Monitoring hjärnans aktivitet utanför labbet utan fysiska begränsningar presenteras metodologiska utmaningar. En fiberfria, var wearable funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) som används för att mäta hjärnaktivitet under en ekologisk prospektivt minne uppgift. Det visades att detta system skulle kunna användas för att övervaka hjärnaktivitet under icke-lab baserade experiment.
Funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) är en neuroimaging teknik som använder nära infrarött ljus för att övervaka hjärnaktivitet. Baserat på neurovaskulära koppling, är fNIRS kan mäta hemoglobinkoncentrationen ändrar sekundärt till nervaktivitet. Jämfört med andra neuroimaging tekniker, fNIRS representerar en bra kompromiss i termer av rumslig och temporal upplösning. Dessutom är det bärbart, lätt, mindre känslig för rörelseartefakter och inte införa betydande fysiska begränsningar. Det är därför lämpligt att övervaka ett brett spektrum av kognitiva uppgifter (t.ex. auditiv, gånganalys, social interaktion) och olika ålderspopulationer (t.ex. nyfödda, vuxna, äldre personer). Den senaste utvecklingen av fiberfria fNIRS enheter har banat väg för nya tillämpningar inom neurovetenskaplig forskning. Detta är en unik möjlighet att studera funktionell aktivitet under verkliga tester, som kan vara mer känsliga och exakt i rövenEssing kognitiv funktion och dysfunktion än lab-baserade test. Denna studie undersökte användningen av fiberfria fNIRS att övervaka hjärnans aktivitet under en verklig prospektivt minne uppgift. Detta protokoll utförs utanför förändringar labbet och hjärnan hemoglobinkoncentration mäts kontinuerligt över prefrontala cortex medan motivet går runt för att utföra flera olika uppgifter.
Abnormitet i funktion inom prefrontala cortex, och särskilt de mest främre kapitel (rostral prefrontala cortex, eller BA10) är vanlig i en rad utvecklings, psykiatriska och neurologiska tillstånd. Det orsakar markerade störningar i problemlösning, minne och uppmärksamhetsförmåga i vardagslivet som är mycket handikappande 1,2. Men dessa typer av problem är svåra att diagnostisera i labbet eller klinik. Detta beror på att de mentala processer som BA 10 stöder är involverade i hanteringen av nya, öppna ändar situationer där beteende är självinitierad 3. Sådana situationer är svåra att återskapa framgångsrikt i labbet, eftersom formella, konstgjorda och tätt begränsad situation deltagaren möter typiskt i labbet kan ändra sitt beteende och det sätt som de närmar sig uppgiften. Detta kan avsevärt minska giltigheten av mätningen för antingen kliniska eller forskningsändamål, med en stor risk för underdiagnostik 4 </ sup>. En av de kognitiva förmågor som stöds av frontalloberna där det är mest uppenbara är prospektivt minne (dvs förmågan att komma ihåg att genomföra en framtida åtgärder), där det länge varit känt att det kan finnas betydande oenighet mellan mätningar i vardagen liv och labbet 5. Dessa metodfrågor kan i stor utsträckning kringgås om forskare och kliniker undersöker prefrontala cortex funktion, däribland blivande minne, skulle kunna göra det genom att ta sina mätningar i "verkliga" situationer.
Även neuroradiologiska tekniker utgör ett kraftfullt verktyg för att undersöka hjärnans funktion i en icke-invasiv och objektivt sätt, de flesta av dessa tekniker införa fysiska begränsningar i ämnet, och är därför inte lämpliga för användning i vardagliga miljöer livs (t ex., Funktionell magnetresonanstomografi ( fMRI), magnetencefalografi (MEG), positronemissionstomografi (PET)). Med tanke på behovet av att förafunktionella avbildningsinstrument utanför labbet och med tanke på den senaste tekniska förbättringar, bärbara och bärbara elektroencefalografi (EEG) och funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS) system har utvecklats 6-11. En av de stora fördelarna med fNIRS över EEG är dess högre spatial upplösning. Dessutom är det mindre känsligt för rörelseartefakter, blinkande och ögonrörelser 12. Bärbara fNIRS är därmed bättre lämpad för användning i det dagliga livet sammanhang, eftersom det innebär färre fysiska begränsningar än EEG och tillåter fri rörlighet på ett mer naturlig miljö.
