Overvågning hjernens aktivitet uden for laboratoriet uden fysiske begrænsninger præsenterer metodiske udfordringer. En fiberless blev wearable funktionelle nærheden infrarød spektroskopi-system (fNIRS) anvendes til at måle hjernens aktivitet under en økologisk fremadrettet hukommelse opgave. Det blev påvist, at dette system kan anvendes til at overvåge hjernens aktivitet under ikke-lab baserede eksperimenter.
Funktionel Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) er en Neuroimaging teknik, der bruger nær-infrarødt lys til at overvåge hjerneaktivitet. Baseret på neurovaskulær kobling, fNIRS er i stand til at måle hæmoglobinkoncentrationen ændrer sekundært til neuronal aktivitet. Sammenlignet med andre Neuroimaging teknikker, fNIRS repræsenterer et godt kompromis i form af rumlig og tidsmæssig opløsning. Desuden er det bærbar, let, mindre følsom over for bevægelsesartefakter og ikke pålægger væsentlige fysiske begrænsninger. Det er derfor hensigtsmæssigt at overvåge en bred vifte af kognitive opgaver (f.eks auditive, ganganalyse, social interaktion) og forskellige aldersgrupper (f.eks nye-nyfødte, voksne, ældre mennesker). Den seneste udvikling i fiberless fNIRS enheder har åbnet vejen for nye applikationer i neurovidenskabelig forskning. Dette repræsenterer en unik mulighed for at studere funktionel aktivitet under virkelige verden test, som kan være mere følsomme og præcise i røvenEssing kognitive funktion og dysfunktion end lab-baserede tests. Denne undersøgelse udforskede anvendelsen af fiberless fNIRS at overvåge hjernens aktivitet under den virkelige verden fremadrettet hukommelse opgave. Denne protokol er udført uden for laboratoriet og hjerne hæmoglobinkoncentration ændringer løbende målt over det præfrontale cortex, mens motivet går rundt for at udføre flere forskellige opgaver.
Abnormitet i funktion inden præfrontale cortex, og især de mest forreste subpart (rostrale præfrontale cortex, eller BA10) er almindelig i en række udviklingsmæssige, psykiatriske og neurologiske tilstande. Det forårsager markante forstyrrelser i problemløsning, hukommelse og koncentrationsproblemer evner i hverdagen, som er meget invaliderende 1,2. Det er imidlertid vanskeligt at diagnosticere i laboratoriet eller klinikken slags problemer. Dette skyldes, at de mentale processer, som BA 10 understøtninger er involveret i behandlingen af romanen, tidsubegrænsede situationer, hvor adfærden er selv-initieret 3. Sådanne situationer er svære at genskabe succes i laboratoriet, da det formelle, kunst- og stramt begrænset situationen deltageren typisk står i laboratoriet kan ændre deres adfærd og den måde, at de nærmer sig opgaven. Dette kan reducere gyldigheden af målingen for enten kliniske eller forskningsformål, med en stærk risiko for under-diagnosticering 4 </ sup>. En af de kognitive evner, der understøttes af frontallapperne, hvor dette er tydeligst er prospektive hukommelse (dvs., evnen til at huske at foretage en fremtidige indsats), hvor det har længe været kendt, at der kan være betydelige uenighed mellem målinger foretaget i hverdagen liv og laboratoriet 5. Disse metodologiske spørgsmål kunne i vid udstrækning omgås, hvis forskere og klinikere undersøger præfrontale cortex funktion, herunder potentielle hukommelse, kunne gøre det ved at tage deres målinger i "den virkelige verden" situationer.
Mens Neuroimaging teknikker udgør et kraftfuldt værktøj til at undersøge hjernens funktion i en ikke-invasiv og objektiv måde, de fleste af disse teknikker pålægge fysiske begrænsninger om emnet, og er således ikke egnet til brug i hverdagen indstillinger (f.eks., Funktionel magnetisk resonans ( fMRI), magnetoencephalography (MEG), positronemissionstomografi (PET)). I betragtning af behovet for at bringefunktionelle billeddiagnostiske instrumenter uden for laboratoriet, og givet de seneste teknologiske forbedringer, bærbare og bærbar elektroencefalografi (EEG) og funktionelle nær infrarød spektroskopi (fNIRS) systemer er blevet udviklet 6-11. En af de store fordele ved fNIRS end EEG er dens højere rumlig opløsning. Desuden er det mindre følsomt over for bevægelsesartefakter, blinkende og øjenbevægelser 12. Bærbare fNIRS er således bedre egnet til brug i daglig livssammenhænge, da den pålægger færre fysiske begrænsninger end EEG og tillader fri bevægelse i en mere naturlige miljø.
