Waiting
Login processing...

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

Behavior

שימוש בבלי הסיבים, fNIRS ביש כדי לעקוב אחר פעילות המוח במשימות קוגניטיביות אמת העולם

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

ניטור פעילות מוחית מחוץ למעבדה ללא מגבלות פיזיות מציב אתגרים מתודולוגיים. בלי סיבים, מערכת לביש פונקציונלית הקרוב אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (fNIRS) שימש למדידת פעילות המוח במהלך משימת זיכרון פוטנציאלי אקולוגית. זה הודגם כי מערכת זו יכולה לשמש כדי לעקוב אחר פעילות המוח במהלך ניסויים מבוססים שאינה מעבדה.

Abstract

קרוב פונקציונלי אינפרא אדום ספקטרוסקופיה (fNIRS) היא טכניקת הדמייה שמשתמשת באור אינפרה-אדום הקרוב כדי לעקוב אחר פעילות המוח. בהתבסס על צימוד neurovascular, fNIRS הוא מסוגל למדוד את ריכוז ההמוגלובין משנה משניים לפעילות עצבית. בהשוואה לטכניקות הדמייה אחרות, fNIRS מהווה פשרה טובה מבחינת רזולוציה מרחב ובזמן. יתר על כן, הוא נייד, קל משקל, פחות רגיש לממצאים תנועה ואינו מטיל מגבלות פיזיות משמעותיות. לכן זה מתאים לניטור מגוון רחב של משימות קוגניטיביות (למשל, שמיעה, ניתוח הליכת אינטראקציה, חברתית) ואוכלוסיות שונות גיל (למשל, יילודים, מבוגרים, קשישים). הפיתוח האחרון של מכשירי fNIRS בלי הסיבים פתח את הדרך ליישומים חדשים במחקר מדעי מוח. זה מהווה הזדמנות ייחודית ללמוד פעילות פונקציונלית במהלך בדיקות בעולם אמיתי, שיכול להיות יותר רגיש ומדויק בתחתessing תפקוד הקוגניטיבי וחוסר תפקוד מבדיקות מבוססת מעבדה. מחקר זה בחן את השימוש בfNIRS בלי הסיבים כדי לעקוב אחר פעילות המוח במהלך משימת זיכרון פוטנציאלי בעולם אמיתי. פרוטוקול זה מתבצע מחוץ לשינויי ריכוז המעבדה והמוגלובין המוח נמדדים ברציפות על קליפת המוח הקדם חזיתית בעוד הנושא מסתובב כדי להשיג כמה משימות שונות.

Introduction

חריגות של פונקציה בתוך קליפת המוח הקדם חזיתית, ובמיוחד תת הקדמי ביותר (מקורי קליפת המוח הקדם חזיתית, או BA10) היא נפוצות במגוון של תנאים התפתחותיים, פסיכיאטריים ונוירולוגיות. זה גורם להפרעות משמעותיות בפתרון בעיות, זיכרון, ויכולות קשב בחיי היומיום שהם מאוד השבתת 1,2. עם זאת, בעיות מהסוג שקשה לאבחן במעבדה או במרפאת. סיבה לכך הוא התהליכים הנפשיים שBA 10 תומכים מעורבים בהתמודדות עם רומן, מצבים פתוחים, שבו ההתנהגות היא עצמית יזמו-3. מצבים כאלה הם קשים לשחזר בהצלחה במעבדה, שכן המצב הפורמלי, מלאכותי ומאולץ בחוזקה המשתתף בדרך כלל פונה במעבדה יכול לשנות את התנהגותם ואת הדרך שהם מתקרבים המשימה. זה יכול להפחית באופן משמעותי את תוקפו של המדידה לשתי מטרות קליניות או מחקר, עם סיכון חזק של <מתחת לאבחון 4/ Sup>. אחת היכולות קוגניטיביות הנתמכות על ידי האונות הקדמיות שבו זה בולט ביותר הוא זיכרון פוטנציאלי (כלומר, היכולת לזכור לבצע פעולה בעתיד), שבו כבר זמן רב ידוע כי לא יכולה להיות מחלוקת משמעותית בין המדידות שנלקחו בכל יום חיים והמעבדה 5. בעיות מתודולוגיות אלה יכולים לעקוף במידה רבה אם חוקרים וקלינאים חוקרים פונקצית קליפת המוח הקדם חזיתית, כוללים זיכרון פוטנציאלי, יכולים לעשות זאת על ידי לקיחת המידות שלהם במצבים "בעולם האמיתי".

בעוד טכניקות הדמייה מייצגות כלי רב עוצמה כדי לחקור את תפקוד המוח באופן לא פולשני והאובייקטיבי, רוב הטכניקות אלה להטיל מגבלות פיזיות בנושא, ולכן אינם מתאימים לשימוש בהגדרות יומיומיות חיים (למשל., תהודה מגנטית תפקודית ( fMRI), מגנט (MEG), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET)). בהתחשב בצורך להביאמכשירים פונקציונליים הדמיה מחוץ למעבדה ושיפורים טכנולוגיים האחרונים נתנו, electroencephalography הנייד והביש (EEG) וספקטרוסקופיה אינפרא אדום (fNIRS) ליד פונקציונלי מערכות פותחו 6-11. אחד היתרונות הגדולים של fNIRS על EEG הוא הרזולוציה מרחבית גבוהה יותר שלה. יתר על כן, הוא פחות רגיש לממצאים תנועה, מהבהבים ותנועות עיניים 12. fNIRS ביש לכן מתאים יותר לשימוש בהקשרים יומיים-חיים, כפי שהוא מטיל מגבלות פיזיות פחות מ EEG ומאפשר תנועה חופשית בסביבה טבעית יותר.