fNIRS bestrålar icke-invasivt i huvudet med nära-infrarött ljus (650-900 nm). Eftersom den biologiska vävnaden är relativt transparent i det våglängdsområde, kan ljuset nå hjärnan och få absorberas av hemoglobin. fNIRS mäter således koncentrationsförändringar både oxihemoglobin (HbO 2) och deoxihemoglobin (HHB) ger information av syresättning och hemodynamisk chanGES associerade med hjärnan. Närmare bestämt är hjärna funktionell aktivering definieras som ett samtidigt ökning av HbO 2 och en minskning i HHB 13. Emellertid inträngningsdjupet av ljuset medför att signalen endast kan utvinnas från den kortikala ytan. Som ljus är mycket sprids i vävnad, är det inte möjligt att få mycket spatialt strukturell information om hjärnan 14. Konventionella fNIRS system använder optiska fibrer kopplade till huvudet för att styra ljuset genom hårbotten och för att samla in återspridda ljuset. Även om dessa instrument är kompakta, bärbara och lämpar sig väl för laboratoriemiljö, optiska fibrer buntar och deras vikt begränsa rörelser deltagaren och, om inte väl stabiliserats, deras förskjutningar leder till rörelseartefakt föroreningar 7. Den nya generationen av miniatyriserade och fiberfria fNIRS system ger möjlighet att utforska hjärnaktivitet i realistiska situationer på fritt rörliga deltagares och utan större fysiska begränsningar. Realistiska situationer är särskilt värdefulla när utforska mänskliga exekutiva funktioner och fiberfria fNIRS system kan ge en unik inblick i mänskliga hjärnfunktioner. De första fiberfria system var utrustade endast med ett litet antal kanaler (t.ex.., Enda kanal 15 och 2 kanaler 16) begränsar utredningen små områden. På senare tid har flerkanaliga trådlösa och bärbara fNIRS anordningar utvecklats 6,7, 17-20 ger möjlighet att övervaka större delar av huvudet på fritt rörliga deltagare.
I denna studie var en ny flerkanalig bärbar och fiberfria fNIRS som används för att övervaka och kartlägga prefrontala cortex aktivitet under en verklig prospektivt minne (PM) uppgift. Det fNIRS Systemet är i första hand består av en flexibel sond enhet (headset) som täcker både dorsolaterala och rostralt prefrontala cortex (Figur 1),vilken är ansluten till en behandlingsenhet (bärbar låda) som bärs på deltagarens midja (figur 1D). Headsetet består av 6 ytemitterande laserdioder med två våglängder (705 nm och 830 nm) och 6 kiselfotodioder. Frånvaron av optiska fibrer reducerar vikten och bulken av sonden, som är mer bekväm och robust mot rörelseartefakter. De optodes är arrangerade på ett alternerande geometri (figur 1A) med en inter-optode separation av 3 cm, vilket skapar 16 källa-detektor kombinationer (t.ex.., 16 mätkanaler) 6. För att skydda headsetet från den omgivande ljuset är en skuggning lock tillhandahålls (Figur 1D).
Syftet med denna studie var att undersöka prefrontala cortex funktion under en prospektiv minnes uppgift i den verkliga världen. Under blivande minnesuppgifter, är deltagarna uppmanas att komma ihåg att svara på ett sällan kö (t.ex.., En bekantansikte eller en parkeringsautomat) medan du utför en annan krävande uppgift som kallas en "pågående arbete". I två olika block av uppgiften, de sociala blivande minnes ledtrådar (en person) i kontrast till icke-sociala blivande minnes ledtrådar (en parkeringsplats meter). Denna kontrast valdes eftersom det är en stor skillnad mellan olika typer av kö i händelsebaserad prospektiv minnesuppgifter och så den experimentella paradigm kan hållas nära en "verkliga livet" situation 21. Medan BA 10 är känd för att vara känslig för behandling av social kontra icke-social information i vissa situationer (t ex., Gilbert et al., 2007 22), tyder de senaste bevis för att hemodynamiska förändringar i BA 10 relaterade till blivande minnes uppgifter är relativt okänsliga till CUE skillnader (se Burgess et al., 2011 23 för granskning). Således är det en öppen fråga om social kontra icke-sociala signaler påverkar BA 10 aktivitet inom ramen för en blivande minne paradigm.
