Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

باستخدام Fiberless، fNIRS لبس لمراقبة نشاط المخ في المهام المعرفية في العالم الحقيقي

Published: December 2, 2015 doi: 10.3791/53336
Automatic Translation
1,2, 3, 3, 1, 3, 2, 3, 3, 3, 1
1Department of Medical Physics and Biomedical Engineering, Malet Place Engineering Building, University College London, 2Infrared Imaging Lab, Institute for Advanced Biomedical Technology (ITAB), Department of Neuroscience, Imaging and Clinical Sciences, University of Chieti-Pescara, 3Institute of Cognitive Neuroscience, Alexandra House, University College London

Summary

رصد نشاط الدماغ خارج المختبر دون قيود مادية تحديات المنهجية. A fiberless، وكان يستخدم الأشعة تحت الحمراء الطيفي يمكن ارتداؤها الأدنى (fNIRS) نظام وظيفي لقياس نشاط الدماغ أثناء مهمة استطلاعية الذاكرة البيئية. وقد تبين أن هذا النظام يمكن استخدامها لمراقبة نشاط المخ أثناء التجارب غير مختبر القائم.

Abstract

وظيفية الأدنى الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIRS) هي تقنية تصوير الأعصاب يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة لمراقبة نشاط المخ. بناء على اقتران الوعائية العصبية، fNIRS قادرة على قياس تركيز الهيموجلوبين يتغير الثانوي لنشاط الخلايا العصبية. بالمقارنة مع تقنيات التصوير العصبي أخرى، fNIRS يمثل حلا وسطا جيدا من حيث القرار المكانية والزمانية. وعلاوة على ذلك، فمن المحمولة، خفيفة الوزن، وأقل حساسية للالحركة الفنية ولا يفرض القيود المادية كبيرة. ولذلك فمن المناسب لرصد مجموعة واسعة من المهام المعرفية (على سبيل المثال، السمعية وتحليل المشي والتفاعل الاجتماعي) والسكان العمرية المختلفة (على سبيل المثال، المواليد الجدد، والكبار والمسنين). وقد فتحت التطورات الأخيرة في الأجهزة fNIRS fiberless الطريق إلى تطبيقات جديدة في مجال البحوث الأعصاب. وهذا يمثل فرصة فريدة لدراسة النشاط الوظيفي خلال التجارب في العالم الحقيقي، التي يمكن أن تكون أكثر حساسية ودقة في الحمارessing وظيفة الادراك والخلل من الاختبارات على أساس المختبر. وبحثت هذه الدراسة استخدام fiberless fNIRS لمراقبة نشاط المخ أثناء مهمة ذاكرة المحتملين في العالم الحقيقي. يتم تنفيذ هذا البروتوكول خارج تقاس المختبر والهيموجلوبين الدماغ تغيرات تركيز مستمر على مدى قشرة الفص الجبهي بينما يمشي هذا الموضوع في جميع أنحاء من أجل إنجاز العديد من المهام المختلفة.

Introduction

خلل في وظيفة داخل قشرة الفص الجبهي، وخصوصا الفرعي الأكثر الأمامي (قشرة الفص الجبهي منقاري، أو BA10) هو شائع في مجموعة من الظروف التنموية، الأمراض النفسية والعصبية. أنه يسبب اضطرابات ملحوظة في حل المشكلات والذاكرة وقدرات الإنتباه في الحياة اليومية التي توهن جدا 1،2. ومع ذلك، هذه الأنواع من المشاكل من الصعب تشخيص المرض في المختبر أو العيادة. وذلك لأن العمليات العقلية التي تشارك BA 10 الدعم في التعامل مع الرواية، وحالات مفتوحة العضوية، حيث السلوك ذاتية اللصق، بدأ 3. مثل هذه الحالات من الصعب إعادة بنجاح في المختبر، لأن الوضع الرسمي اصطناعية ومقيدة بإحكام يواجه المشارك عادة في المختبر يمكن أن يتغير سلوكهم والطريقة التي تقترب من المهمة. وهذا يمكن أن تقلل إلى حد كبير من صلاحية القياس لأي أغراض الطبية أو البحثية، مع خطر قوي من تحت التشخيص 4 </ سوب>. واحدة من قدراتهم المعرفية بدعم من الفص الجبهي حيث هذا هو الأكثر وضوحا هو ذاكرة المحتملين (أي القدرة على تذكر لإجراء عمل في المستقبل)، حيث المعروف منذ وقت طويل أن يمكن أن يكون هناك خلاف كبير بين القياسات التي اتخذت في كل يوم الحياة والمختبر 5. هذه القضايا المنهجية الممكن تجاوز إلى حد كبير إذا الباحثين والأطباء التحقيق قبل الجبهية وظيفة القشرة، بما في ذلك ذاكرة مستقبلية، يمكن القيام بذلك عن طريق أخذ قياساتهم في حالات "العالم الحقيقي".

بينما تقنيات التصوير العصبي تمثل أداة قوية لتحقيق وظيفة الدماغ بطريقة غير الغازية وموضوعية، فإن معظم هذه التقنيات فرض قيود مادية على هذا الموضوع، وبالتالي فهي ليست مناسبة للاستخدام في بيئات الحياة اليومية (على سبيل المثال، الرنين المغناطيسي الوظيفي ( الرنين المغناطيسي الوظيفي)، الدماغ المغناطيسي (MEG)، التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)). نظرا للحاجة لتحقيقوقد وضعت الأدوات الفنية التصوير خارج المختبر ونظرا التحسينات التكنولوجية الحديثة، كهربية المحمولة ويمكن ارتداؤها (EEG) والوظيفية بالقرب من مطياف الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) نظم 6-11. واحدة من أهم مزايا fNIRS على EEG هو دقة أعلى في المكاني. وعلاوة على ذلك، فمن أقل حساسية للالحركة الفنية، وامض وحركات العين 12. fNIRS يمكن ارتداؤها هي بالتالي أكثر ملاءمة للاستخدام في سياق الحياة اليومية، كما أنها تفرض القيود المادية أقل من EEG ويسمح بحرية الحركة في بيئة طبيعية أكثر.

fNIRS يضيء غير جراحية في الرأس مع الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء (650-900 نانومتر). كما الأنسجة البيولوجية شفافة نسبيا في هذا النطاق الموجي، لا يمكن للضوء تصل إلى الدماغ والحصول على استيعابها من قبل الهيموغلوبين. وبالتالي fNIRS يقيس التغيرات تركيز كل من الأوكسي هيموغلوبين (HBO 2) وديوكسي هيموغلوبين (HHB) إعطاء المعلومات من الأوكسجين والديناميكية الدموية تشانغيس المرتبطة نشاط الدماغ. وبشكل أكثر تحديدا، يعرف الدماغ تفعيل ظيفية وزيادة متزامنة في HBO 2 وانخفاض في HHB 13. ومع ذلك، فإن عمق تغلغل ضوء يعني أن الإشارة لا يمكن استردادها من السطح القشري. كما هو منتشر للغاية الضوء في الأنسجة، وأنه من غير الممكن الحصول على معلومات غاية الهيكلية مكانيا عن الدماغ 14. نظم fNIRS التقليدية تستخدم الألياف البصرية إلى جانب في الرأس لتوجيه الضوء من خلال فروة الرأس وجمع ضوء متناثرة الظهر. على الرغم من أن هذه الصكوك هي المدمجة والمحمولة ومناسبة تماما للبيئة معملية، والألياف البصرية حزم وزنهم تحد من تحركات المشاركين، وإذا لم يستقر بشكل جيد، والتشريد بهم تؤدي إلى تلوث الحركة قطعة أثرية 7. الجيل الجديد من أنظمة fNIRS المنمنمة وfiberless توفر إمكانية استكشاف نشاط الدماغ في حالات واقعية على التحرك بحرية مشاركالصورة ودون قيود مادية كبيرة. حالات واقعية هي قيمة خاصة عند استكشاف المهام التنفيذية البشرية والنظم fNIRS fiberless قد توفر رؤية فريدة في وظائف الدماغ. تم تجهيز أنظمة fiberless الأولى فقط مع عدد قليل من القنوات (على سبيل المثال، قناة واحدة 15 و 2 القنوات 16) الحد من التحقيق إلى مناطق صغيرة. وفي الآونة الأخيرة، وقد وضعت متعددة القنوات أجهزة fNIRS اللاسلكية ويمكن ارتداؤها 6،7، 17-20 إعطاء إمكانية لمراقبة أجزاء أكبر من الرأس على المشاركين التحرك بحرية.