fNIRS הלא פולשני irradiates הראש עם אור האינפרה-אדום קרוב (650-900 ננומטר). כמו הרקמה הביולוגית היא יחסית שקופה שבטווח אורכי הגל, האור יכול להגיע למוח ונספג על ידי המוגלובין. fNIRS כך מודד את שינויי הריכוז של שני oxyhemoglobin (HBO 2) וdeoxyhemoglobin (HHb) נותן מידע של החמצון וhaemodynamic צ'אןGES הקשורים לפעילות המוח. באופן ספציפי יותר, הפעלה פונקציונלית המוח מוגדר כעלייה מקבילה בHBO 2 וירידה בHHb 13. עם זאת, את עומק החדירה של האור אומר שאות ניתן לשחזר רק מפני השטח של קליפת המוח. כאור מתפזר מאוד ברקמה, לא ניתן לקבל מידע מאוד מרחבית מבני על המוח 14. מערכות fNIRS קונבנציונליות להשתמש בסיבים אופטיים מצמידים את הראש כדי להנחות את האור דרך הקרקפת ולאסוף את האור מפוזר בחזרה. למרות שהמכשירים אלה הם קומפקטיים, ניידים וגם מתאימים להגדרות מעבדה, חבילות סיבים אופטיים ומשקלם להגביל את תנועותיו של המשתתף, ואם לא התייצב גם, ההתקות שלהם להוביל לזיהום חפץ תנועת 7. הדור החדש של מערכות fNIRS ממוזערות ובלי סיבים מציע את האפשרות לחקור את פעילות מוח במצבים מציאותיים בנע בחופשיות משתתףים וללא מגבלות פיזיות משמעותיות. מצבים מציאותיים הם יקרים במיוחד כאשר בוחנים פונקציות ביצועיות אנושיות ומערכות fNIRS בלי הסיבים עשויים לספק תובנה ייחודית תפקודי מוח אנושיים. המערכות בלי הסיבים הראשונות היו מצוידות רק במספר קטן של ערוצים (לדוגמא., ערוץ אחד 15 ו -2 ערוצים 16) להגביל את החקירה לאזורים קטנים. לאחרונה, מכשירי fNIRS אלחוטיים וביש רבי ערוצים פותחו 6,7, 17-20 נותן את האפשרות לעקוב אחר מנות גדולות יותר של הראש על משתתפים לנוע בחופשיות.

במחקר זה, מערכת fNIRS לביש ובלי סיבים רב-ערוצי חדשים המשמשת לניטור ולמפות את פעילות קליפת המוח הקדם חזיתית בזיכרון פוטנציאלי בעולם אמיתי משימה (PM). מערכת fNIRS מורכבת בעיקר של יחידת בדיקה גמישה (אוזניות) שמכסה גם את דורסולטרלי וקליפת מוח הקדם חזיתית מקורי (איור 1),אשר מחובר ליחידת עיבוד (תיבה ניידת) כי הוא משוחק על מותן של המשתתף (1D איור). האוזניות מורכבת של 6 משטח דיודות פולטות לייזר עם שני אורכי גל (705 ננומטר ו830 ננומטר) ו -6 פוטודיודות סיליקון. היעדר סיבים אופטיים מפחית את המשקל ואת חלק הארי של החללית, להיות יותר נוח וחזק נגד ממצאי תנועה. Optodes מסודר בגיאומטריה משתנה (איור 1 א) עם הפרדה בין optode של 3 סנטימטר, יצירת 16 צירופי מקור-גלאי (למשל., 16 ערוצי מדידה) 6. על מנת להגן על האוזניות מהאור המקיף, כובע הצללה מסופק (1D איור).

מטרת מחקר זה הייתה לחקור פונקצית קליפת המוח הקדם חזיתית, במהלך משימת זיכרון פוטנציאלי בעולם האמיתי. במהלך משימות זיכרון פוטנציאליים, משתתפים מתבקשים לזכור להגיב לאות נדירה (לדוגמא., מוכרפנים או מדחן) בעת ביצוע משימה תובענית אחרת הידוע בשם "משימה מתמשכת". בשני רחובות שונים של המשימה, רמזים חברתיים פוטנציאליים זיכרון (אדם) הם בניגוד לרמזים שאינם חברתיים פוטנציאליים זיכרון (מדחן). הניגוד הזה נבחר משום שהיא מייצגת הבחנה עיקרית בין צורות שונות של אות במשימות זיכרון פוטנציאלי המבוסס על אירוע וכן פרדיגמה הניסויית יכולה להיות כל הזמן קרוב למצב "חיים אמיתיים" 21. בעוד התואר הראשון 10 ידוע להיות רגיש לעיבוד חברתי לעומת המידע שאינו חברתי במצבים מסוימים (לדוגמא., גילברט et al., 2007 22), הראיות האחרונות עולה כי שינויי haemodynamic בתואר ראשון 10 הקשורים למשימות זיכרון פוטנציאליים יחסית הבדלים כדי לסמן לרגישים (ראו אל רג'ס ואח., 2011 23 לבדיקה). לכן, שאלה פתוחה אם חברתית לעומת רמזים הלא-חברתיים משפיע התואר הראשון 10 פעילות בהקשר של הפרדיגמה זיכרון פוטנציאלי.

מטרתו של מחקר זה היא להעריך את הכדאיות של שימוש במערכת fNIRS לעקוב אחר שינויים המודינמית קליפת המוח הקדם חזיתית וחמצון הנגרמים על ידי משימה קוגניטיבית בעולם אמיתי. כאן אנו מדווחים מקרה מחקר אחד (משתתף בריא מבוגר אחד, 24 שנים) על השימוש במכשיר fNIRS במהלך משימת זיכרון פוטנציאלי, שנערך בחוץ במיקום רחוב לונדון טיפוסי ומחקו את הדרישות של חיי היומיום. בפרט, אם ניתן להקליט שינויי haemodynamic בתגובה לרמזים PM חברתיים ולא חברתיים נחקר.

Protocol

הפרוטוקול אושר על ידי ועדת האתיקה מחקר המקומי UCL, מספר אישור CEHP / 2014/901.