Målet med denna studie är att utvärdera möjligheten att använda fNIRS för att övervaka prefrontala cortex hemodynamiska och syresättning förändringar inducerade av en verklig kognitiv uppgift. Här rapporterar vi en enda fallstudie (en frisk vuxen deltagare, 24 år gammal) på användningen av fNIRS enhet under en prospektiv minnesuppgift, som genomfördes utanför i en typisk gata i London plats och härma krav i vardagen. I synnerhet om det kan spelas in hemodynamiska förändringar som svar på sociala och icke-sociala PM ledtrådar utreds.
Syftet med denna studie var att utvärdera den potentiella användningen av bärbara och fiberfria fNIRS att övervaka hjärnans hemodynamiska och syresättning förändringar i samband med hjärnans nervaktivitet under verkliga situationer. En bärbar och fiberfria flerkana fNIRS systemet användes för att mäta hjärnaktivitet under prefrontala cortex under en blivande minne uppgift som utförs utanför labbet. Fallstudien redovisas här undersökte om förändringar i hjärnan i HbO 2 och HHB på en fritt rörliga deltagare som svar på sociala och icke-sociala PM ledtrådar i ett experiment utanför laboratoriet kan övervakas kontinuerligt och robust.
Användningen av fNIRS på fritt rörliga deltagare i livsbaserade experiment är en utmanande situation. I själva verket kan huvudrörelser orsaka sondförskjutningar med åtföljande rörelseartefakter som korrupta den optiska identifiering av hjärnans aktivitet 36. Dessutom, optiska sensorer är känsliga för ströljus (t.ex.., solljus när experiment utförs utanför), skapa ytterligare brus i fNIRS signaler. Det rapporterade fallstudien ger en preliminär demonstration av genomförbarheten av fNIRS systemet i sådana verkliga applikationer. Frånvaron av optiska fibrer i sådana anordningar förhindrar optisk koppling mellan hårbotten och optodes vilket resulterar i mer robusta mätningar mot rörelseartefakter. Dessutom säkerställer skuggning locket en bra avskärmning från ströljus som undviker detektorer mättnad och låg signal-brusförhållande (SNR). Dessutom har ökningar i HbO 2 och minskning i HHB koncentrationer hittades i överensstämmelse med sociala och icke-sociala PM hits (Figur 3D-E) 11, 37 ytterligare stödja dess genomförbarhet. För att kunna bedöma om de hemodynamiska trender som observerats i figur 3D-E är statistiskt signifikanta och lokalisera aktiverade regioner i prefrontala cortex (Figur 5, Video 1, Video 2, figur 6, figur 7), är gruppnivå analyser som krävs. För att göra slutledning och identifiera funktionellt specialiserade prefrontala cortex områdena 38, 39, kommer framtida verk presentera gruppdata och statistiska analyser baserade på statistiska Parametrisk Mapping (SPM) med en General Linear Model (GLM) tillvägagångssätt.