fNIRS non-invasivt bestråler hovedet med nær-infrarødt lys (650-900 nm). Som det biologiske væv er relativt transparent i denne bølgelængdeområde, kan lyset nå hjernen og bliver absorberet af hæmoglobin. fNIRS måler således koncentrations- ændringer i både oxyhæmoglobin (HbO 2) og deoxyhæmoglobin (HHb) give oplysninger om iltning og hæmodynamisk chanGES forbundet med hjernens aktivitet. Mere specifikt er hjernen funktionel aktivering defineret som en samtidig stigning i HbO 2 og et fald i HHb 13. Indtrængningsdybden af lyset betyder imidlertid, at signalet kun kan inddrives fra den kortikale overflade. Så let er stærkt diffust i væv, er det ikke muligt at opnå meget rumligt strukturel information om hjernen 14. Konventionelle fNIRS systemer bruger optiske fibre er koblet til hovedet for at lede lys gennem hovedbunden og at opsamle tilbagekastet lys. Selv om disse instrumenter er kompakt, bærbart og velegnet til laboratorie-indstillinger, optiske fibre samt bundter og deres vægt begrænse flytninger af deltageren, og hvis ikke godt stabiliseret, deres forskydninger fører til bevægelse artefakt forurening 7. Den nye generation af miniaturiserede og fiberless fNIRS systemer giver mulighed for at udforske hjernens aktivitet i realistiske situationer på frit bevægelige deltagers og uden væsentlige fysiske begrænsninger. Realistiske situationer er særligt værdifulde, når udforske menneskelige udøvende funktioner og fiberless fNIRS systemer kan give et unikt indblik i de menneskelige hjernefunktioner. De første fiberless systemer blev der kun er forsynet med et lille antal kanaler (f.eks., Enkelt kanal 15 og 2 kanaler 16) begrænse undersøgelsen til små områder. For nylig har multikanal trådløse og bærbare enheder fNIRS blevet udviklet 6,7, 17-20 giver mulighed for overvågning af større dele af hovedet på frit bevægelige deltagere.
I denne undersøgelse blev en ny multikanal wearable og fiberless fNIRS system, der anvendes til at overvåge og kortlægge præfrontale cortex aktivitet under den virkelige verden prospektive hukommelse (PM) opgave. Den fNIRS er primært sammensat af et fleksibelt probe enhed (headset), som dækker både dorsolaterale og rostrale præfrontale cortex (figur 1),som er forbundet til en behandlingsenhed (bærbar boks), som bæres på deltagerens taljen (figur 1D). Headsettet består af 6 overflade udsender laserdioder med to bølgelængder (705 nm og 830 nm) og 6 silicium fotodioder. Fraværet af optiske fibre reducerer vægten og hovedparten af proben, er mere komfortabel og robust mod bevægelsesartefakter. De optodes er anbragt i en alternerende geometri (figur 1A) med en inter-optode adskillelse af 3 cm, hvilket skaber 16 source-detektor kombinationer (f.eks., 16 målekanaler) 6. For at beskytte headsettet fra det omgivende lys, er en skygge hætte forudsat (figur 1D).