התקנת 1. מכשירים לפני הגעתו של המשתתף

  1. השתמש בהקלטות וידאו ממצלמות 3 לנתח משימות "בעולם האמיתי" סוג (למשל Shallice וברג'ס, 1991 3):
    1. מניחים מצלמה אחת על החזה של הנסיין כדי לעקוב אחר תנועותיו של המשתתף.
    2. הר המצלמה הראש על fNIRS הצללת כובע כדי לעקוב אחר שבו משתתף מחפש לאורך כל הניסוי.
    3. להכין ולהפעיל את המצלמה לניסוי השני, מי שעוקב אחרי הניסוי הראשון והמשתתף בכל הפגישה.
  2. נקה את fNIRS אוזניות עם החיטוי לנגב.
  3. הנח digitizer 3D בחדר מתאים (למשל., הרחק מחפצי מתכת, קירות ורצפות) ולהפעיל אותו.

2. Participanלא הכנה וfNIRS בדיקה מיקום

  1. לפני הניסוי מתחיל, יש לי המשתתף לחתום על טופס ההסכמה.
  2. השתמש במערכת 10-20 (איור 2) ועברת דיגיטציה optodes ו10-20 עמדות סטנדרטי 24, 25 להשגת מיקום אוזניות fNIRS עקבי בכל המשתתפים:
    1. מארק עם סמן רחיץ nasion (NZ, את נקודת החיתוך בין העצם הקדמי ועצמות האף), Inion (איז, בליטת הקודקוד בחלק האחורי של הקרקפת) ונקודות שמאל וימין טרום-אוזן (LPA, RPA, קדמי נקודות לאוזניים מול הקצה העליון של הצפיר לעוקץ החיצון) (איור 2) בהסכם עם הוראות יצרן.
    2. מדוד את מרחק NZ-עז מעל וסביב הראש ומרחק LPA-RPA על הראש.
    3. מארק עם סמן רחיץ Cz (נקודת החיתוך בין קו NZ-עז וקו LPA-RPA, הממוקם ב- 50% ממרחק NZ-עז וo 50%F מרחק LPA-RPA), איל"ח (10% ממרחק NZ-עז) וFz (30% ממרחק NZ-עז) נקודות המבוססות על מערכת 10-20 (איור 2).
    4. השתמש בסרט עם חורי עמדות optodes התאמה לdigitizing מדויק יותר על פני משתתפים. הסרת שיער מהמצח ככל קליפים שיער באמצעות אפשריים לאורך קו השיער. מניחים את סרט הפיכת הקובץ לדיגיטלי על קליפת המוח הקדם חזיתית בהתאם לנקודות איל"ח וFz: ערוץ 9 בהתכתבות של נקודת איל"ח וקו 8 9 ערוצי ערוץ מיושר לקו איל"ח-FZ (איור 1E).
    5. עבר דיגיטציה נקודות המסומנות 10-20 התייחסות ועמדות optodes באמצעות digitizer המגנטי 3D.
  3. שמור את הקואורדינטות דיגיטליות ולהשתמש בכלי ניתוח מרחבי (http://brain-lab.jp/wp/?page_id=52) של פלטפורמת הקוד הפתוח לכלים אופטיים ניתוח טופוגרפיה (תפוחי אדמה) תוכנה (ראה הטבלה של חומרים ל פרווהמידע יס) לרשום נתונים fNIRS על תבנית מוח מונטריאול נוירולוגיות מכון (משרד התשתיות הלאומיות).
    הערה: האלגוריתם מיושם לרישום הסתברותי ממיר את המקומות הדיגיטליים בעולם האמיתי מערכת קואורדינטות למשרד התשתיות הלאומית מערכת קואורדינטות ולאחר מכן פרויקטים וlocalizes אותם על פני שטח מוח MNI (איור 1E) 26,27.
    1. תפוחי אדמה פתוחים דרך P3 פקודת Matlab.
    2. בחר "ניתוח מרחבי" מהתפריט בחלון הראשי של ממשק תפוחי האדמה המשתמש הגרפי (GUI) ולחץ על לחצן "ניתוח מרחבי".
    3. טען את הקואורדינטות דיגיטליות על ידי לחיצה על הכפתור "רוקן 10-20" על חלון מרחבי ניתוח נתונים Viewer.
    4. לחץ על כפתור "רוקן משרד התשתיות הלאומיות".
    5. בחר 10/20 נקודות התייחסות בחלון הערכת משרד התשתיות הלאומיות ולהתחיל הרישום במרחב.
  4. בדקו את המיקום הנכון של Fערוצי NIRS על פני השטח מוח תבנית (איור 1E): לבדוק אם ערוץ 8 וערוץ 9 חפיפה הסדק בין חצאי המוח 28. אם נכון, לשמור את קובץ תצורת ערוץ לניתוחים נוספים; אחרת להחליף את להקת digitizing ערוצי יישור מחדש 8 ו -9 לקו איל"ח-FZ וחופף ערוץ 9 לאיל"ח. לאחר מכן לחזור על הליך digitizing.
  5. מניחים את fNIRS אוזניות יישור ערוצים 8 ו -9 לקו איל"ח-FZ וחופף ערוץ 9 לאיל"ח, בהסכם עם סרט digitizing, והסר את סרט (איור 1 ב-ג). ודא כי הבדיקה מצורפת גם לראשו של המשתתף.
  6. מניחים את כובע ההצללה עם המצלמה הראש רכוב על אותו על אוזניות fNIRS.
  7. הסבר את כללי ניסוי למשתתף. כולל אמצעי זהירות הקשורים למכשיר (לדוגמא., 'קח את הזמן קטן ככל האפשר בלי למהר או לעזוב את הניסוי מאחורי (NO ריצה) "), כמו גם TASk כללים ספציפיים (למשל., "אל תלך מחוץ לאזור כיכר המלכה לרחובות או אזורים" שכנים).
  8. יש לי המשתתף בהצלחה לשנן את כל הכללים ולצאת החוצה כדי להתחיל את הניסוי.