في هذه الدراسة، تم استخدام متعدد القنوات الجديدة نظام fNIRS يمكن ارتداؤها وfiberless لرصد والخريطة النشاط قشرة الفص الجبهي خلال ذاكرة المحتملين في العالم الحقيقي (PM) المهمة. ويتكون النظام fNIRS في المقام الأول من وحدة التحقيق مرن (سماعة) التي تغطي كلا من ظهراني جانبي وقشرة الفص الجبهي منقاري (الشكل 1)،وهذا مرتبط إلى وحدة المعالجة (مربع المحمولة) التي تلبس على الخصر المشارك (1D الشكل). ويتكون الرأس تتكون من 6 سطح الثنائيات الليزر مع اثنين من الطول الموجي (705 نانومتر و 830 نانومتر) و 6 ثنائيات ضوئية السيليكون. غياب الألياف البصرية يقلل من الوزن والجزء الأكبر من التحقيق، ويجري أكثر راحة وقوية ضد الحركة الفنية. يتم ترتيب optodes في الهندسة بالتناوب (الشكل 1A) مع الفصل بين optode من 3 سم، وخلق 16 تركيبات مصدر للكشف عن (على سبيل المثال، 16 قنوات القياس) 6. من أجل حماية الرأس من الضوء المحيط، يتم توفير غطاء التظليل (1D الشكل).

وكان الهدف من هذه الدراسة للتحقيق وظيفة قشرة الفص الجبهي، خلال مهمة ذاكرة المحتملين في العالم الحقيقي. خلال مهام الذاكرة المحتملين، وطلب من المشاركين أن نتذكر للرد على جديلة نادرة (على سبيل المثال، مألوفةوجه أو متر وقوف السيارات) أثناء أداء مهمة شاقة آخر يعرف باسم "مهمة مستمرة". في اثنين من كتل مختلفة من هذه المهمة، ويتناقض العظة الذاكرة المحتملين الاجتماعية (شخص) لمنبهات ذاكرة مستقبلية غير الاجتماعية (أ متر وقوف السيارات). وقد تم اختيار هذا التناقض لأنه يمثل تمييزا كبيرا جعل بين أشكال مختلفة من جديلة في المهام المتعلقة بالذاكرة المستقبلية القائمة على الحدث، وذلك يمكن الاحتفاظ النموذج التجريبي على مقربة من "الحياة الحقيقية" الوضع 21. في حين BA 10 ومن المعروف أن تكون حساسة لتجهيز الاجتماعية مقابل المعلومات غير الاجتماعية في بعض الحالات (على سبيل المثال، جيلبرت وآخرون، 2007 22)، وتشير أدلة حديثة إلى أن التغيرات الديناميكية الدموية في مكتبة الإسكندرية 10 المتعلقة المهام المتعلقة بالذاكرة المحتملين نسبيا غير حساسة لجديلة الاختلافات (انظر بيرجس وآخرون، 2011 23 للمراجعة). وهكذا، فإنه هو سؤال مفتوح سواء كانت اجتماعية مقابل العظة غير الاجتماعية يؤثر BA 10 النشاط في سياق نموذج الذاكرة المحتملين.

الهدف من هذه الدراسة هو تقييم جدوى استخدام نظام fNIRS لرصد التغيرات الدورة الدموية القشرة قبل الجبهية والأوكسجين الناجم عن مهمة المعرفية في العالم الحقيقي. نحن هنا تقرير دراسة حالة واحدة (أحد المشاركين البالغين الأصحاء، 24 عاما) على استخدام الجهاز fNIRS خلال مهمة ذاكرة مستقبلية، أجريت خارج في موقع نموذجي الشارع لندن ومحاكاة متطلبات الحياة اليومية. على وجه الخصوص، ما إذا كانت التغيرات الديناميكية الدموية في استجابة لPM العظة الاجتماعية وغير الاجتماعية التي يمكن تسجيلها والتحقيق فيها.

Protocol

وتمت الموافقة على البروتوكول من قبل أخلاقيات البحوث المحلية جنة UCL، عدد موافقة CEHP / 2014/901.

إعداد 1. أدوات قبل وصول المشارك

  1. استخدام تسجيلات الفيديو من 3 كاميرات لتحليل "العالم الحقيقي" المهام نوع (على سبيل المثال Shallice وبورغيس، 1991 3):
    1. وضع كاميرا واحدة على صدره المجرب من أجل تتبع حركة المشارك.
    2. تركيب كاميرا على رأس fNIRS تظليل قبعة لتعقب حيث تتطلع المشارك في كافة مراحل التجربة.
    3. إعداد وتشغيل الكاميرا لالمجرب الثاني الذي يلي المجرب الأول والمشارك في الدورة بأكملها.
  2. تنظيف fNIRS سماعة الرأس مع التعقيم القضاء.
  3. وضع التحويل الرقمي 3D في غرفة المناسبة (على سبيل المثال، بعيدا عن الأجسام المعدنية، الجدران والأرضيات) وتشغيله.