Formålet med denne undersøgelse var at undersøge præfrontale cortex funktion, i en fremadrettet hukommelse opgave i den virkelige verden. Under potentielle hukommelse opgaver, bliver deltagerne bedt om at huske at svare på en sjælden cue (f.eks., En velkendtansigt eller et parkometer), mens de udfører en anden krævende opgave kendt som en "løbende opgave". I to forskellige blokke af opgaven, er sociale potentielle hukommelse stikord (en person) i modsætning til ikke-sociale potentielle hukommelse stikord (et parkometer). Denne kontrast blev valgt, fordi det er en stor skelnes mellem forskellige former for cue i event-baserede prospektive hukommelse opgaver og så den eksperimentelle paradigme kan holdes tæt på en "real-life" -situation 21. Mens BA 10 er kendt for at være følsom over for behandlingen af sociale versus ikke-sociale oplysninger i visse situationer (f.eks., Gilbert et al. 2007 22), nye oplysninger tyder på, at hæmodynamiske ændringer i BA 10 relateret til potentielle hukommelse opgaver er relativt ufølsomme at cue forskelle (se Burgess et al. 2011 23 for gennemgang). Det er således et åbent spørgsmål, om det sociale versus ikke-sociale signaler påvirker BA 10 aktivitet i forbindelse med en potentiel hukommelse paradigme.
Målet med denne undersøgelse er at vurdere mulighederne for at bruge fNIRS system til overvågning præfrontale cortex hæmodynamiske og iltning forandringer som følge af en real-verden kognitiv opgave. Her rapporterer vi en enkelt casestudie (én sund voksen deltager, 24 år) om anvendelsen af den fNIRS enhed under et prospektivt hukommelse opgave, udført uden for i en typisk gade i London beliggenhed og efterligne hverdagens krav. Især om der kan optages hæmodynamiske ændringer som reaktion på de sociale og ikke-sociale PM stikord undersøges.
Formålet med denne undersøgelse var at vurdere den potentielle anvendelse af bærbare og fiberless fNIRS at overvåge hjernen hæmodynamiske og iltning ændringer i forbindelse med hjernens neuronal aktivitet under den virkelige verden situationer. En bærbar og fiberless multikanal fNIRS system blev anvendt til at måle hjerneaktivitet i det præfrontale cortex i et prospektivt hukommelse opgave, der udføres uden for laboratoriet. Sagen undersøgelse rapporteret her udforskes, om hjernen ændringer i HbO 2 og HHb på en frit bevægelige deltager som reaktion på sociale og ikke-sociale PM stikord i et eksperiment uden for laboratoriet kan overvåges løbende og håndfast.
Brugen af fNIRS på frit bevægelige deltagere i livet-baserede eksperimenter repræsenterer en udfordrende situation. Faktisk kan hovedbevægelser forårsage probe forskydninger med deraf følgende bevægelsesartefakter som korrupte den optiske identifikation af hjernens aktivitet 36. Desuden optiske sensorer er følsomme over for falsk lys (f.eks., sollys, når eksperimenterne udføres udenfor), skabe yderligere støj i fNIRS signaler. Den rapporterede casestudie giver en foreløbig demonstration af gennemførlighed af fNIRS systemet i sådanne virkelige liv applikationer. Fraværet af optiske fibre i sådanne anordninger forhindrer optisk kobling mellem hovedbunden og optodes resulterer i mere robuste målinger mod bevægelsesartefakter. Desuden skraveringen cap sikrer en god afskærmning fra falsk lys, som undgår detektorer mætning og lave Signal-støjforhold (SNR). Desuden blev der fundet stigninger i HbO 2 og fald i HHB-koncentrationer i korrespondance med de sociale og ikke-sociale PM hits (Figur 3D-E) 11, 37 yderligere støtte dets gennemførlighed. For at vurdere, om de hæmodynamiske tendenser i figur 3D-E er statistisk signifikant og at lokalisere aktiverede områder inden det præfrontale cortex (figur 5, Video 1, Video 2, figur 6, figur 7), er gruppen niveau analyser påkrævet. For at gøre inferens og identificere funktionelt specialiserede præfrontale cortex regioner 38, 39, vil fremtidige værker præsentere gruppens data og statistiske analyser baseret på statistiske Parametrisk Mapping (SPM) ved hjælp af en generel lineær model (GLM) tilgang.