הערכת איכות 3. אותות fNIRS

  1. השתמש במערכת fNIRS במצב האלחוטי ראשון מבחינה ויזואלית לבדוק איכות אותות במחשב הנייד fNIRS:
    1. לחץ על הכפתור "החשמל" בתיבה ניידת ולהפעיל את fNIRS במצב האלחוטי. פתח את תוכנת רכישת fNIRS על המחשב הנייד fNIRS וליצור את החיבור עם התיבה ניידת.
    2. לחץ על כפתור "הבדיקה ההתאמה" כדי לייעל את הגלאים להשיג על בסיס האור זוהה.
    3. בדוק את תוצאות הבדיקה ההתאמה בתוכנת חלון "התאמת בדיקה" ולבדוק אם כל גלאי מקבל מספיק אור מהמקורות על ידי בדיקה אם כל ערוצי סיווג "רגיל". אםערוצים מסומנים כ" תועה "או" תחת ", מחדש מקום כובע ההצללה ולמקסם את optodes צימוד עם המצח. אם ערוצים מסומנים כ" על פני ", להגדיר את כוחו של מקור הלייזר ל" הנמוך".
      הערה: כערוצים לרוחב לכסות את קליפת המוח הקדם חזיתית דורסולטרלי, במקרים מסוימים ייתכן שיהיה צורך להזיז את השיער מעל המצח על מנת למקסם את האור קיבל.
    4. לחץ על הכפתור "מוכן" ולאחר מכן "התחל" כדי לרכוש נתונים לרגע ולבדוק אם (תנודות המוגלובין של ~ 1 הרץ) פעימות לב גלויה על אותות ריכוז, אשר מבטיח איכות אות טובה.
  2. כבה את התיבה ניידת במצב האלחוטי לחיצה על הכפתור "הכוח" על זה. לחץ על כפתור "הכוח" בשיתוף עם הכפתור "מצב" בתיבה ניידת כדי להפעיל את fNIRS במצב העצמאי.
    הערה: עצמאימצב מבטיח כי המשתתף יכול לנוע בחופשיות באזור הניסוי וימנע את הצורך להיות קרוב למחשב הנייד fNIRS לשמור על החיבור האלחוטי.

4. רכישת נתונים

  1. הפעל את המצלמה בראש והמצלמות "הנסיינים ולהתחיל לצלם. לחץ על הכפתור "הבדיקה ההתאמה" על fNIRS תיבה ניידת כדי לייעל את הגלאים להשיג ולאחר מכן לחץ על הכפתור "הפעל / עצור" כדי להתחיל את רכישת fNIRS (תדר = 5 הרץ דגימה).
  2. להוסיף סמן לנתונים fNIRS ידני על ידי שימוש בכפתור "מארק" בתיבה ניידת fNIRS בשיתוף עם הדק אודיו (למשל., צפצוף). הדק אודיו חייבים להיות מוקלט באופן ברור על כל מצלמות הווידאו. ואז להתחיל את הניסוי.
    הערה: זה מאפשר סינכרון זמן חזק בין מצלמות וידאו השונות וfNIRS הקלטה.

5. פרוטוקול ניסויי & #160;

  1. כולל התנאים הבאים ולאזן את אלה זיכרון הפוטנציאלי על פני המשתתפים:
    1. להשתמש 3 תנאים בסיסיים:
      הערה: זה מאפשר לנתק גלובלי שינויי haemodynamic וחמצון פונקציה בשל קשורה-ללכת לשינויים מערכתיים לעומת תגובות מקומיות יותר בשל מוח (עצבית).
      1. למצב מנוחת 1, יש לי המשתתף לעמוד נייח ברחוב שבו הבדיקה מתבצעת, ולספור את מספר הגירויים על פיסת נייר (לדוגמא., להשתמש בגיליון המכיל X ו- O מודפס על זה ויש לי ספירת המשתתף מספר Os על זה).
      2. למצב מנוחת 2, יש לי המשתתף ללכת מרחק קצר בקצב הליכה רגיל, ולא עושה שום דרישות אחרות שלו.
      3. למצב Baseline, יש לי משתתף ההליכה מסביב לאזור הרחוב כולו שבו הניסוי שנערך.
        הערה: במקרה שלנו, הניסוי התקייםבכיכר המלכה, WC1N לונדון, בריטניה
    2. למצב השוטף מזוהם, יש לי המשתתף להסתובב באזור בניסיון ולספור את התרחשותם של פריטים מסוימים (למשל., מספר הסימנים המודבק בניינים שמכילים את המילה "המלכה").
    3. למצב זיכרון פרוספקטיבי ללא חברתי, יש לי המשתתף לבצע את המשימה המתמשכת (לדוגמא., יש לי המשתתף לספור את מספר התאריכים ושעות פתיחה המודבקת בניינים), אך בנוסף, אם הם הגיעו למרחק מוגדר המדחן, יש להם ללכת אליו ולגעת בו.
    4. למצב זיכרון פרוספקטיבי החברתי, יש לי המשתתף לבצע את המשימה המתמשכת (לדוגמא., יש לי המשתתף לספור את מספר הפעמונים), אך בנוסף, יש לו להגיב לאחד הנסיינים שפועל כקונפדרציה שנעה סביב למראש עמדות -specified בתחום הניסיוני. האם המשתתף ללכת אליהםולתת להם ברכת "אגרוף להקפיץ".
    5. השתמש בתנאי נוסף שוטף (מזוהם שוטף) אחרי הצהריים התנאים (לדוגמא., משתתפים יש לספור את מספר המדרגות בלא הפרעה בתחום הבדיקות).
    6. חזור על שני תנאי הפנאי מתוארים לעיל בסדר הפוך (Rest 2 ולאחר מכן 1 מנוחה).
      הערה: זה מאפשר הערכה של שינויים מערכתיים הקשורים לטיול בסוף הניסוי.

6. לשחזר אירועים מהווידאו

  1. הורד את קטעי וידאו מכל המצלמות ולשמור בפורמט mpg4.
  2. טען את קטעי וידאו מכל המצלמות לELAN (https://tla.mpi.nl/tools/tla-tools/elan/) ולסנכרן את הסרטים: אפשרויות שימוש / מדיה Synchronisation מצב וליישר אותם על בסיס נקודת זמן השמע לְהַפְעִיל.
  3. בELAN, להשתמש הסברים ולחץ על כפתור Tier בחלון הראשי של ELAN (הכוונהלקבוצות של הסברים, כלומר., נדבך אחד לכל המטרות החברתיות PM) לציון אירועים בזרם וידאו.
    1. צפה בזרם וידאו המסונכרן ויסמנו את ההתחלה וסיום של כל תנאי ניסוי, ולהשתמש בשכבות לנקודה שבה הוא הגיע כל יעד PM. השתמש בשכבות נפרדות למטרות PM חברתיות ולא חברתיות.
    2. השלם את עריכת וידאו לכל משתתף ולהשתמש בקובץ / טקסט יצוא כ/ Interlinear לייצא כקובץ טקסט את כל נקודות הזמן המבואר.