2. Participanر إعداد وfNIRS التحقيق التنسيب

  1. قبل بدء التجربة، ويكون توقيع المشارك على استمارة الموافقة.
  2. استخدام نظام 10-20 (الشكل 2) ورقمنة optodes و10-20 مواقف موحدة 24 و 25 إلى تحقيق متسقة موضع fNIRS سماعة عبر جميع المشاركين:
    1. علامة مع علامة قابل للغسل وناسيون (NZ، نقطة تقاطع بين العظم الجبهي وعظام الأنف)، Inion (عز، الناشزة القذالي في الجزء الخلفي من فروة الرأس) واليسار واليمين قبل أذني نقطة (LPA، الجيش الوطني الرواندي، الأمامي نقطة ليصل الى مسامع أمام نهاية العلوي من الزنمة) (الشكل 2) في اتفاق لتعليمات الشركة الصانعة.
    2. قياس المسافة نيوزيلندي-عز وأكثر من حول الرأس والمسافة LPA-الجيش الوطني الرواندي على رأسه.
    3. علامة مع علامة قابل للغسل وتشيكوسلوفاكيا (نقطة تقاطع بين خط نيوزيلندي-عز والخط LPA-الجيش الوطني الرواندي، وتقع في 50٪ من المسافة نيوزيلندي-عز و50٪ سو المسافة LPA-الجيش الوطني الرواندي)، FPZ (10٪ من المسافة نيوزيلندي-عز) وفعز (30٪ من المسافة نيوزيلندي-عز) نقطة على أساس نظام 10-20 (الشكل 2).
    4. استخدام عقال مع فتحات مطابقة مواقف optodes لرقمنة أكثر دقة عبر المشاركين. إزالة الشعر من الجبهة قدر الإمكان باستخدام مقاطع الشعر على طول خط الشعر. وضع عقال رقمنة أكثر من قشرة الفص الجبهي وفقا للنقاط FPZ وفعز: قناة 9 في المراسلات نقطة FPZ وقناة 9 قناة 8 خط الانحياز إلى خط FPZ ق م (الشكل 1E).
    5. رقمنة ملحوظ 10-20 النقاط المرجعية والمواقف optodes عن طريق التحويل الرقمي المغناطيسي 3D.
  3. حفظ إحداثيات رقمية، واستخدام أداة التحليل المكاني (http://brain-lab.jp/wp/؟page_id=52) من منصة مفتوحة المصدر للبصريات أدوات تحليل التضاريس (البطاطس) والبرمجيات (انظر جدول المواد لل فرومعلومات ذر) لتسجيل البيانات fNIRS على قالب الدماغ معهد مونتريال العصبية (MNI).
    ملاحظة: الخوارزمية تنفيذها لتسجيل احتمالي تحويل المواقع الرقمية في العالم الحقيقي تنسيق النظام في MNI تنسيق النظام ومن ثم المشاريع ويموضع لهم على سطح الدماغ MNI (الشكل 1E) 26،27.
    1. البطاطا مفتوحة من خلال P3 قيادة ماتلاب.
    2. حدد "التحليل المكاني" من القائمة الموجودة على النافذة الرئيسية للبطاطس واجهة المستخدم الرسومية (GUI) وانقر على زر "التحليل المكاني".
    3. تحميل الإحداثيات الرقمية بالنقر على "إفراغ 10-20" الموجود على نافذة التحليل المكاني عارض البيانات.
    4. انقر على "MNI الخالي" الزر.
    5. تحديد نقاط مرجعية 10/20 في إطار تقدير MNI وبدء تسجيل المكاني.
  4. تحقق من الموقع الصحيح للوقنوات تقارير قوائم الجرد الوطنية على سطح القالب الدماغ (الشكل 1E): معرفة ما اذا كان قناة 8 و 9 قناة التداخل الشق بين نصف الكرة الأرضية 28. إذا كان ذلك صحيحا، حفظ ملف التكوين قناة لمزيد من التحليلات. استبدال وإلا فإن الفرقة رقمية الإصطفاف إعادة قنوات 8 و 9 إلى خط FPZ ق أ وتداخل قناة 9 إلى FPZ. ثم كرر الإجراء رقمية.
  5. وضع fNIRS سماعة مواءمة القنوات 8 و 9 إلى خط FPZ ق أ وتداخل قناة 9 إلى FPZ، بالاتفاق مع عقال رقمية، وإزالة عقال (الشكل 1B-C). تأكد من أن لجنة التحقيق ويرد بشكل جيد لرأس المشاركين.
  6. وضع غطاء التظليل مع الكاميرا رئيس شنت عليه خلال سماعة fNIRS.
  7. شرح القواعد التجريبية للمشارك. وتشمل الاحتياطات المتعلقة الجهاز (على سبيل المثال، خذ أقل وقت ممكن دون التسرع أو ترك المجرب وراء (NO تشغيل) ")، فضلا عن حقيبةك قواعد محددة (على سبيل المثال، "لا تذهب خارج منطقة ميدان الملكة في الشوارع المجاورة أو المناطق").
  8. هل لديك المشارك بنجاح حفظ جميع القواعد والخروج الى الشارع لبدء التجربة.

3. fNIRS إشارات تقييم الجودة

  1. استخدام نظام fNIRS في وضع اللاسلكية أول من بصريا فحص الجودة إشارات على الكمبيوتر المحمول fNIRS:
    1. اضغط على زر "السلطة" على مربع المحمولة وتشغيل fNIRS في وضع اللاسلكية. فتح برنامج الحصول على fNIRS على الكمبيوتر المحمول fNIRS وتأسيس اتصال مع مربع المحمولة.
    2. اضغط على زر "مسبار تعديل" لتحسين الكشف عن كسب على قاعدة من ضوء الكشف.
    3. تحقق نتائج التحقيق تعديل على برنامج "التحقيق التكيف" نافذة ومعرفة ما اذا كان كل كشف يتلقى ما يكفي من الضوء من المصادر عن طريق فحص إذا تصنف جميع القنوات بأنه "عادي". إذايتم وضع علامة القنوات و"الضالة" أو "تحت"، وإعادة مكان غطاء التظليل وتعظيم optodes اقتران مع جبهته. إذا تم وضع علامة القنوات بأنها "أكثر"، تعيين قوة مصدر الليزر إلى "منخفض".
      ملاحظة: كما تغطي القنوات الجانبية قشرة الفص الجبهي الظهرية الوحشية، في بعض الحالات، قد يكون من الضروري نقل الشعر من على الجبين لتحقيق أقصى قدر من ضوء استلامها.
    4. اضغط على زر "جاهز" ثم "ابدأ" لاكتساب البيانات لمدة دقيقة ومعرفة ما اذا كان (التذبذبات الهيموجلوبين ~ 1 هرتز) ضربات القلب غير مرئية على إشارات تركيز، والتي تضمن جودة إشارة جيدة.
  2. إيقاف مربع المحمولة في وضع اللاسلكية الضغط على زر "السلطة" على ذلك. اضغط على زر "السلطة" بالتزامن مع زر "الوضع" في مربع المحمولة لتشغيل fNIRS في وضع مستقل.
    ملاحظة: قائمة بذاتهاوضع يضمن أن المشاركين يمكن ان تتحرك بحرية في جميع أنحاء المنطقة التجريبية ويتجنب ضرورة أن تكون قريبة من الكمبيوتر المحمول fNIRS للحفاظ على اتصال لاسلكي.

4. الحصول على البيانات

  1. تشغيل الكاميرا الرأس وكاميرات المجربون "وبدء التصوير. اضغط على زر "مسبار تعديل" على fNIRS مربع المحمولة لتحسين الكشف عن اكتساب ومن ثم اضغط على زر "تشغيل / إيقاف" لبدء عملية الاستحواذ fNIRS (أخذ العينات تردد = 5 هرتز).
  2. إضافة علامة على البيانات fNIRS يدويا باستخدام زر "مارك" على fNIRS مربع المحمولة بالتعاون مع المشغل الصوتي (على سبيل المثال، صوتا). يجب أن تسجل على الزناد الصوت بوضوح على كل كاميرات الفيديو. ثم بدء التجربة.
    ملاحظة: هذا يسمح مزامنة الوقت قوية بين كاميرات الفيديو المختلفة وfNIRS تسجيل.