Även om resultaten måste betraktas som preliminära, har det visat sig att fiberfria fNIRS effektivt kan föras utanför de traditionella labbinställningar och används för realtidsövervakning av hjärnaktivitet. Detta öppnar upp nya vägar för neurologiska och neurovetenskaplig forskning. Det finns åtminstone två tydliga områden för tillämpning i detta avseende. Den första gäller ekologisk validitet. Kognitiv neurovetenskap forskare undersöker mönster av hjärnaktivitet medan människor utför kognitiva uppgifter (med t.ex.., Beroende tecken blodsyrenivånal förändring som en proxy i funktionell MRI) för att försöka ta reda på hur hjärnan stödjer våra mentala förmågor. I vissa fall är det möjligt att skapa experimentella situationer i skannern som matchar mycket noga situationen i vardagen där processen av intresse användas. Betrakta, till exempel, läser. Läsa ord på en display under ett magnetkamera sannolikt gör sådana liknande krav på att läsa ord i en bok när du är hemma att det är nästan för givet att resultaten erfarenheter som samlats i skannern kan hjälpa till att förklara hur hjärnan genomför behandlingen i vardagen. Men för många former av mänskligt beteende och kognition, är detta antagande mer prekär. Till exempel kan de kognitiva processer som en deltagare använder när en social situation presenteras i en magnetkamera (där deltagaren är orörliga, på egen hand, och i en mycket främmande och hårt kontrollerad miljö) mycket väl vara annorlunda i viktiga när det gäller de engagerad när deltagaren är socialising i verkliga livet 40. Detta är särskilt viktigt i sociala neurovetenskap där undersökning av neuronala korrelat av mellanmänskliga dynamiken (benämnd hyperscanning, för granskning se Babiloni och Astolfi 2014 41) kräver en mer naturalistisk miljö. NIRS-baserade hyperscanning 42, kan 43 sålunda representera ett nytt verktyg för att samtidigt övervaka hjärnaktivitet från två eller flera personer i realistiska situationer. Det finns faktiskt vissa mentala förmågor som inte kan studeras bra i synnerligen konstlad och fysiskt ansträngd miljö av en magnetkamera, PET eller MEG scanner. Dessa inbegriper om gång eller stora mängder kroppsrörelse samt sådana som innefattar sociala interaktioner är självklara kandidater. Av detta skäl är mycket önskvärt för forskare att kunna studera hjärnaktiviteten hos deltagarna i naturalistiska situationer.
En andra, relaterade, brett användningsområde avser användningen av denna teknik ikliniska situationer. En självklar kandidat kan vara Neurorehabilitation, där man kanske vill studera effekterna på hjärnan av förfarandena utbildning för dagliga aktiviteter (t ex. I ett kök), eller läkemedel på särskilda neuronala populationer i samband med dessa verksamheter. Men tekniken kan också kanske utvecklas för utbildningsmiljöer samt, och t ex., För användning av "realtid" egenkontroll av hjärnans aktivitet. Att överföra, låg risk och förmåga att använda det på plats i verkliga miljöer med minimal tvång på uppförande, gör denna metod skiljer sig mycket från andra som för närvarande finns tillgängliga.
Även om bärbara fNIRS system visar potential för verkliga observationer, det finns andra begränsningar som måste tas upp när man använder fNIRS under naturlig promenader. Eftersom det infraröda ljuset färdas genom hårbotten, är det känsligt för processer som sker både på cerebral ennd extra cerebrala fack i huvudet. Tidigare studier har visat att en viss mängd av signalerna mäts genom fNIRS härrör från systemförändringar 34, 39, 44 som inte är direkt relaterade till hjärnans aktivitet (se et al. Scholkmann 9 för en recension). Som inom och utanför cerebral hemodynamiska påverkas av systemförändringar både uppgifts framkallade och spontant (t.ex.., Hjärtfrekvens, blodtryck, andning, blodflödet i huden), fysiologiska förändringar i samband med gång verksamheten bör övervägas. De härstammar från det autonoma nervsystemet (ANS) aktivitet, som reglerar diameter puls, andning, tryck och blodkärl genom sina efferenta fibrer. Närmare bestämt är det sympatiska uppdelningen av ANS hyper aktiveras under träning leder till hjärtfrekvens, blodtryck och andning steg 45. Till exempel har tidigare studier visat att andning framkallar förändringar i partialtrycket av kol DIOXide i det arteriella blodet (Paco 2) som i sin tur påverkar cerebralt blodflöde och cerebral blodvolym 46, 47. Dessutom visar figur 3A ett exempel på periodiska HHB ökar och HbO 2 