ניתוח 7. נתונים

  1. פתח את תוכנת fNIRS ולייצא נתונים מכרטיס פלאש התיבה הנייד למחשב הנייד fNIRS.
    הערה: יחידת עיבוד מערכת fNIRS משתמשת החוק בר-למברט שונה ומחשבת את השינויים יחסי בHBO 2 וHHb מאפס בסיס שרירותי בתחילת תקופת המדידה. ערכי הריכוז באים לידי ביטוי ולכן בריכוזים טוחנות (mmol / L) כפוללפי אורך הדרך (מ"מ) 6 כפי שהם לא תוקנו לאורך הדרך האופטי.
  2. שמור את נתוני ריכוזים ולייבא אותם לתוך Matlab באמצעות תוכנת עיבוד מראש בבית.
  3. טרום-תהליך אותות ביצוע השלבים הבאים (איור 3):
    1. אותות מטה דגימה להרץ 1:
      1. השתמש באינטרפולציה שגם (פונקצית Matlab: interp1) לנתוני מדגם למטה מ -5 הרץ לרץ 1.
    2. ליניארי Detrending:
      1. כדי להסיר ערימות איטיות של האות, להשתמש אינטרפולציה ליניארית (פונקצית Matlab: polyfit) בין שלבי מנוחת 1 בתחילת וסוף הניסוי.
    3. תיקון תנועת חפץ:
      1. לכל ערוץ, לזהות ולהסיר חפצי תנועה באמצעות שיטה מבוססת אדוה 31. לשפר את איכות אותות על ידי יישום המתאם מבוסס שיטת איתותים השיפור (CBSI) 32.
    4. אדוה מורכב להפוך:
        <li> השתמש אדוה אמא Morlet, טיפס ומתורגם לאורך זמן, כדי לחשב את אדוה להפוך של כל ערוץ באמצעות ארגז הכלים אדוה (פונקצית Matlab: WT) המסופק על ידי et al Grinsted 33 (. http://noc.ac.uk/ באמצעות מדע / crosswavelet-אדוה-קוהרנטיות).
        הערה: מהספקטרום אדוה, אפשר להעריך את תוכן הרפאים של אותות במרחב זמן-תדר.
    5. סינון להקה עוברת:
      1. על בסיס הניתוח אדוה, להשתמש במסנן 3 rd מנת Butterworth להקה עוברת (פונקציות Matlab: חמאה ומסנן) עם תדרי חתך של .008-.2 הרץ 7, 34.

Representative Results

איור 3 מציג דוגמא של HBO 2 ועיבוד אותות בלתי HHb (ערוץ 8) נרשם במהלך ניסוי PM מבוסס החיים במקרה זה (איור 3 א) והאותות המקביל (איור 3 ג) לאחר ש- מעובד מראש (איור 3 ). איור 4 מראה את כוח הספקטרום אדוה של ערוץ 8 HBO 2 ואותות HHb בי המלבן מציין את טווח התדרים שהשתמר עם מסנן הלהקה עוברת. בהתחשב בעובדה שהמשתתף הלך מחוץ לאורך הניסוי והזיז את ראשו כדי לבצע את המשימה, מערכת fNIRS הייתה חזקה נגד ממצאי תנועה ואור שמש. למעשה, ניתן למצוא HBO 2 מרווחים וdecrements HHb בהתכתבות שאינם חברתי (איור 3D) וחברתי (איור 3E) אירועי זיכרון פוטנציאליים. מגמות אלה בדרך כלל מציינים פעילות תפקודית מוח 13, 35. בלמעשה, כאשר אזור במוח מופעל, ביקוש חילוף החומרים בתאי העצב לעליות חמצן עם עליות עקב בזרימת דם במוח אזורית. כמו רוב החמצן מועבר לתאים באמצעות ההמוגלובין, במרווחים בHBO 2 וירידה בריכוזי HHb הם נצפו בפעילות המוח תפקודית 9. אזורים בקליפת מוח הקדם חזיתית כי התערוכה מגמות אלה ניתן להעריך על ידי הפריסה המרחבית של HBO 2 וערכי ריכוז HHb הממופים מעל המצח (איור 5, 1 וידאו, וידאו 2). דוגמא לאופן שהתגובות מוחיות לאירוע בערב חברתי מופצות בכל הערוצים מוצגת באיור 5. איור 5 א ודו"ח איור 5 בהתאמה הפריסה המרחבית על המצח של HBO 2 וHHb לאירוע בערב החברתי (t = 2,455 ים) ואילו respectiv דו"ח איור 5 ג ואיור 5D איליי הפריסה המרחבית של HBO 2 וHHb לאירוע בערב שאינו חברתי (t = 1,744 ים). איור 5 מראה מקומות אזוריים (ערוצים) בי עלייה בHBO 2 (האדום, איור 5 א-ג) וירידה בHHb (כחול, איור 5-D) הם בבירור לצפייה, מעיד על תפקוד מוח גידול. דוגמא לפעילות בקליפת המוח הקדם חזיתית איך לראש הממשלה החברתית ואירועי PM הלא חברתיים וחלוקתו על פני שינוי הערוצים לאורך הזמן מוצגת בוידאו 1 ווידאו 2. בנוסף, איורים 6 ו -7 מראים מידע מכל הערוצים המקבילים ל חלונות זמן כלולים בוידאו 1 ווידאו 2, בהתאמה.

haemodynamic וניתן לצפות שינויי חמצון באיור 3A הקשורות ללכת. עליות HHb לכאורה וHBO 2 ירידות מתרחשות בזמן הליכה ותנאים אלה יוסרו לאחר עיבוד מראש.