5. بروتوكول & # التجريبية160؛

  1. وتشمل الشروط التالية وموازنة تلك الذاكرة المحتملين عبر المشاركون:
    1. استخدام 3 شروط أساسية:
      ملاحظة: هذا يسمح لفصل التغيرات الديناميكية الدموية والأوكسجين العالمية بسبب التغييرات المنهجية مقابل استجابات أكثر محلية بسبب الدماغ على المشي ذات الصلة (العصبية) وظيفة.
      1. لحالة الراحة 1، يكون المشارك تقف ثابتة في الشارع حيث يتم إجراء الاختبار، وحساب عدد من المحفزات على قطعة من الورق (على سبيل المثال، استخدم ورقة تحتوي على الصبغي X ونظام التشغيل المطبوعة على ذلك ويكون عدد المشاركين عدد السراج على ذلك).
      2. لحالة الراحة 2، لديها المشاركين يدخلون على بعد مسافة قصيرة سيرا على الأقدام بوتيرة طبيعية، وجعل أي مطالب أخرى منه.
      3. للشرط الأساس، يكون المشارك يتجول في منطقة شارع بأكمله حيث أجريت التجربة.
        ملاحظة: في حالتنا، وكانت التجربة مكانفي ساحة الملكة، لندن WC1N، المملكة المتحدة
    2. لحالة مستمرة غير الملوثة، يكون المشارك المشي حول منطقة التجريبية والعد وقوع بعض البنود (على سبيل المثال، أن عددا من علامات الملصقة على المباني التي تحتوي على كلمة "الملكة").
    3. للشرط الذاكرة مستقبلية غير الاجتماعية، يكون المشارك تنفيذ المهمة الجارية (على سبيل المثال، يكون المشارك حساب عدد من التمور وساعات العمل الملصقة على المباني)، ولكن بالإضافة إلى ذلك، إذا أتوا على مسافة محددة من متر وقوف السيارات، ومنها تذهب إلى أكثر من ذلك ومسها.
    4. للشرط الذاكرة مستقبلية الاجتماعية، يكون المشارك تنفيذ المهمة الجارية (على سبيل المثال، يكون المشارك العد الأجراس عدد)، ولكن بالإضافة إلى ذلك، يكون له الرد على واحد من المجربين الذين بمثابة الحليف الذي يتحرك حولها إلى ما قبل مواقف -specified داخل منطقة تجريبية. وقد المشارك تتجاوز لهمومنحهم "قبضة عثرة" تحية.
    5. استخدام حالة الجارية إضافية (الملوثة الجارية) بعد الظروف PM (على سبيل المثال، المشاركين أن نحصي عدد من السلالم دون عائق داخل منطقة الاختبار).
    6. كرر شرطين الراحة المذكورة أعلاه من أجل المعاكس (2 الراحة ثم الراحة 1).
      ملاحظة: هذا يسمح تقييم التغييرات المنهجية المتعلقة المشي في نهاية التجربة.

6. استرداد الأحداث من الفيديو

  1. تحميل ملفات الفيديو من جميع الكاميرات وحفظها في شكل MPG4.
  2. تحميل ملفات الفيديو من جميع الكاميرات في ELAN (https://tla.mpi.nl/tools/tla-tools/elan/) ومزامنة ملفات الفيديو: خيارات استخدام / وسائل الإعلام الوضع التزامن ومواءمتها استنادا إلى نقطة زمنية من الصوت الزناد.
  3. في ELAN، استخدم الشروح واضغط على زر المستوى في الإطار الرئيسي ELAN (في اشارةلمجموعات من الشروح، أي، الدرجة الأولى لجميع PM أهداف اجتماعية) بمناسبة الأحداث في دفق الفيديو.
    1. مشاهدة دفق الفيديو متزامنة والحواشي بداية ونهاية كل حالة تجريبية، واستخدام طبقات من أجل النقطة التي يتم التوصل لكل PM المستهدفة. استخدام طبقات منفصلة للPM الأهداف الاجتماعية وغير الاجتماعية.
    2. استكمال تحرير الفيديو لكل مشارك واستخدام ملف / تصدير و/ بين السطور نص لتصدير كملف نصي كل نقطة زمنية المشروح.

تحليل 7. البيانات

  1. فتح البرنامج fNIRS وتصدير البيانات من بطاقة المحمولة مربع فلاش في الكمبيوتر المحمول fNIRS.
    ملاحظة: وحدة fNIRS معالجة النظام يستخدم تعديل قانون بير لامبرت وتحسب التغيرات النسبية في HBO 2 و HHB من التعسفي صفر خط الأساس في بداية فترة القياس. وبالتالي التعبير عن القيم التركيز في تركيزات المولي (مليمول / لتر) مضروبامن طول المسار (ملم) 6 لأنها ليست تصحيح لطول مسار بصري.
  2. حفظ البيانات تركيزات واستيرادها إلى مطلب من خلال برنامج ما قبل المعالجة في المنزل.
  3. قبل عملية الإشارات باتباع الخطوات التالية (الشكل 3B):
    1. إشارات أخذ العينات باستمرار إلى 1 هرتز:
      1. استخدام الاستيفاء سين (وظيفة ماتلاب: interp1) لبيانات عينة أسفل من 5 هرتز إلى 1 هرتز.
    2. خطي Detrending:
      1. لإزالة الانجرافات بطيئة للإشارة، استخدام الخطية (وظيفة ماتلاب: polyfit) بين المراحل الراحة 1 في بداية ونهاية التجربة.
    3. الحركة قطعة أثرية تصحيح:
      1. لكل قناة، وتحديد وإزالة الحركة الفنية من خلال طريقة القائم على المويجات 31. تحسين جودة الإشارات من خلال تطبيق الارتباط استنادا تحسين الإشارة (CBSI) طريقة 32.
    4. المويجات معقدة تحول:
        <لى> استخدام المويجات الأم Morlet، تحجيم وترجمتها على مر الزمن، لحساب تحويل المويجات من كل قناة من خلال الأدوات المويجات (وظيفة ماتلاب: وزن) التي تقدمها Grinsted وآخرون 33 (. http://noc.ac.uk/ باستخدام العلوم / crosswavelet-المويجات-التماسك).
        ملاحظة: من الطيف المويجات، فمن الممكن لتقييم المحتوى الطيفي للإشارات في الفضاء الوقت التردد.
    5. الفرقة تمرير تصفية:
      1. على قاعدة تحليل المويجات، استخدم 3 النظام الثالث بتروورث مرشح الفرقة تمرير (وظائف ماتلاب: الزبدة وفلتر) مع قطع ترددات 0،008-0،2 هرتز 7، 34.

Representative Results

ويعرض الشكل 3 مثال على HBO 2 و إشارات HHB الامم المتحدة المجهزة (قناة 8) سجلت خلال PM التجربة القائمة على الحياة في دراسة الحالة هذه (الشكل 3A) وإشارات المقابلة (الشكل 3C) بعد معالجتها مسبقا (الشكل 3B ). ويبين الشكل 4 طيف الطاقة المويجات من قناة HBO 8 2 وإشارات HHB التي المستطيل يدل على مدى التردد مع الحفاظ على تصفية الفرقة بالمرور. وبالنظر إلى حقيقة أن المشاركين كان يسير خارج في كافة مراحل التجربة ونقل رأسه لتنفيذ المهمة، وكان نظام fNIRS قوية ضد الحركة الفنية وأشعة الشمس. في الواقع، HBO 2 العلاوات والتناقصات HHB يمكن العثور عليها في المراسلات إلى غير الاجتماعية (الشكل 3D) والاجتماعية (الشكل 3E) أحداث ذاكرة المحتملين. هذه الاتجاهات تدل عادة نشاط المخ وظيفية 13، 35. وفيالواقع، عندما يتم تنشيط منطقة الدماغ، والطلب الخلايا العصبية 'التمثيل الغذائي لزيادة الأكسجين مع الزيادات اللاحقة في إقليمي تدفق الدم إلى المخ. كما يتم تسليم معظم الأكسجين إلى الخلايا من خلال الهيموجلوبين، ولوحظت زيادات في HBO 2 وانخفاض في تركيزات HHB خلال نشاط الدماغ وظيفية 9. المناطق داخل قشرة الفص الجبهي الذي يحمل هذه الاتجاهات يمكن تقييمها من قبل التوزيع المكاني للHBO 2 و HHB قيم تركيز معين على جبهته (الشكل 5 فيديو 1 فيديو 2). ويرد مثال على كيفية توزيع استجابات الدماغ لPM الحدث الاجتماعي عبر كل القنوات في الشكل (5). 5A الشكل وتقرير الشكل 5B على التوالي التوزيع المكاني على جبين HBO 2 و HHB لPM الحدث الاجتماعي (ر = 2455 الصورة)، في حين الشكل 5C والشكل 5D تقرير respectiv اعل التوزيع المكاني للHBO 2 و HHB لPM الحدث غير الاجتماعي (ر ق = 1744). يبين الشكل 5 مواقع إقليمية (قنوات) حيث زيادة في HBO 2 (الأحمر والشكل 5A-C) وانخفاض في HHB (الأزرق والشكل 5B-D) ويمكن ملاحظتها بوضوح، مما يدل على وظيفة زيادة الدماغ. وقدم مثالا على النشاط قبل الجبهي القشرة كيف لPM الاجتماعي وPM الأحداث غير الاجتماعية وتوزيعه عبر قنوات التغيير مع مرور الوقت في فيديو 1 وفيديو 2. بالإضافة إلى ذلك، أرقام 6 و 7 تظهر البيانات من جميع القنوات المقابلة ل نوافذ زمنية المدرجة في فيديو 1 وفيديو 2، على التوالي.