Minskningar som inträffar inom gångperioder som kan förväxlas med hjärna avaktivering. För att göra konsekventa jämförelser mellan förhållanden (t ex., Bedöma om betydande förändringar i koncentration ske i förhållande till en referensperiod), bör alla experimentella faser mätas under samma fysisk aktivitet tillstånd. Av denna anledning har en promenerade vilofas (Rest 2) som ingår i våra liv-baserat protokoll. En korrekt tolkning av fNIRS uppgifter krävs också en bra SNR. Detta uppnås vanligen med konventionella block och händelserelaterade konstruktioner där stimuli upprepas flera gånger. Trial upprepningar och strukturerade mönster är inte alltid möjligt i livet baserade experiment. Av denna anledning, ytterligare sensorer och relevant analys techniques att ta hänsyn till systemförändringar 48 och rörelseartefakter är nödvändiga för att förbättra SNR och att korrekt tolka hjärnans signaler. Vi planerar att undersöka effekterna av sådana walk-relaterade systemförändringar genom användning av bärbara enheter för att övervaka andning, hjärtfrekvens och promenadtakt. Dessutom måste problemet med händelser återhämtning åtgärdas också. I kognitiv neurovetenskap experiment, är hjärnans aktivitet undersöks i förhållande till stimuli eller miljöer möter deltagarnas och deras beteende som svar på, eller väntan på dem. Praktiker måste därför (a) vet vad som för närvarande är tillgängliga för deltagare i sin omgivning, och (b) ha ett ögonblick-för-ögonblick register över deltagarens beteende. I en typisk lab situation dessa faktorer kan lätt regleras eftersom försöks kan begränsa vilka deltagare möter, och formen och antalet beteenden som deltagaren kan styrker. Detta är emellertid intefallet i "verkliga världen" miljöer utanför labbet, där många evenemang och upplevelser som forsknings deltagaren kommer att ha är bortom strikt kontroll av försöksledaren 49. Följaktligen i "real-world" typ uppdrag av det slag studeras här, videoinspelningar används för analys (t.ex.., Shallice och Burgess, 1991 3). Detta gör det möjligt att återvinna både ihållande (t.ex.., Blocknivå) och kortvariga (t.ex.., Händelserelaterad) processer som stödjer olika aspekter av prestanda (för översikt se Gonen-Yaacovi och Burgess, 2012 21). De händelser som ska återkrävas från videoinspelningarna kommer att bero på den teoretiska frågan tas upp i experimentet. I den rapporterade fallstudien var händelse inträden återhämtat sig från de videor som filmats av de 3 kameror. Detta förfarande för att bestämma början och avslutning av vissa signaler och beteendemässiga reaktioner är arbetskrävande och kräver skicklighet när det utförs på livet baserade daten. En central fråga är att med "verkliga livet" typ experiments finns oftast inte samma grad av a priori kunskap om händelser som med labb-baserade sådana, och deltagarna har oftast mer utrymme i hur de kan svara. Eftersom deltagarna är fria att röra sig i en naturlig och okontrollerad miljö, ställs de inför en rad olika snabbt föränderliga stimuli och det är svårt att återvinna hemodynamiska svar på verklig händelse av intresse. Till exempel i fallstudien, de hemodynamiska trender som observerats för HbO 2 och HHB (Figur 3D-E) är inte faslåsta till video återvunna debut som den typiska händelserelaterade hemodynamiska svar 38. HbO 2 och HHB börjar respektive stiga och minska 20 sekunder innan den stimulans debut och når en topp efter den. Ytterligare analyser behövs därför för att fastställa om PM Köer händelser sker faktiskt när deltagaren ser målet, när han närmar sig mot det ellernär han når den. Med tanke på den potential som fiberfria fNIRS teknik för verkliga kliniska tillämpningar, framtida arbetet kommer att ta upp videokodnings problem genom att utveckla nya algoritmer för att identifiera händelse inträden på ett mer objektivt sätt, samt att undersöka möjligheten att göra det direkt från fNIRS data.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge funding from the Wellcome Trust (088429/Z/09/Z, 104580/Z/14/Z support to IT).
Wearable Optical Topography | Hitachi Medical Corporation | fNIRS system | |
Patriot | Polhemus | 3D magnetic digitizer | |
ActionCam | Mobius | Subject's Camera | |
Hero3 | GoPro | Experimenter's Camera | |
Panasonic HC-V720 | Panasonic | Experimenter's Camera | |
Platform for Optical Topography Analysis Tools (POTATo) software | Hitachi Medical Corporation | http://www.hitachi.co.jp/products/ot/analyze/kaiseki_en.html |