ontent "FO: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> איור 1
תצורת איור מיקום אוזניות 1. fNIRS וערוצים. הסדר Optodes בבדיקת fNIRS מודגמת בפנל. עיגולים אדומים מציינים את נקודות הזרקה (מקורות), עיגולים צהובים נקודות האיסוף (גלאים) ועיגולים ירוקים ערוצי מדידות. הבדיקה ממוקמת מעל המצח (B, C, D) עם ערוץ 9 בהתכתבות של נקודת איל"ח וערוצי 8-9 מיושרים עם קו האמצע nasion-Inion. הם מיקום הערוצים הדיגיטלי הוסב למשרד התשתיות הלאומי מערכת קואורדינטות וחפף על קליפת המוח (E). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

6 / 53336fig2.jpg "/>
חוגי איור 2. 10-20 מערכת אזכור אנטומיים. מודגשת מציינים את נקודות התייחסות שנבחרו להיות מסומנות על ראשו של המשתתף (NZ = nasion, איז = Inion, LPA = שמאל טרום-אוזניים, RPA = ימין טרום-אוזן). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. איתותים זרם עיבוד מראש. (א) אותות גלם HBO 2 וHHb נלקחו מערוץ נציג (ערוץ 8). קווים שחורים מסמנים את ההתחלה והסוף של כל תנאי ניסוי. קווים ירוקים וארגמן לסמן את להיטי זיכרון הפוטנציאליים שאינם חברתיים וחברתיים. כוכביות לציין את התנאים הלכו. (R1 = מנוחת 1; R2 = Rest 2; B = Baseline; OGu = מזוהם שוטף; PMns = לאזיכרון פרוספקטיבי לענייני חברה; ראשי הממשלה = זיכרון פרוספקטיבי חברתי; OGC = מזוהם שוטפים). (ב) בלוח זה מציג את תרשים זרימת העיבוד מראש להחיל ערוץ 8 אותות גלם. (ג) האותות-מעובד מראש וכתוצאה מכך מוצגים. 2 עליות (D, E) HBO וHHb יורד להתרחש בתגובה לאי-חברתי (D) נבחר ולהיטים חברתיים (E) פוטנציאליים זיכרון. מגמה המודינמית זה בדרך כלל קשור להפעלה פונקציונלית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. ספקטרום כוח אדוה. (A, B) כוח הספקטרום אדוה של ערוץ 8 HBO 2 ואותות גלם HHb מוצגים בפנל A ו- B, בהתאמה. קווים שחורים מסמנים את ההתחלה והסוף של כל תנאי ניסוי. כוכביות לציין את התנאים הלכו. (R1 = 1 מנוחה; R2 = Rest 2; B = Baseline; OGu = שוטף מזוהם; = זיכרון פרוספקטיבי חברתי ראשי הממשלה;; זיכרון פרוספקטיבי שאינו חברתי PMns = OGC = שוטף מזוהמת). המלבן השחור מדגיש את טווח התדרים שהשתמר דרך מסנן הלהקה עוברת (0.008-.2 הרץ). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. פריסה המרחבית של פעילות קליפת המוח לאירועים בערב. HBO 2 וHHb שינויי ריכוז ממופים על קליפת המוח כדי לאתר פעילות תפקודית בתגובה לאירועים חברתיים בערב (AB) ולאירועים שאינם חברתיים PM (CD). HBO 2וערכי HHb נלקחים בזמן t = 2,455 שניות לאירוע החברתי בערב (AB) וt = 1,744 שניות לאירוע שאינו חברתי PM (CD). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
6. אותות Oxyhemoglobin וdeoxyhemoglobin איור לכל הערוצים בתגובה לאירועים בערב הלא-חברתיים. הקווים הירוקים מצביעים אירועים שאינם חברתיים PM (t = 1,744 שניות וt = 1,792 שניות). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 7
איור 7. Oxyhemoglobin וsig deoxyhemoglobinאלכסונים לכל הערוצים בתגובה לאירוע בערב חברתי. קו מגנטה מציין את האירוע החברתי בערב (t = 2,455 שניות). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
וידאו 1. HBO 2 וHHb שינויי ריכוז לאירועים בערב חברתיים. הווידאו מראה כיצד HBO 2 (פנל משמאל) וHHb (פנל מימין) להתפתח לאורך זמן תוך המשתתף מתקרב ליעד PM החברתי. הווידאו של המצלמה מחוברת לחזה של הנסיין מסונכרן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון זה.

איור 7 וידאו 2. HBO 2 וריכוז HHb שינויים לאירועים בערב הלא-חברתיים. הווידאו מראה כיצד HBO 2 (פנל משמאל) וHHb (פנל מימין) להתפתח לאורך זמן תוך המשתתף מתקרב ליעד PM הלא חברתי. הווידאו של המצלמה מחוברת לחזה של הנסיין מסונכרן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בסרטון זה.

Discussion

מטרת המחקר הייתה להעריך את השימוש הפוטנציאלי של fNIRS לביש ובלי הסיבים לעקוב אחר שינויי haemodynamic המוח וחמצון הקשורים לפעילות עצבית במוח במצבים בעולם האמיתי. מערכת fNIRS רבת ערוצים לביש ובלי סיבים שימשה למדידת פעילות מוח על קליפת המוח הקדם חזיתית במהלך משימת זיכרון פוטנציאלי שבוצעה מחוץ למעבדה. מקרה המחקר דיווח כאן בחן אם שינויים במוח בHBO 2 וHHb על משתתף לנוע בחופשיות בתגובה לרמזים PM חברתיים ולא חברתיים בניסוי מחוץ למעבדה יכולים להיות במעקב רציף וחסונה.