Selv om resultater skal betragtes som foreløbige, er det blevet påvist, at fiberless fNIRS effektivt kan bringes uden for de traditionelle lab indstillinger og anvendes til tidstro overvågning af hjerneaktivitet. Dette åbner op for nye retninger for neurologisk og neurovidenskab forskning. Der er mindst to oplagte områder for anvendelse i denne henseende. Den første vedrører økologiske gyldighed. Cognitive Neuroscience forskere undersøger mønstre i hjernens aktivitet, mens folk udfører kognitive opgaver (ved hjælp af f.eks., Blod ilt niveau afhængig tegnal forandring som en proxy i funktionel MRI) for at forsøge at opdage, hvordan hjernen understøtter vores mentale evner. I nogle tilfælde er det muligt at skabe eksperimentelle situationer i scanneren, der svarer meget nøje situationen i hverdagen, hvor processen af interesse anvendes. Betragt for eksempel læsning. Læsning ord på en skærm, mens i en MR-scanner sandsynligvis gør sådanne lignende krav til læsning ord i en bog, når derhjemme, at det næsten er taget for givet, at de resultater, hentet i scanneren kan hjælpe med at forklare, hvordan hjernen implementerer læsning i hverdagen. Men for mange former for menneskelig adfærd og kognition, denne antagelse er mere usikker. For eksempel kan de kognitive processer, som en deltager bruger, når en social situation præsenteres i en MR-scanner (hvor deltageren er immobile, på egen hånd, og i en meget uvant og stramt kontrolleret miljø) godt være anderledes på vigtige hensyn til dem engageret, når deltageren er Socialising i det virkelige liv 40. Dette er især vigtigt i den sociale neurovidenskab, hvor undersøgelse af neuronkorrelater inter-personlige dynamik (betegnet hyperscanning, til gennemgang se Babiloni og Astolfi 2014 41) kræver en mere naturalistisk miljø. NIRS-baserede hyperscanning 42, kan 43 udgør således et nyt værktøj til samtidig overvågning af hjernens aktivitet fra to eller flere personer i realistiske situationer. Faktisk er der nogle mentale evner, der ikke kan studeres godt i meget kunstige og fysisk begrænset miljø af et MRI, PET eller MEG scanner. Disse involverer mobilisering eller store mængder af kropslig bevægelse samt de involverer sociale interaktioner er oplagte kandidater. Af denne grund, at kunne studere hjerneaktivitet deltagere i naturalistiske situationer er meget ønskeligt for forskere.
En anden, beslægtet, bred anvendelsesområde angår anvendelsen af denne teknologi ikliniske situationer. En oplagt kandidat kan være neurorehabilitering, hvor man måtte ønske at studere virkninger på hjernen af uddannelses- procedurerne for dagligdags aktiviteter (f.eks., I et køkken), eller af medicin på bestemte neuronale populationer i relation til disse aktiviteter. Men teknologien kan også måske udvikles til undervisningsmiljøer så godt, og f.eks., Til brug for "real-time" selv-overvågning af hjernens aktivitet. Den bærbarhed, lav risiko, og evne til at bruge det i stedet i den virkelige verden miljøer med minimal begrænsning på adfærd, der gør denne metode meget forskellig fra andre, der er tilgængelige i øjeblikket.
Men selv om bærbare fNIRS systemer viser potentiale for den virkelige verden observationer, er der andre begrænsninger, der skal løses, når du bruger fNIRS under naturlig gå. Da det infrarøde lys bevæger sig gennem hovedbunden, det er følsomt over processer, der sker både på den cerebrale ennd ekstra cerebrale rum i hovedet. Tidligere undersøgelser viste, at en vis mængde af de signaler, målt gennem fNIRS skyldes systemiske ændringer 34, 39, 44, som ikke er direkte relateret til hjernens aktivitet (se Scholkmann et al. 9 for en gennemgang). Som intra og ekstra cerebral hæmodynamisk påvirkes af systemiske forandringer både opgave-fremkaldte og spontan (f.eks., Puls, blodtryk, åndedræt, hud blodgennemstrømningen), fysiologiske ændringer i forbindelse med gå-aktiviteten bør overvejes. De stammer fra det autonome nervesystem (ANS) aktivitet, som regulerer puls, respiration, blodtryk og fartøjer diameter gennem sine efferente fibre. Mere præcist, den sympatiske opdeling af ANS er hyper-aktiveret under træning fører til puls, blodtryk og åndedræt trin 45. For eksempel har tidligere studier vist, at respiration