoriske stimuli, og vi har tidligerevist dette området til å være aktiv i Dance Dance Revolution (DDR) spill i pilot fMRI studier i tillegg til våre fNIRS publikasjoner 10-12. Vår hypotese for den aktuelle studien var at funksjonell aktivitet i dette området som registrert bruker fNIRS ville bli betydelig korrelert med funksjonell aktivitet registreres ved hjelp av fMRI i en lignende, men begrenset dansespillet protokollen.
Protokollen er beskrevet her inkluderer hvordan du endrer en dans videospill som skal brukes som en neuroimaging paradigme i begge fNIRS og fMRI-protokoller. Men den generelle prosedyren er ikke spesifikke for paradigmet av video spillet og kunne være hensiktsmessig for en rekke oppgaver som ikke er mulig å utføre i rammen av en fMRI-protokollen, inkludert oppgaver språk og lokomotoriske. Denne protokollen beskriver videre fremgangsmåten for å bruke anatomisk spesifisitet av fMRI til å utvikle spesifikke regioner av interesse (ROI) som kan bli ytterligere undersøkt under real-reelle oppgaver ved hjelp fNIRS.
fNIRS er en funksjonell hjerneavbildningsteknikk som har løftet om at studiet av de nevrale korrelater av naturlige aktiviteter. Utvikling av disse teknikkene er en aktiv forskning retning. Vi her skissere en metodikk som har vært effektiv for innspilling funksjonell hjerneaktiviteten i ett område av interesse i forbindelse med deltakelse i en dans videospill.
Antall publikasjoner undersøker motorisk læring paradigmer med fNIRS har økt raskt de siste årene med innføringen av flerkanals fNIRS enheter fra Hitachi og Shimadzu (samt andre) kan ta opp funksjonelle aktiviteter i flere regioner av hjernen samtidig 20,21 . Vi har tidligere vist at det er mulig å bestemme spesifisiteten av anatomiske fNIRS signaler, så vel som å benytte signalene for å bestemme hvordan variasjoner i timing og amplituden av de signaler som bidrar til atferdsmessige utførelsen av motoriske oppgaver <sup> 11. En fersk spesialutgave av tidsskriftet Neuroimage fokusert på aktuelle anvendelser av NIRS teknologi og inkluderte en rekke studier som er spesifikke for motorisk læring 22. Selv med denne snøballkasting interesse NIRS teknologi, har få studier fokusert på nevrale mekanismer for naturalis atferd validert av fMRI. Selv om denne spesielle saken og en rekke andre publikasjoner 23-26 tydelig skissere fremtidige rolle fNIRS i å studere motoriske atferd, beskrev protokollen her ble utviklet for å validere en enhetlig metodikk for å sammenligne fMRI og fNIRS data fra naturalis atferd.
Resultatene indikerer en høy korrelasjon mellom grupper for fNIRS og fMRI-signaler i en integrering område av tinninglappen og korrelasjonen mellom signalene er i tråd med det som er vist før i samtidige fMRI / fNIRS studier 3. Figur 9 viser at fNIRS aktivitet i tinninglappen er ikke bare kortikal i naturen viddh differensial oksy- og deoxyHb chromofore absorbans, men også at aktiviteten i tinninglappen er ganske forskjellig fra det man ser i frontallappen ikke korrelerer med fMRI aktivitet i tinninglappen. Vi understreker noen viktige aspekter av studien som tillater data å bli sammenlignet mellom de to teknikker. Først ble kalibrering av optode stedene beskrevet som en viktig strategi i bekrefter kortikal anatomi og tolkning av resultatene. Endringene vi har gjort til programvare og maskinvare tillatt oss å synkronisere vår paradigme med en blokkdesign protokoll optimalisert for å gi sterke kortikale reaksjoner i begge prosedyrer. Vi har også skissere viktige strategier for å sikre høy signal til støyforhold (hårfjerning fra optode overflate) og reduksjon av gjenstander inkludert bevegelse og ansikts stimulering (forsøkspersonene ble spesifikt bedt om ikke å røre hodet eller ansiktet).
Disse resultater og resultater fra tidligere studier som undersøker samtidige fNIRS / FMRI bildebehandling prosedyrer bekrefte en høy korrelasjon mellom signalene som teoretisk spådd 1-3. En begrensning til tolkningen av dataene som presenteres her er at vi ikke var i stand til å utnytte nyere teknikker i optimalisering av NIRS opptak som viser det er mulig å øke oppløsningen av de enkelte kanal data ved hjelp av høy tetthet opptak. Denne høye tetthet teknikken har også blitt anvendt for å separere komponenter fra overflatiske kortikale NIRS signaler 27 i tillegg til andre teknikker som fjerner gjenstander fra blodtrykk, hjertefrekvens og andre systemiske variabler 6,7,28. Det er også blitt vist at sonden plassering og chromaphore valg kan brukes til å kontrollere for falske positive 29 og adaptiv filtrering av NIRS signaler kan brukes effektivt i tilfelle av høyt signal til støyforhold. Oppgaven som vi har ansatt her og tidligere bruk av kommersielle NIRS systemer med paradigmer presentert i blokkdesign 10,11har produsert data med store signaler og har ikke pålagt ytterligere analyseteknikker eller maskinvare for å vise likheter mellom signaler. Imidlertid er det mulig at data presentert her kan forbedres ytterligere ved bruk av disse og andre teknikker i NIRS signalbehandling.
Nåværende metoder i funksjonell NIRS vil ikke erstatte behovet for fMRI skanning; heller, som vi foreslår her, de to avbildningsprosedyrer (i tillegg til EEG og andre) kan anvendes for å komplettere hverandre. I tilfelle av en gruppe individer som er kontraindisert for fMRI skanning, kan fNIRS bevise den eneste levedyktige teknikk for å fastslå nytten av et opplæringsprogram for eksempel programmer fall risikoforebyggende for personer med Parkinsons sykdom. Videre har fNIRS en rekke fremtidige retninger som også kan brukes til å legge til informasjon i den anatomiske detaljer som er levert gjennom MR-skanning. Høy tetthet optode plassering og økte optodes vil gi høyeretidsmessig oppløsning som kan brukes for tilkobling og prinsippet komponentanalyse samt økt nøyaktighet BOLD signal modellering.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet delvis av følgende finansieringskilder: JSP Grant-in-Aid for Scientific Research (C) 25350642 (AT), et forskningsstipend fra Hayao Nakayama Foundation for Science & Technology and Culture (SS & YO), og en Helse Games Forskning stipend 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 |