השימוש בfNIRS על העברת משתתפים בניסויים מבוסס חיים בחופשיות מייצג מצב מאתגר. למעשה, תנועות ראש יכולות לגרום להתקות בדיקה עם חפצי תנועה עקב שמושחתים זיהוי האופטי של פעילות מוח 36. יתר על כן, חיישנים אופטיים רגישים לסטות אור (למשל., אור שמש, כאשר ניסויים מבוצעים מחוץ), יצירת רעש נוסף באותות fNIRS. מקרה המחקר דיווח מספק הפגנה ראשונית של ההיתכנות של מערכת fNIRS ביישומי חיים אמיתיים כזה. היעדר סיבים אופטיים בהתקנים כגון prevents צימוד אופטי בין הקרקפת וכתוצאה מכך optodes מדידות חזקות יותר נגד ממצאי תנועה. בנוסף, כובע ההצללה מבטיח מיגון טוב מהאור התועה אשר ימנע הרוויה גלאים ויחס נמוך אות לרעש (SNR). יתר על כן, עלייה בHBO 2 וירידה בריכוזי HHb נמצאו בהתכתבות של להיטי PM חברתיים ולא חברתיים (איור 3D-E) 11, 37 תומכים נוספים היתכנותה. כדי להעריך אם מגמות haemodynamic נצפו באיור 3D-E הן משמעותיות מבחינה סטטיסטית ולאתר אזורים מופעלים בתוך קליפת המוח הקדם חזיתית (איור 5, Vidאיו 1, 2 וידאו, איור 6, איור 7), ניתוחים ברמת הקבוצה נדרשים. על מנת להפוך את ההיקש ולזהות אזורי קליפת המוח הקדם חזיתית תפקודי מיוחדים 38, 39, עובד בעתיד יוצגו נתונים קבוצה וניתוחים סטטיסטיים המבוססים על פרמטרים סטטיסטיים מיפוי (SPM) תוך שימוש בגישה כללי לינארי דגם (GLM).

למרות שתוצאות יש לקחת בחשבון ראשוני, זה כבר הוכיח כי fNIRS בלי הסיבים יכול להיות מובאת בצורה יעילה מחוץ להגדרות המעבדה המסורתיות ומשמשת לניטור בזמן אמת של פעילות המוח. זה פותח כיוונים חדשים למחקר נוירולוגים ומדעי המוח. יש לפחות שני תחומים ברורים ליישום בהקשר זה. הראשון מתייחס לתקפות אקולוגית. חוקרי מדעי המוח לחקור דפוסי פעילות המוח בזמן שאנשי ביצוע משימות קוגניטיביות (באמצעות דוגמא., סימן תלוי ברמת חמצן בדםשינוי אל כשלוח בMRI התפקודי) כדי לנסות לגלות כיצד המוח תומך ביכולות המנטליות שלנו. במקרים מסוימים, ניתן ליצור מצבים ניסיוניים בסורק התואמים מקרוב מאוד את המצב בחיי היומיום שבו התהליך של העניין משמש. קח, למשל, קריאה. קריאת מילות על תצוגה ואילו בסורק MRI סביר הופכת דרישות דומות כגון לקריאת מילות בספר כאשר בבית שהוא כמעט מובן מאליו שאת התוצאות שלוקטו בסורק יכולות לעזור להסביר כיצד המוח מיישם קריאה בחיי היומיום. עם זאת, לצורות רבות של התנהגות והכרה אנושיות, הנחה זו היא מסוכנת יותר. לדוגמא, התהליכים קוגניטיביים שמשתתף משתמש כאשר מצב חברתי מוצג בסורק MRI (שבו משתתף הוא נייח, בכוחות עצמם, ובסביבה מאוד לא מוכרת וחזקה בשליטה) עשויים להיות שונים בכל הקשור חשובים לאלה עוסק כאשר המשתתף הוא socialising בחיים אמיתיים 40. הדבר חשוב במיוחד במדעי המוח החברתיים שבו החקירה והקושרת העצבית של דינמיקה בין-אישית (hyperscanning מכונה, לבדיקה לראות Babiloni וAstolfi 2014 41) דורשת סביבת נטורליסטי יותר. hyperscanning מבוסס NIRS 42, 43 אולי כך מייצגים כלי חדש כדי לפקח בו זמנית פעילות המוח משני אנשים או יותר במצבים מציאותיים. ואכן, יש כמה יכולות נפשיות שלא ניתן ללמוד גם בסביבה המלאכותית מאוד ומוגבלת פיזי של סורק ה- MRI, PET או MEG. אלה סכומים מעורבים ניידות או גדול של תנועה גופנית כמו גם אינטראקציות החברתיות מעורבים אלה הם מועמדים ברורים. מסיבה זו, להיות מסוגלת ללמוד את פעילות המוח של משתתפים במצבי נטורליסטי רצוי מאוד לחוקרים.

אזור שני, קשור, רחב של בקשה נוגע לשימוש בטכנולוגיה זו במצבים קליניים. מועמד ברור עשוי להיות neurorehabilitation, שבו אחד ייתכן שירצה לחקור את ההשפעות על המוח של נהלי הכשרה לפעולות יומיומיות (לדוגמא., במטבח), או בתרופות על אוכלוסיות עצביות מסוימות ביחס לפעילויות אלה. אבל הטכנולוגיה עשויה גם אולי תפותח למסגרות חינוכיות, כמו גם, ודוגמה., לשימוש בניטור עצמי "בזמן אמת" של פעילות מוחית. הניידות, הסיכון נמוך, והיכולת להשתמש בו באתר בסביבות עולם האמיתי עם מגבלה מזערית על התנהגות, גורמים שיטה זו שונה מאוד מאחרים, כי הם זמינים כרגע.