الديناميكية الدموية ويمكن ملاحظة التغييرات الأوكسجين في الشكل 3A ذات الصلة المشي. ويزيد HHB واضحة و HBO 2 انخفاضات تحدث أثناء ظروف المشي، وتتم إزالة هذه بعد المعالجة التمهيدية.

ontent "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> الشكل 1
تكوين الشكل 1. fNIRS سماعة التنسيب والقنوات. الترتيب Optodes في التحقيق fNIRS هو موضح في لوحة A. الدوائر الحمراء تشير إلى نقاط الحقن (المصادر)، والدوائر الصفراء للنقاط جمع (كشف) والدوائر الخضراء القنوات القياسات. يتم وضع مسبار على جبهته (B، C، D) مع قناة 9 في المراسلات نقطة FPZ وقنوات 8-9 تتماشى مع خط الوسط ناسيون-Inion. يتم تحويل قنوات موقع الرقمية في MNI نظام الإحداثيات وتتداخل على قشرة الدماغ (E). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

6 / 53336fig2.jpg "/>
وتشير الشكل 2. 10-20 نظام الإشارات التشريحية. وأبرز الدوائر النقاط المرجعية المختارة يتم وضع علامة على رأس المشاركين (نيوزيلندي = ناسيون، عز = Inion، LPA = اليسار قبل أذني، الجيش الوطني الرواندي = الحق قبل الأذني). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. الإشارة تيار ما قبل المعالجة. (A) إتش بي أو 2 وHHB إشارات الخام المأخوذة من قناة تمثيلية (قناة 8). خطوط سوداء تشكل بداية ونهاية كل حالة تجريبية. خطوط خضراء وأرجواني علامة يضرب ذاكرة مستقبلية غير الاجتماعية والاجتماعية. العلامات النجمية تشير إلى الظروف مشى. (R1 = الراحة 1؛ R2 = الراحة 2، B = خط الأساس؛ أغش = الجارية ملوثة. PMns = غيرذاكرة مستقبلية -الأخبار الاجتماعية. رئيسا وزراء = ذاكرة مستقبلية الاجتماعية؛ شركة الغاز العمانية = الملوثة مستمر). (B) وتظهر هذه اللوحة قبل معالجة تدفق الرسم البياني تطبيقها على القناة 8 إشارات الخام. (C) وترد إشارات معالجتها قبل الناجمة عن ذلك. (D، E) HBO 2 الزيادة والنقصان HHB تحدث استجابة لاختياره غير الاجتماعي (D) والاجتماعية (E) يضرب الذاكرة المحتملين. عادة ما يرتبط هذا الاتجاه الدورة الدموية إلى تنشيط وظيفية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. المويجات أطياف السلطة. (A، B) وترد أطياف السلطة المويجات من قناة HBO 8 2 وإشارات الخام HHB في لوحة A و B، على التوالي. خطوط سوداء تشكل بداية ونهاية كل حالة تجريبية. العلامات النجمية تشير إلى الظروف مشى. (R1 = الراحة 1؛ R2 = الراحة 2، B = خط الأساس؛ أغش = الجارية ملوثة. PMns = الذاكرة غير الاجتماعية المستقبلية. بمس = الذاكرة الاجتماعية المستقبلية. OGC = الجارية ملوثة). المستطيل الأسود يبرز مدى التردد الحفاظ عليها من خلال تصفية الفرقة تمرير (،008-0،2 هرتز). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. التوزيع المكاني للنشاط القشرية لPM الأحداث. يتم تعيين HBO 2 و HHB التغييرات التركيز على القشرة الخارجية للدماغ لتحديد النشاط الوظيفي استجابة لPM المناسبات الاجتماعية (AB) وPM الأحداث غير الاجتماعية (CD). HBO 2وتؤخذ القيم HHB في تي = 2455 ثانية لPM الحدث الاجتماعي (AB) و t = 1744 ثانية لPM الحدث غير الاجتماعي (CD). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الرقم 6. الأوكسي هيموغلوبين وديوكسي هيموغلوبين إشارات لجميع القنوات استجابة لPM الأحداث غير الاجتماعية، وخطوط خضراء تشير إلى PM الأحداث غير الاجتماعية (ر = 1744 ثانية ور = 1792 ثانية). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
الرقم 7. الأوكسي هيموغلوبين وديوكسي هيموغلوبين سيجNALS لجميع القنوات استجابة لPM الحدث الاجتماعي. الخط البنفسجي يدل على PM الحدث الاجتماعي (ر = 2455 ثانية). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
فيديو 1. HBO 2 والتغييرات تركيز HHB لPM المناسبات الاجتماعية. ويظهر الفيديو كيف HBO 2 (اللوحة اليسرى) وHHB (اللوحة اليمنى) تتطور مع مرور الوقت في حين أن المشاركين يقترب إلى الهدف PM الاجتماعي. الفيديو من الكاميرا المرفقة يتزامن الصدر مجرب و. الرجاء انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو.

الرقم 7 الفيديو 2. HBO 2 و تركيز HHB تغييرات PM الأحداث غير الاجتماعية. ويظهر الفيديو كيف HBO 2 (اللوحة اليسرى) وHHB (اللوحة اليمنى) تتطور مع مرور الوقت في حين أن المشاركين يقترب إلى PM المستهدفة غير الاجتماعي. الفيديو من الكاميرا المرفقة يتزامن الصدر مجرب و. الرجاء انقر هنا لمشاهدة هذا الفيديو.

Discussion

وكان الهدف من هذه الدراسة لتقييم إمكانية استخدام يمكن ارتداؤها وfiberless fNIRS لمراقبة الديناميكية الدموية في الدماغ والأوكسجين التغييرات المرتبطة ب الدماغ نشاط الخلايا العصبية في حالات العالم الحقيقي. تم استخدام نظام fNIRS الأقنية يمكن ارتداؤها وfiberless لقياس نشاط الدماغ خلال قشرة الفص الجبهي أثناء مهمة ذاكرة مستقبلية تجرى خارج المختبر. وبحثت دراسة الحالة ذكرت هنا ما إذا كانت تغيرات في الدماغ في HBO 2 و HHB على المشاركين التحرك بحرية في استجابة لPM العظة الاجتماعية وغير الاجتماعية في تجربة خارج المختبر يمكن رصدها بشكل مستمر وبقوة.