inducerer ændringer i partialtrykket af carbon dioxide i det arterielle blod (Paco 2), som igen påvirker cerebral blodgennemstrømning og cerebral blodvolumen 46, 47. Hertil kommer, 3A viser et eksempel på periodiske HHB stiger og HBO 2 Nedskrivninger, som opstår inden for gå perioder, der kan forveksles med hjernen deaktivering. For at gøre konsekvent sammenligninger mellem forhold (f.eks., Vurdere, om væsentlige ændringer i koncentrationen opstår i forhold til en baseline periode), bør måles alle de eksperimentelle faser under samme fysiske aktivitet tilstand. Af denne grund blev en vandrede hvile fase (Rest 2), som indgår i vores liv-baseret protokol. En korrekt fortolkning af fNIRS data kræver også en god SNR. Dette opnås sædvanligvis med konventionelle blok og event-relaterede designs hvor stimulationer gentages flere gange. Trial gentagelser og strukturerede designs er ikke altid muligt i livets-baserede eksperimenter. Af denne grund, yderligere sensorer og en passende analyse techniques at tage højde for systemiske ændringer 48 og bevægelsesartefakter er nødvendige for at forbedre SNR og korrekt fortolke hjernens signaler. Vi planlægger at undersøge virkningen af sådanne walk-relaterede systemiske forandringer gennem brug af bærbare enheder til at overvåge vejrtrækning, puls og gå tempo. Desuden er problemet med begivenheder opsving skal løses, også. I kognitiv neurovidenskab eksperimenter, er hjernens aktivitet undersøgt i forhold til stimuli eller miljøer stødt af deltagerne «, og deres adfærd som reaktion på, eller foregribelse af dem. Eksperimentatorer derfor nødt til at (a) ved, hvad er i øjeblikket tilgængelig til deltageren i deres miljø, og (b) har et øjeblik-for-øjeblik referat af deltagerens adfærd. I en typisk laboratorium situation, disse faktorer let kan kontrolleres, da forsøgslederen kan begrænse, hvad deltagerne oplever, og formen og antallet af adfærd, at deltageren kan Evince. Men det er ikketilfældet i "den virkelige verden" miljøer uden for laboratoriet, hvor mange begivenheder og oplevelser, at deltageren forskningen vil have er uden for streng kontrol af forsøgslederen 49. I overensstemmelse hermed, "den virkelige verden" type opgaver af den art undersøgt her, er videooptagelser anvendes til analyse (f.eks., Shallice og Burgess, 1991 3). Dette gør det muligt at inddrive både vedvarende (f.eks., Blok-niveau) og forbigående (f.eks., Event-relaterede) processer, der understøtter forskellige aspekter af ydeevne (for oversigt se Gonen-Yaacovi og Burgess 2012 21). De begivenheder, der skal tilbagesøges fra videooptagelserne vil afhænge af den teoretiske spørgsmål, der behandles i eksperimentet. I den rapporterede casestudie blev event indledninger udvundet fra de videoer filmet af de 3 kameraer. Denne procedure bestemme indtræden og ophør af bestemte signaler og adfærdsmæssige reaktioner er besværlig og kræver dygtighed, når udført på livet-baserede daten. Et centralt problem er, at med "virkelige liv" type experiments er der som regel ikke den samme grad af a priori viden om begivenheder som med lab-baserede dem, og deltagerne har som regel mere rækkevidde i den måde, de kan reagere. Da deltagerne frit kan bevæge sig på en naturlig og ukontrolleret miljø, står de over for en bred vifte af hastigt skiftende stimuli, og det er svært at genvinde hæmodynamisk respons på den virkelige begivenhed af interesse. For eksempel i casestudiet, de hæmodynamiske tendenser til HbO 2 og HHb (figur 3D-E) er ikke faselåst til videoen-genvundet debut som den typiske event-relaterede hæmodynamisk respons 38. HbO 2 og HHb begynder henholdsvis at stige og falde 20 sek før stimulus debut og nå et højdepunkt efter det. Yderligere analyser er således nødvendigt at fastslå, om PM køer begivenheder, der sker faktisk, når deltageren ser målet, da han nærmer imod det ellernår han når det. I betragtning af potentialet i fiberless fNIRS teknologier til det virkelige liv kliniske anvendelser, fremtidige arbejde vil tage fat på video-kodning problem ved at udvikle nye algoritmer til at identificere event indledninger på en mere objektiv måde, samt undersøge muligheden for at gøre det direkte fra 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 |