עם זאת, למרות שמערכות fNIRS הביש להראות פוטנציאל לתצפיות בעולם אמיתי, יש מגבלות אחרות שיש לטפל בעת שימוש fNIRS במהלך הליכה טבעית. מאז אור אינפרא אדום עובר דרך הקרקפת, הוא רגיש לתהליכים שקורים הן במוחND תאים נוספים-מוחי של הראש. המחקרים קודמים הראו כי כמות מסוימת של האותות נמדדה באמצעות fNIRS נובעת משינויים מערכתיים 34, 39, 44, שאינם קשורים ישירות לפעילות המוח (ראה Scholkmann et al. 9 לסקירה). כהמודינמית הפנים וחוץ-מוחי מושפעים משינויים מערכתיים שני עורר משימה וספונטנית (למשל., קצב לב, לחץ דם, נשימה, זרימת דם בעור), שינויים פיסיולוגיים הקשורים לפעילות ההליכה צריכים להיחשב. הם נובעים ממערכת העצבים האוטונומית (ANS) פעילות, המסדירה קוטר קצב לב, נשימה, לחץ דם וכלי דרך סיבי efferent. לייתר דיוק, החלוקה האוהדת של ANS היא במהלך הפעילות הגופנית המובילה לקצב לב, לחץ דם ומרווחי נשימה של 45 מופעל היפר. לדוגמא, מחקרים קודמים הראו כי נשימה גורמת לשינויים בלחץ חלקי של diox carbonIDE בדם העורקי (פאקו 2) אשר בתורו השפעת זרימת דם במוח ודם במוח 46 נפח, 47. בנוסף, איור 3 א מציג דוגמא של עליות תקופתיות HHb וHBO 2 ירידות המתרחשות בתוך תקופות הליכה שיכול להתבלבל עם שחרור משרות מוח. כדי לעשות השוואות עקביות בין תנאים (לדוגמא., להעריך אם חלתי שינויים מהותיים בריכוז להתרחש ביחס לתקופה בסיסית), יש למדוד את כל שלבי הניסוי תחת אותו מצב הפעילות גופני. מסיבה זו, שלב הלך מנוחה (Rest 2) נכלל בפרוטוקול מבוסס החיים שלנו. פרשנות נכונה של נתוני fNIRS דורשת גם יחס אות לרעש טוב. זו מושגת בדרך כלל עם בלוק קונבנציונלי ועיצובים הקשורים לאירוע שבו גירויים החוזרים על עצם מספר פעמים. חזרות משפט ועיצובים מובנים לא תמיד אפשריות בניסויים מבוססי חיים. מסיבה זו, חיישנים נוספים וte ניתוח המתאיםchniques להסביר שינויים מערכתיים 48 ותנועת חפצים נחוצים כדי לשפר את יחס האות לרעש ולפרש אותות מוח. אנחנו מתכננים לחקור את ההשפעה של שינויים מערכתיים הקשורים לטיול כזה באמצעות השימוש במכשירים ניידים כדי לפקח על קצב נשימה, קצב לב וקצב הליכה. יתר על כן, הבעיה של התאוששות אירועים יש לטפל גם. בניסויי מדעי מוח הקוגניטיביים, פעילות המוח נחקרה ביחס לגירויים או סביבות שבם נתקלו המשתתפים, וההתנהגות שלהם בתגובה ל, או ציפייה שלהם. הנסיינים לכן צריכים (א) יודע מה הוא זמין כרגע למשתתף בסביבתם, ו- (ב) יש להם רקורד רגע-ידי-רגע של ההתנהגות של המשתתף. במצב מעבדה טיפוסי הגורמים הללו ניתן לשלוט בקלות מאז הנסיין יכול להגביל את מה שמשתתפי מפגש, ואת הטופס ומספר ההתנהגויות שהמשתתף יכול להפגין. עם זאת, זה לאהמקרה בסביבות "בעולם האמיתי" מחוץ למעבדה, שבו אירועים וחוויות רבים שמשתתפים במחקר יהיו מעבר לשליטה הקפדנית של הנסיין 49. בהתאם לכך, בסוג משימות "בעולם האמיתי" של הסוג למד כאן, רשומות וידאו המשמשים לניתוח (לדוגמא., Shallice וברג'ס, 1991 3). זה מאפשר לשחזר שניהם (רמת בלוק-לדוגמא.,) שנגרמה וחולפת (, הקשורים לאירוע לדוגמא.) תהליכים התומכים בהיבטים שונים של ביצועים (לסקירה ראו גונן-יעקובי וברג'ס, 2012 21). האירועים שהתאוששו מהקלטות הווידאו יהיה תלויים בשאלה התיאורטית שפונים בניסוי. במקרה המחקר דיווח, onsets האירוע היה התאושש מקטעי הווידאו שצולם על ידי המצלמות 3. הליך זה של קביעת תחילת והסיום של רמזים מסוימים ותגובות התנהגותיות הוא מייגע ודורש מיומנות כאשר בוצע על DAT מבוסס חייםא. נושא מרכזי הוא שעם סוג ניסויים "חיים אמיתיים" יש בדרך כלל לא באותה מידה של ידע מראש של אירועים כמו עם אלה המבוססים על המעבדה, ויש לי משתתפים בדרך כלל יותר היקף בדרך בה הם יכולים להגיב. יתר על כן, כמשתתפים חופשיים לנוע בסביבה טבעית ובלתי מבוקרת, הם מתמודדים עם מגוון רחב של גירויים במהירות משתנים וקשה לשחזר את תגובת haemodynamic לאירוע האמיתי של עניין. לדוגמא, במקרה המחקר, מגמות haemodynamic נצפו עבור HBO 2 וHHb (איור 3D-E) הן לא לתחילה-התאושש וידאו כמו התגובה הקשורים לאירוע הטיפוסי haemodynamic 38-נעול שלב. HBO 2 וHHb להתחיל בהתאמה לעלות וירידה של 20 שניות לפני הופעת הגירוי ולהגיע לשיא לאחר ש. ניתוחים נוספים יש צורך בכך כדי לקבוע אם PM מקלות אירועים מתרחשים בפועל כאשר המשתתף רואה היעד, כאשר הוא מתקרב אליה אוכשהוא מגיע אליו. בהתחשב בפוטנציאל של טכנולוגיות fNIRS בלי סיבים ליישומים קליניים חיים אמיתיים, לעבוד בעתיד יהיה לטפל בבעית קידוד וידאו על ידי פיתוח אלגוריתמים חדשים לזיהוי onsets אירוע בצורה אובייקטיבית יותר, כמו גם בוחן את האפשרות לעשות את זה באופן ישיר מנתוני 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

התנהגות גיליון 106 הקרוב אינפרא אדום ספקטרוסקופיה זיכרון פוטנציאלי fNIRS מוח טופוגרפיה אופטית בלי סיבים פונקציות לביש מבצעת הדמיה ניסוי מבוסס חיים הקדם חזיתית,
שימוש בבלי הסיבים, fNIRS ביש כדי לעקוב אחר פעילות המוח במשימות קוגניטיביות אמת העולם
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