استخدام fNIRS على التحرك المشاركين في التجارب القائمة على حياة بحرية يمثل حالة صعبة. في الواقع، يمكن أن حركات الرأس يسبب نزوح التحقيق مع الحركة الفنية يترتب على ذلك أن الفاسدة تحديد البصرية من نشاط الدماغ 36. وعلاوة على ذلك، وأجهزة الاستشعار البصرية حساسة للضوء شارد (على سبيل المثال، وضوء الشمس عند إجراء تجارب خارج)، وخلق ضجيج إضافية في إشارات fNIRS. تقدم دراسة حالة ذكرت مظاهرة الأولية للجدوى نظام fNIRS في مثل هذه التطبيقات واقع الحياة. غياب الألياف البصرية في هذه الأجهزة يمنع اقتران البصرية بين فروة الرأس وoptodes مما أدى إلى قياسات أكثر قوة ضد الحركة الفنية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن سقف التظليل يضمن التدريع جيدة من الضوء الشارد الذي يتجنب الكشف عن التشبع وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). وعلاوة على ذلك، تم العثور على زيادات في HBO 2 وانخفاض في تركيزات HHB في مراسلات PM الزيارات الاجتماعية وغير الاجتماعية (الشكل 3D-E) 11، 37 مما يدعم جدواه. من أجل تقييم ما إذا كانت الاتجاهات الديناميكية الدموية التي لوحظت في الشكل 3D-E ذات دلالة إحصائية لتحديد المناطق وتفعيلها داخل قشرة الفص الجبهي (الشكل 5، فيدEO 1، فيديو 2، الشكل (6)، الشكل 7)، فهناك حاجة إلى تحليلات على مستوى المجموعة. من أجل جعل الاستدلال وتحديد مناطق قشرة الفص الجبهي وظيفيا المتخصصة 38، 39، سوف يعمل في المستقبل تقديم بيانات المجموعة والتحليلات الإحصائية على أساس الخرائط الإحصائية البارامترية (SPM) باستخدام نهج عامة النموذج الخطي (GLM).

على الرغم من أن النتائج يجب أن تعتبر أولية، وقد ثبت أن fiberless fNIRS يمكن تقديمه فعليا خارج إعدادات المختبر التقليدية والمستخدمة لرصد الوقت الحقيقي من نشاط الدماغ. هذا يفتح الاتجاهات الجديدة للأبحاث العصبية والأعصاب. هناك مجالين على الأقل واضحة للتطبيق في هذا الصدد. الأولى تتعلق بصحة البيئة. الباحثين علم الأعصاب الإدراكي التحقيق في أنماط نشاط المخ في حين أن الناس يؤدون المهام الإدراكية (باستخدام سبيل المثال.، علامة يعتمد مستوى الأوكسجين في الدمتغيير القاعدة على وكيل في التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي) وذلك في محاولة لاكتشاف كيفية دعم المخ قدراته العقلية لدينا. في بعض الحالات، فمن الممكن لخلق حالات تجريبية في الماسح الضوئي الذي يطابق عن كثب الوضع في الحياة اليومية حيث يتم استخدام عملية الفائدة. تنظر، على سبيل المثال، القراءة. قراءة الكلمات على شاشة أثناء وجوده في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي المرجح أن يجعل مثل هذه المطالب مماثلة لقراءة الكلمات في الكتاب عندما في المنزل التي اتخذتها تقريبا من المسلم به أن النتائج المستقاة في الماسح الضوئي يمكن أن تساعد في شرح الطريقة التي تنفذ بها الدماغ القراءة في الحياة اليومية. ومع ذلك، لعدة أشكال من السلوك البشري والإدراك، وهذا الافتراض هو أكثر خطورة. على سبيل المثال، والعمليات المعرفية التي يستخدمها أحد المشاركين عندما تقدم الوضع الاجتماعي في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي (حيث مشارك غير متحرك، من تلقاء نفسها، وفي بيئة غير مألوفة للغاية وتخضع لرقابة مشددة) قد يكون جيدا مختلفة في ما يخص هامة لتلك تعمل عندما يكون المشارك socialisجي في الحياة الحقيقية 40. هذا مهم بشكل خاص في علم الأعصاب الاجتماعي حيث التحقيق في يرتبط العصبية من ديناميات بين الشخصية (hyperscanning تسميته، لاستعراض رؤية Babiloni وAstolfi، 2014 41) يتطلب وجود بيئة أكثر طبيعية. hyperscanning أساس تقارير قوائم الجرد الوطنية 42، 43 وبالتالي قد يمثل أداة جديدة لمراقبة نشاط المخ في وقت واحد من شخصين أو أكثر في حالات واقعية. في الواقع، هناك بعض القدرات العقلية التي لا يمكن دراستها بشكل جيد في بيئة اصطناعية للغاية ومقيدة جسديا من الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي، PET أو MEG. تلك التي تنطوي على التمشي أو كبيرة كميات من الحركة الجسدية فضلا عن تلك التي تنطوي على التفاعلات الاجتماعية مرشحين واضحين. لهذا السبب، أن تكون قادرة على دراسة نشاط الدماغ من المشاركين في الحالات الطبيعية غير مرغوب فيه للغاية للباحثين.

A، ذات الصلة، منطقة واسعة الثانية من تطبيق تتعلق استخدام هذه التكنولوجيا فيالحالات السريرية. قد يكون مرشح واضح neurorehabilitation، حيث يمكن للمرء أن ترغب في دراسة الآثار على الدماغ من إجراءات التدريب لأنشطة الحياة اليومية (على سبيل المثال، في المطبخ)، أو دواء معين على السكان العصبية فيما يتعلق بهذه الأنشطة. ولكن هذه التكنولوجيا يمكن أيضا ربما تكون وضعت لضبط التعليمية أيضا، وعلى سبيل المثال، لاستخدام "الوقت الحقيقي" الرصد الذاتي من نشاط الدماغ. قابلية، منخفضة المخاطر، والقدرة على استخدامها في الموقع في بيئات العالم الحقيقي مع الحد الأدنى من القيود على السلوك، ويجعل هذه الطريقة تختلف كثيرا عن غيرها المتوفرة حاليا.

ومع ذلك، على الرغم من أن أنظمة fNIRS يمكن ارتداؤها تظهر إمكانية الملاحظات في العالم الحقيقي، وهناك قيود الأخرى التي يجب معالجتها عند استخدام fNIRS أثناء المشي الطبيعي. منذ ضوء الأشعة تحت الحمراء ينتقل عن طريق فروة الرأس، أنه حساس للعمليات التي تحدث في كل من لالدماغيND مقصورات خارج المخ من الرأس. وأظهرت دراسات سابقة أن قدرا معينا من الإشارات التي تقاس من خلال fNIRS ينشأ عن التغيرات النظامية 34، 39، 44 التي لا ترتبط مباشرة لنشاط الدماغ (انظر Scholkmann وآخرون. (9) لاستعراض). كما تتأثر الدورة الدموية داخل وخارج الدماغية بسبب التغيرات النظامية على حد سواء، أثار مهمة وعفوية (على سبيل المثال، معدل ضربات القلب وضغط الدم والتنفس، وتدفق الدم الجلد)، وينبغي النظر في التغيرات الفسيولوجية المتعلقة بالنشاط المشي. انها تأتي من الجهاز العصبي اللاإرادي (ANS) النشاط، الذي ينظم معدل ضربات القلب والتنفس وضغط الدم والأوعية قطر من خلال الألياف صادر لها. على نحو أدق، وتقسيم تعاطفا من ANS هو فرط تنشيط أثناء ممارسة الرياضة مما يؤدي إلى معدل ضربات القلب وضغط الدم والتنفس زيادات 45. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات السابقة أن التنفس يؤدي الى تغييرات في الضغط الجزئي للdiox الكربونبيئة تطوير متكاملة في الدم الشرياني (باكو 2) والذي بدوره تأثير الدماغي تدفق الدم وحجم الدم في الدماغ 46، 47. وبالإضافة إلى ذلك، ويبين الشكل 3A مثال على زيادات HHB الدورية وHBO 2 الانخفاضات التي تحدث خلال فترات قصيرة سيرا على الأقدام التي يمكن الخلط بينه وبين تعطيل الدماغ. من أجل إجراء مقارنات ثابتة بين الشروط (على سبيل المثال، تقييم ما إذا كانت تغييرات كبيرة في تركيز تحدث يتعلق فترة الأساس)، ينبغي أن تقاس جميع المراحل التجريبية في إطار نفس الولاية النشاط البدني. لهذا السبب، أدرج مرحلة الراحة سار (الراحة 2) لدينا في البروتوكول القائم على الحياة. والتفسير السليم للبيانات fNIRS يتطلب أيضا SNR جيد. وعادة ما يتحقق هذا مع كتلة التقليدية والتصاميم ذات الصلة بالحدث حيث تتكرر التحفيز عدة مرات. التكرار محاكمة والتصاميم الهيكلية ليست دائما ممكنة في تجارب فى الحياة. لهذا السبب، وأجهزة استشعار إضافية والشركة المصرية للاتصالات تحليل المناسبةchniques لحساب التغييرات المنهجية 48 والحركة الفنية ضرورية لتحسين SNR وتفسير إشارات الدماغ بشكل صحيح. ونحن نخطط للتحقيق في تأثير هذه التغييرات المنهجية المتعلقة المشي من خلال استخدام الأجهزة المحمولة لمراقبة معدل التنفس ومعدل ضربات القلب وسرعة المشي. وعلاوة على ذلك، فإن مشكلة الانتعاش الأحداث تحتاج إلى معالجة، أيضا. في التجارب علم الأعصاب المعرفية، والتحقيق في نشاط الدماغ في ما يتعلق المحفزات أو البيئات التي كتبها المشاركين واجهتها، وسلوكهم في استجابة ل، أو تحسبا منها. لذا المجربون تحتاج إلى (أ) معرفة ما هو متاح حاليا للمشارك في بيئتهم، و (ب) لديها سجل حظة تلو لحظة من سلوك المشارك. في حالة مختبر نموذجي هذه العوامل يمكن التحكم بسهولة منذ مجرب يمكن أن تقيد ما تواجه المشاركين، وشكل وعدد من السلوكيات التي يمكن للمشارك جلاء. ومع ذلك، هذا ليسالحال في بيئات "العالم الحقيقي" خارج المختبر، حيث العديد من الأحداث والتجارب التي المشارك البحوث سوف يكون هي خارجة عن سيطرة صارمة من المجرب 49. وفقا لذلك، في "العالم الحقيقي" نوع المهام من النوع درس هنا، وتستخدم سجلات الفيديو لتحليل (على سبيل المثال، Shallice وبورغيس، 1991 3). وهذا يسمح لاسترداد كل من أصيب (على سبيل المثال، على مستوى الكتلة) وعابرة (على سبيل المثال، ذات الصلة الحدث) العمليات التي تدعم مختلف جوانب الأداء (للمراجعة يرى جونين-Yaacovi وبورغيس، 2012 21). الأحداث التي سيتم استردادها من تسجيلات الفيديو سيعتمد على السؤال النظري يجري تناولها في التجربة. في دراسة الحالة المبلغ عنها، تم انتشال onsets الحدث من أشرطة الفيديو تم تصويره من قبل 3 كاميرات. هذا الإجراء من تحديد بداية وانتهاء العظة معينة والاستجابات السلوكية غير شاقة وتتطلب مهارة عندما أجريت على دات القائم على الحياةا. A القضية المركزية هي أن مع "الحياة الحقيقية" تجارب نوع هناك عادة ليست بنفس الدرجة من المعرفة المسبقة للأحداث كما هو الحال مع تلك المستندة إلى المختبر، ويتعين على المشاركين عادة مجالا أكبر في الطريقة التي يمكن أن تستجيب. وعلاوة على ذلك، كمشاركين أحرار في التحرك في بيئة طبيعية وغير المنضبط، وأنهم يواجهون مجموعة متنوعة من المحفزات سريع التغير، وأنه من الصعب لاسترداد الاستجابة الديناميكية الدموية إلى الحدث الحقيقي للفائدة. على سبيل المثال، في دراسة الحالة، والاتجاهات الديناميكية الدموية التي لوحظت HBO 2 و HHB (الشكل 3D-E) ليست لبداية تعافى الفيديو مثل ذات الصلة بالحدث استجابة نموذجية الديناميكية الدموية 38 مرحلة غير الساحلية. HBO 2 و HHB بدء التوالي في الارتفاع والانخفاض 20 ثانية قبل بدء التحفيز وتصل ذروتها بعد ذلك. وبالتالي هناك حاجة تحليلات أخرى لتحديد ما إذا PM العظة الأحداث التي تحدث في الواقع عندما يرى المشارك الهدف، عندما تقترب نحوه أوعندما تصل إلى ذلك. ونظرا للإمكانات تكنولوجيا fNIRS fiberless للتطبيقات السريرية واقع الحياة، والعمل في المستقبل سوف معالجة مشكلة ترميز الفيديو من خلال تطوير خوارزميات جديدة لتحديد onsets الحدث بطريقة أكثر موضوعية، وكذلك استكشاف إمكانية القيام بذلك مباشرة من البيانات fNIRS.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Wearable Optical Topography Hitachi High-Technologies 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, Ltd. http://www.hitachi.co.jp/products/ot/analyze/kaiseki_en.html

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Alvarez, J. A., Emory, E. Executive function and the frontal lobes: a meta-analytic review. Neuropsychol. Rev. 16 (1), 17-42 (2006).
  2. Jurado, M. B., Rosselli, M. The elusive nature of executive functions: a review of our current understanding. Neuropsychol. Rev. 17 (3), 213-233 (2007).
  3. Shallice, T. I. M., Burgess, P. W. Deficits in strategy application following frontal lobe damage in man. Brain. 114 (2), 727-741 (1991).
  4. Burgess, P. W., Alderman, N., Volle, E., Benoit, R. G., Gilbert, S. J. Mesulam's frontal lobe mystery re-examined. Restor. Neurol. Neurosci. 27 (5), 493-506 (2009).
  5. Kvavilashvili, L., Ellis, J. A. Ecological validity and the real-life/laboratory controversy in memory research: a critical and historical review. History and Philosophy of Psychology. 6 (1), 59-80 (2004).
  6. Atsumori, H., et al. Development of wearable optical topography system for mapping the prefrontal cortex activation. Rev. Sci. Instrum. 80 (4), 043704 (2009).
  7. Piper, S. K., et al. A wearable multi-channel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects. Neuroimage. 85, 64-71 (2014).
  8. Casson, A. J., Smith, S., Duncan, J. S., Rodriguez-Villegas, E. Wearable EEG: what is it, why is it needed and what does it entail? IEEE Eng. Med. Biol. Mag. , 5867-5870 (2008).
  9. Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage. 85, 6-27 (2014).
  10. Hoshi, Y. Functional near‐infrared optical imaging: Utility and limitations in human brain mapping. Psychophysiology. 40 (4), 511-520 (2003).
  11. McKendrick, R., Parasuraman, R., Ayaz, H. Wearable functional near infrared spectroscopy (fNIRS) and transcranial direct current stimulation (tDCS): expanding vistas for neurocognitive augmentation. Front. Syst. Neurosci. 9, (2015).
  12. Lloyd-Fox, S., Blasi, A., Elwell, C. E. Illuminating the developing brain: the past, present and future of functional near infrared spectroscopy. Neurosci. Biobehav. Rev. 34 (3), 269-284 (2010).
  13. Obrig, H., et al. Near-infrared spectroscopy: does it function in functional activation studies of the adult brain? Int. J. Psychophysiol. 35 (2), 125-142 (2000).
  14. Ferrari, M., Quaresima, V. A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application. Neuroimage. 63 (2), 921-935 (2012).
  15. Sagara, K., Kido, K., Ozawa, K. Portable single-channel NIRS-based BMI system for motor disabilities' communication tools. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 602-605 (2009).
  16. Shiga, T., Yamamoto, K., Tanabe, K., Nakase, Y., Chance, B. Study of an algorithm based on model experiments and diffusion theory for a portable tissue oximeter. J. Biomed. Opt. 2 (2), 154-161 (1997).
  17. Muehlemann, T., Haensse, D., Wolf, M. Wireless miniaturized in-vivo near infrared imaging. Opt. Express. 16 (14), 10323-10330 (2008).
  18. Kim, C. K., Lee, S., Koh, D., Kim, B. M. Development of wireless NIRS system with dynamic removal of motion artifacts. Biomed. Eng. Lett. 1 (4), 254-259 (2011).
  19. Ayaz, H., Onaral, B., Izzetoglu, K., Shewokis, P. A., McKendrick, R., Parasuraman, R. Continuous monitoring of brain dynamics with functional near infrared spectroscopy as a tool for neuroergonomic research: empirical examples and a technological development. Front. Hum. Neurosci. 7, 871 (2013).
  20. Safaie, J., Grebe, R., Moghaddam, H. A., Wallois, F. Toward a fully integrated wireless wearable EEG-NIRS bimodal acquisition system. J. Neural. Eng. 10 (5), 056001 (2013).
  21. Gonen-Yaacovi, G., Burgess, P. W. Prospective memory: the future for future intentions. Psychol. Belg. 52 (2-3), 173-204 (2012).
  22. Gilbert, S. J., Williamson, I. D. M., Dumontheil, I., Simons, J. S., Frith, C. D., Burgess, P. W. Distinct regions of medial rostral prefrontal cortex supporting social and nonsocial functions. Soc. Cogn. Affect. Neurosci. 2, 217-226 (2007).
  23. Burgess, P. W., Gonen-Yaacovi, G., Volle, E. Functional neuroimaging studies of prospective memory: What have we learnt so far? Neuropsychologia. 49 (8), 2246-2257 (2011).
  24. Okamoto, M., et al. Three-dimensional probabilistic anatomical cranio-cerebral correlation via the international 10–20 system oriented for transcranial functional brain mapping. Neuroimage. 21 (1), 99-111 (2004).
  25. Jasper, H. H. The ten twenty electrode system of the international federation. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 10, 371-375 (1958).
  26. Okamoto, M., Ippeita, D. Automated cortical projection of head-surface locations for transcranial functional brain mapping. Neuroimage. 26 (1), 18-28 (2005).
  27. Singh, A. K., et al. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
  28. Koessler, L., et al. Automated cortical projection of EEG sensors: anatomical correlation via the international 10–10 system. Neuroimage. 46 (1), 64-72 (2009).
  29. Burgess, P. W., Quayle, A., Frith, C. D. Brain regions involved in prospective memory as determined by positron emission tomography. Neuropsychologia. 39, 545-555 (2001).
  30. Burgess, P. W., Scott, S. K., Frith, C. D. The role of the rostral frontal cortex (area 10) in prospective memory: a lateral versus medial dissociation. Neuropsychologia. 41, 906-918 (2003).
  31. Molavi, B., Dumont, G. A. Wavelet-based motion artifact removal for functional near-infrared spectroscopy. Physiol. Meas. 33 (2), 259-270 (2012).
  32. Cui, X., Bray, S., Reiss, A. L. Functional near infrared spectroscopy (NIRS) signal improvement based on negative correlation between oxygenated and deoxygenated hemoglobin dynamics. Neuroimage. 49 (4), 3039-3046 (2010).
  33. Grinsted, A., Moore, J. C., Jevrejeva, S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlin. Processes Geophys. 11 (5/6), 561-566 (2004).
  34. Kirilina, E., et al. Identifying and quantifying main components of physiological noise in functional near infrared spectroscopy on the prefrontal cortex. Front. Hum. Neurosci. 7, (2013).
  35. Hoshi, Y., Tamura, M. Dynamic multichannel near-infrared optical imaging of human brain activity. J. Appl. Physiol. 75 (4), 1842-1846 (1993).
  36. Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. Neuroimage. 85, 181-191 (2014).
  37. Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. Neuroimage. 29 (2), 368-382 (2006).
  38. Friston, K. J., Holmes, A. P., Worsley, K. J., Poline, J. P., Frith, C. D., Frackowiak, R. S. Statistical parametric maps in functional imaging: a general linear approach. Hum. Brain Mapp. 2 (4), 189-210 (1994).
  39. Tachtsidis, I., Koh, P. H., Stubbs, C., Elwell, C. E. Functional optical topography analysis using statistical parametric mapping (SPM) methodology with and without physiological confounds. Adv. Exp. Med. Biol. 662, 237-243 (2010).
  40. Burgess, P. W., Alderman, N., Evans, J., Emslie, H., Wilson, B. A. The ecological validity of tests of executive function. J. Int. Neuropsychol. Soc. 4, 547-558 (1998).
  41. Babiloni, F., Astolfi, L. Social neuroscience and hyperscanning techniques: past, present and future. Neurosci. Biobehav. Rev. 44, 76-93 (2014).
  42. Scholkmann, F., Holper, L., Wolf, U., Wolf, M. A new methodical approach in neuroscience: assessing inter-personal brain coupling using functional near-infrared imaging (fNIRI) hyperscanning. Front. Hum. Neurosci. 7, (2013).
  43. Cui, X., Bryant, D. M., Reiss, A. L. NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation. Neuroimage. 59 (3), 2430-2437 (2012).
  44. Tachtsidis, I., Leung, T. S., Devoto, L., Delpy, D. T., Elwell, C. E. Measurement of frontal lobe functional activation and related systemic effects: a near-infrared spectroscopy investigation. Adv. Exp. Med. Biol. 614, 397-403 (2008).
  45. Freeman, J. V., Dewey, F. E., Hadley, D. M., Myers, J., Froelicher, V. F. Autonomic nervous system interaction with the cardiovascular system during exercise. Prog. Cardiovasc Dis. 48 (5), 342-362 (2006).
  46. Scholkmann, F., Gerber, U., Wolf, M., Wolf, U. End-tidal CO2: an important parameter for a correct interpretation in functional brain studies using speech tasks. Neuroimage. 66, 71-79 (2013).
  47. Tisdall, M. M., et al. The effect on cerebral tissue oxygenation index of changes in the concentrations of inspired oxygen and end-tidal carbon dioxide in healthy adult volunteers. Anesth. Analg. 109 (3), 906-913 (2009).
  48. Tachtsidis, I., Leung, T. S., Chopra, A., Koh, P. H., Reid, C. B., Elwell, C. E. False positives in functional nearinfrared topography. Adv. Exp. Med. Biol. 645, 307-314 (2009).
  49. Gilbert, S. J., Zamenopoulos, T., Alexiou, K., Johnson, J. H. Involvement of right dorsolateral prefrontal cortex in ill-structured design cognition: An fMRI study. Brain Res. 1312, 79-88 (2010).

Tags

السلوك، العدد 106، بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي، ذاكرة مستقبلية، fNIRS، والدماغ، والطوبوغرافيا الضوئية، fiberless، والوظائف التنفيذية يمكن ارتداؤها، والتصوير، والتجربة القائمة على الحياة، الفص الجبهي
باستخدام Fiberless، fNIRS لبس لمراقبة نشاط المخ في المهام المعرفية في العالم الحقيقي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pinti, P., Aichelburg, C., Lind, F., … More

Pinti, P., Aichelburg, C., Lind, F., Power, S., Swingler, E., Merla, A., Hamilton, A., Gilbert, S., Burgess, P., Tachtsidis, I. Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks. J. Vis. Exp. (106), e53336, doi:10.3791/53336 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter