Monitoring hjerneaktivitet utenfor laboratoriet uten fysiske begrensninger presenterer metodiske utfordringer. En fiberless, ble bærbar funksjonell nærheten infrarød spektroskopi (fNIRS) system som brukes til å måle hjerneaktivitet under en økologisk prospektiv hukommelse oppgave. Det ble demonstrert at dette systemet kan brukes til å overvåke hjerneaktivitet i løpet av ikke-laboratoriebaserte eksperimenter.
Funksjonell nærheten infrarød spektroskopi (fNIRS) er en neuroimaging teknikk som bruker nær-infrarødt lys for å overvåke hjernens aktivitet. Basert på neurovascular kopling, er fNIRS stand til å måle hemoglobinkonsentrasjonen endres sekundært til neuronal aktivitet. Sammenlignet med andre bildediagnostiske teknikker, fNIRS representerer et godt kompromiss i form av romlig og tidsmessig oppløsning. Dessuten er det bærbar, lett, mindre følsom for bevegelsesartefakter og pålegger ikke betydelige fysiske begrensninger. Det er derfor hensiktsmessig å overvåke et bredt spekter av kognitive oppgaver (f.eks auditiv, ganganalyse, sosial interaksjon) og ulike alders populasjoner (f.eks, nyfødte, voksne, eldre personer). Den siste utviklingen av fiberless fNIRS enheter har åpnet veien til nye applikasjoner i nevrovitenskap forskning. Dette representerer en unik mulighet til å studere funksjonell aktivitet under reelle tester, som kan være mer følsomme og nøyaktige i rævaessing kognitiv funksjon og dysfunksjon enn lab-baserte tester. Denne studien utforsket bruk av fiberless fNIRS å overvåke hjernens aktivitet under en real-world prospektiv hukommelse oppgave. Denne protokollen er utført utenfor laboratoriet og hjerne hemoglobinkonsentrasjonsendringer blir kontinuerlig målt over den prefrontale cortex mens emnet går rundt for å utføre en rekke forskjellige oppgaver.
Unormal funksjon i prefrontal cortex, og spesielt de mest anterior subpart (rostralt prefrontal cortex, eller BA10) er vanlig i en rekke utviklings, psykiatriske og nevrologiske tilstander. Det fører markerte forstyrrelser i problemløsning, hukommelse og oppmerksomhets evner i hverdagen som er svært invalidiserende 1,2. Men disse typer problemer er vanskelige å diagnostisere i laboratoriet eller klinikk. Dette er fordi de mentale prosesser som BA 10 støtter er involvert i arbeidet med romanen, åpent situasjoner hvor atferden er selvinitiert tre. Slike situasjoner er vanskelig å gjenskape suksess i laboratoriet, siden den formelle, kunstig og tett begrenset situasjonen deltakeren vanligvis står overfor i laboratoriet kan endre sin atferd og måten de nærmer seg oppgaven. Dette kan redusere gyldigheten av målingen for enten klinisk og forskningsformål, med en sterk risiko for under-diagnose 4 </ sup>. En av de kognitive evner som støttes av frontallappene hvor dette er mest tydelig er prospektive minnet (dvs. evnen til å huske å gjennomføre en fremtidig handling), hvor det har lenge vært kjent at det kan være betydelig uenighet mellom målinger tatt i hverdagen liv og lab 5. Disse metodiske problemene kan i stor grad omgås hvis forskere og klinikere som undersøker prefrontal cortex funksjon, inkludert potensiell minne, kan gjøre det ved å ta sine målinger i "virkelige" situasjoner.
Mens bildediagnostiske teknikker representerer et kraftig verktøy for å undersøke hjernens funksjon i en ikke-invasiv og objektiv måte, de fleste av disse teknikkene pålegge fysiske begrensninger på emnet, og er dermed ikke egnet for bruk i hverdagen innstillinger (f.eks., Funksjonell magnetisk resonans ( fMRI), magnetoencefalografi (MEG), positronemisjonstomografi (PET)). Gitt behovet for å bringefunksjonelle bilde instrumenter utenfor laboratoriet og gitt nye teknologiske forbedringer, bærbar og bærbar elektroencefalografi (EEG) og funksjonelle nær infrarød spektroskopi (fNIRS) systemer har blitt utviklet 6-11. En av de store fordelene med fNIRS enn EEG er dens høyere romlig oppløsning. Dessuten er det mindre følsom for bevegelsesartefakter, blinke og øyebevegelser 12. Bærbar fNIRS er således bedre egnet for bruk i daglige liv-kontekster, da det medfører færre fysiske begrensninger enn EEG og tillater fri bevegelse i en mer naturlig miljø.
fNIRS non-invasiv irradiates hodet med nær-infrarødt lys (650-900 nm). Som det biologiske vevet er forholdsvis transparent i det bølgelengdeområde, kan lyset nå hjernen og bli absorbert av hemoglobin. fNIRS måler dermed konsentrasjons endringer av både oxyhemoglobin (HBO 2) og deoksyhemoglobin (HHB) gi informasjon av oksygenering og hemodynamisk chanGES forbundet med hjernens aktivitet. Nærmere bestemt er hjerne funksjonell aktivering definert som en samtidig økning i HBO-2 og en reduksjon i HHB 13. Imidlertid er penetreringsdybden av lyset betyr at signal bare kan utvinnes fra kortikale overflaten. Når lys blir sterkt diffust i vev, er det ikke mulig å oppnå meget romlig strukturell informasjon om hjernen 14. Konvensjonelle fNIRS systemer bruker optiske fibre koplet til hodet for å lede lys gjennom hodebunnen, og for å samle inn den tilbakespredte lyset. Selv om disse instrumentene er kompakte, portable og godt egnet for laboratoriet, optiske fibre bunter og deres vekt begrense bevegelsene til deltakeren, og hvis ikke godt stabilisert seg, sine forskyvninger føre til bevegelsesartefakter forurensning 7. Den nye generasjonen av miniatyriserte og fiberless fNIRS systemer tilbyr muligheten til å utforske hjernens aktivitet i realistiske situasjoner på fritt bevegelige deltakers og uten vesentlige fysiske begrensninger. Realistiske situasjoner er spesielt verdifulle når du utforsker menneskelige eksekutive funksjoner og fiberless fNIRS systemer kan gi en unik innsikt i menneskelige hjernens funksjoner. De første fiberless systemer ble utstyrt kun med et lite antall kanaler (f.eks., En-kanals 15 og 2 kanaler 16) som begrenser undersøkelsen til små områder. Mer nylig har flerkanal trådløse og anvendelig fNIRS anordninger blitt utviklet 6,7, 17 til 20 gir mulighet for å overvåke større deler av hodet på fritt bevegelige deltakere.
I denne studien ble en ny flerkanals bærbar og fiberless fNIRS systemet brukes til å overvåke og kartlegge prefrontal cortex aktivitet under en real-world prospektiv hukommelse (PM) oppgave. Den fNIRS Systemet er primært sammensatt av en fleksibel sondeenheten (hodetelefon) som dekker både dorsolateral og den rostrale prefrontale cortex (figur 1),som er koblet til en behandlingsenhet (bærbar boks) som bæres på deltakerens midje (figur 1D). Headsettet består av seks overflaten emitting laserdioder med to-bølgelengde (705 nm og 830 nm) og 6 silisiumfotodioder. Fraværet av optiske fibre reduserer vekten og hoveddelen av sonden, å være mer komfortable og robust mot bevegelsesartifakter. De optodes er anordnet i en vekslende geometri (figur 1A) med en inter-optode separasjon av 3 cm, noe som skaper 16 kilde-detektor-kombinasjoner (f.eks., 16 målekanaler) 6. For å skjerme headsettet fra lyset i omgivelsene, er en skyggelegging cap levert (figur 1D).
Målet med denne studien var å undersøke prefrontal cortex funksjon, under en prospektiv hukommelse oppgave i den virkelige verden. Under prospektive hukommelsesoppgaver, er deltakerne bedt om å huske å svare på en sjeldent kø (f.eks., Et kjentansikt eller et parkometer) mens du utfører en annen krevende oppgave som kalles en "løpende oppgave". I to forskjellige blokker av oppgaven, er sosiale potensielle minne signaler (en person) i motsetning til ikke-sosiale potensielle minne signaler (et parkometer). Denne kontrasten ble valgt fordi det representerer et stort skille mellom ulike former for kø i hendelsesbaserte prospektive hukommelsesoppgaver og så den eksperimentelle paradigmet kan holdes nær en "real-life" situasjon 21. Mens BA 10 er kjent for å være følsomme for behandling av sosial versus ikke-sosial informasjon i enkelte situasjoner (f.eks., Gilbert et al., 2007 22), tyder nyere bevis på at hemodynamiske endringer i BA 10 knyttet til potensielle hukommelsesoppgaver er relativt ufølsomme å signalet forskjeller (se Burgess et al. 2011 23 for gjennomgang). Dermed er det et åpent spørsmål om sosial versus ikke-sosiale signaler påvirker BA 10 aktivitet i sammenheng med en potensiell minne paradigme.
Målet med denne studien er å vurdere muligheten for å bruke fNIRS system for å overvåke prefrontal cortex hemodynamiske og oksygene endringer indusert av en real-world kognitiv oppgave. Her rapporterer vi en enkelt case study (en sunn voksen deltaker, 24 år gammel) på bruk av fNIRS enheten under en prospektiv hukommelse oppgave, utført ute i en typisk London gate og ligne kravene i hverdagen. Spesielt om hemodynamiske endringer i respons til sosiale og ikke-sosiale PM signaler kan tas opp er undersøkt.
Målet med denne studien var å evaluere potensialet bruk av bærbare og fiberless fNIRS å overvåke hjernens hemodynamiske og oksygene endringer knyttet til hjernens nerveaktivitet i løpet av virkelige situasjoner. En slitesterk og fiberless flerkanals fNIRS systemet ble brukt til å måle hjerneaktivitet over prefrontal cortex under en prospektiv hukommelse oppgaven utføres utenfor laboratoriet. Saken studie rapportert her undersøkt om hjernen endringer i HBO 2 og HHB på en fritt flytte deltaker i respons til sosiale og ikke-sosiale PM signaler i et eksperiment utenfor laboratoriet kan overvåkes kontinuerlig og robust.
Bruken av fNIRS på fritt bevegelige deltakere i livsbaserte eksperimenter en utfordrende situasjon. Faktisk kan hodebevegelser forårsake probe forskyvninger med påfølgende bevegelsesartefakter som korrupte den optiske identifisering av hjernens aktivitet 36. Videre optiske sensorer er følsomme for strølys (f.eks., sollys når eksperimenter utføres utenfor), og skaper ekstra støy i fNIRS signaler. Den rapporterte casestudie gir en foreløpig demonstrasjon av gjennomførbarheten av fNIRS systemet i slike reelle søknader. Fraværet av optiske fibre i slike innretninger hindrer optisk kobling mellom hodebunnen og optodes resulterer i en mer robust måling mot bevegelsesartifakter. I tillegg sikrer den skyggelegging cap en god skjerming fra strølys som unngår detektorer metning og lav Signal-til-støy-forhold (SNR). Videre ble økninger i HBO 2 og reduksjon i HHB konsentrasjoner funnet i korrespondanse av sosiale og ikke-sosiale PM treff (Figur 3D-E) 11, 37 ytterligere støtte sin gjennomførbarhet. For å kunne vurdere om de hemodynamiske tendenser observert i figur 3D-E er statistisk signifikant, og for å lokalisere aktive områdene i den prefrontale cortex (figur 5, Video 1 Video 2, figur 6, figur 7), er gruppenivå analyser nødvendig. For å gjøre slutning og å identifisere funksjonelt spesialiserte prefrontal cortex regioner 38, 39, vil fremtidige verk presentere gruppe data og statistiske analyser basert på Statistisk Parametric Mapping (SPM) ved hjelp av en generell lineær modell (GLM) tilnærming.
Selv om resultatene må tas i betraktning foreløpige, har det blitt demonstrert at fiberless fNIRS effektivt kan bringes utenfor de tradisjonelle laboratorie innstillinger og anvendt for sanntids overvåkning av hjerneaktivitet. Dette åpner opp nye retninger for nevrologisk og nevrovitenskap forskning. Det er minst to åpenbare områder for anvendelse i denne forbindelse. Den første er knyttet til økologisk validitet. Kognitiv nevrovitenskap forskere undersøke mønstre av hjerneaktivitet mens folk utfører kognitive oppgaver (bruk f.eks., Blod oksygen nivå avhengig tegnal endringen som en proxy i funksjonell MRI) for å prøve å finne ut hvordan hjernen støtter våre mentale evner. I noen tilfeller er det mulig å lage eksperimentelle situasjoner i skanneren som svarer svært tett situasjonen i hverdagen der prosessen av interesse er brukt. Tenk for eksempel lesing. Lese ord på en skjerm, mens i en MRI scanner sannsynlig gjør slike lignende krav til lesing ord i en bok når hjemme at det er nesten tatt for gitt at resultatene sanket i skanneren kan bidra til å forklare hvordan hjernen implementerer lesing i hverdagen. Men for mange former for menneskelig atferd og kognisjon, er denne forutsetningen mer prekær. For eksempel kan de kognitive prosesser som en deltaker bruker når en sosial situasjon er presentert i en MR-skanner (hvor deltakeren er immobile, på egenhånd, og i en svært uvant og kontrollert miljø) godt være forskjellige i viktige forhold til de engasjert når deltakeren er socialising i det virkelige liv 40. Dette er spesielt viktig i sosial nevrovitenskap hvor etterforskningen av de nevrale korrelater av mellommenneskelige dynamikk (betegnet hyperscanning, for gjennomgang se Babiloni og Astolfi 2014 41) krever en mer naturalistisk miljø. NIRS baserte hyperscanning 42, kan 43 således representere et nytt verktøy for å samtidig overvåke hjernens aktivitet fra to eller flere personer i realistiske situasjoner. Ja, det er noen mentale evner som ikke kan studeres godt i den svært kunstig og fysisk anstrengt miljø av en MRI, PET eller MEG skanner. Disse involverer bevegelse og eller store mengder kroppslig bevegelse samt de som involverer sosiale interaksjoner er åpenbare kandidater. Av denne grunn, er meget ønskelig for forskere å være i stand til å studere hjerneaktiviteten deltakere i naturalis situasjoner.
En annen, beslektet, bredt anvendelsesområde angår bruken av denne teknologien ikliniske situasjoner. En åpenbar kandidat kan være neurorehabilitation, der man kan ønske å studere effekter på hjernen av opplæringsprosedyrer for dagliglivets aktiviteter (f.eks., I et kjøkken), eller medisiner på bestemte nerve bestander i forhold til disse aktivitetene. Men teknologien kan også kanskje bli utviklet for pedagogiske innstillinger også, og f.eks., For bruk av "real-time" self-overvåking av hjernens aktivitet. Portabilitet, lav risiko, og evne til å bruke den i situ i virkelige miljøer med minimal begrensning på atferd, gjør denne metoden svært forskjellig fra andre som er tilgjengelig for øyeblikket.
Men selv om bærbar fNIRS systemer viser potensial for reelle observasjoner, er det andre begrensninger som må tas opp når du bruker fNIRS under naturlig gange. Siden den infrarøde lyset går gjennom hodebunnen, er det følsom for prosesser som skjer både ved en cerebralnd ekstra cerebrale avdelinger av hodet. Tidligere studier har vist at en viss mengde av de signaler som måles gjennom fNIRS oppstår fra systemendringer 34, 39, 44 som ikke er direkte relatert til hjerneaktivitet (se Scholkmann et al. 9 for en gjennomgang). Som intra og ekstra cerebral hemodynamic påvirkes av systemendringer både oppgave fremkalt og spontane (f.eks., Hjertefrekvens, blodtrykk, åndedrett, hud blodstrøm), fysiologiske endringer knyttet til gang aktivitet bør vurderes. De stammer fra det autonome nervesystemet (ANS) aktivitet, som regulerer hjerterytmen, respirasjon, blodtrykk og fartøy diameter gjennom sine efferente fibre. Mer presist er det sympatiske delingen av ANS hyper-aktivert under trening fører til hjertefrekvens, blodtrykk og åndedrett trinn 45. For eksempel har tidligere undersøkelser vist at respirasjon induserer endringer i partialtrykket av karbon dioxide i arterielt blod (Paco 2) som i sin tur påvirker cerebral blodstrøm og cerebral blodvolum 46, 47. I tillegg viser figur 3A et eksempel på periodisk HHB øker og HBO 2 avtar som opptrer innenfor gangperioder som kan forveksles med hjerne deaktivering. For å gjøre sammenligninger mellom konsistente tilstander (f.eks., Vurdere om signifikante endringer i konsentrasjon forekommer i forhold til en basisperioden), skal alle eksperimentelle faser måles under samme fysisk aktivitet tilstand. Av denne grunn ble en vandret hvilefase (Rest 2) inkludert i liv-basert protokoll. En riktig tolkning av fNIRS data krever også en god SNR. Dette er vanligvis oppnås med konvensjonell blokk og arrangementsmessige design hvor stimulations gjentas flere ganger. Prøve repetisjoner og strukturerte design er ikke alltid mulig i livsbaserte eksperimenter. Av denne grunn er flere sensorer og hensiktsmessig analyser techniques å ta høyde for systemendringer 48 og bevegelsesartefakter er nødvendig å forbedre SNR og å tolke hjernesignaler. Vi planlegger å undersøke effekten av slike walk-relaterte systemendringer gjennom bruk av bærbare enheter for å overvåke pustefrekvens, hjertefrekvens og gangfart. Dessuten må problemet med hendelser utvinning tas opp, også. I kognitiv nevrovitenskap eksperimenter, er hjerneaktiviteten undersøkt i forhold til stimuli eller miljøer som oppdages av deltakere ", og deres atferd i respons til, eller påvente av dem. Experimenters derfor trenger å (a) vet hva som er tilgjengelig til deltakeren i deres miljø, og (b) har et øyeblikk-for-øyeblikk registrering av deltakerens atferd. I en typisk lab situasjon disse faktorene kan lett kontrolleres siden eksperimentator kan begrense hva deltakerne møter, og form og antall atferd som deltakeren kan Evince. Dette er imidlertid ikketilfellet i "virkelige verden" miljøer utenfor laboratoriet, hvor mange hendelser og erfaringer som forskningsdeltakeren vil ha er utenfor streng kontroll av eksperimentator 49. Følgelig, i "virkelige verden" type oppgaver av den typen studert her, er video plater brukes for analyse (f.eks., Shallice og Burgess, 1991 3). Dette gjør det mulig å gjenopprette både vedvarende (f.eks., Blokk-nivå) og forbigående (f.eks., Event-relatert) prosesser som støtter ulike aspekter av ytelse (for oversikt se Gonen-Yaacovi og Burgess 2012 21). Hendelsene som skal utvinnes fra videoopptak vil avhenge av den teoretiske spørsmål blir adressert i forsøket. I den rapporterte case study, ble hendelses onsets utvinnes fra videoene filmet av de 3 kameraene. Denne fremgangsmåten for fastsettelse av utbruddet og opphør av bestemte signaler og atferdsmessige reaksjoner er arbeidskrevende og krever dyktighet når de utføres på livet baserte daten. Et sentralt problem er at med "real life" type eksperimenter er det vanligvis ikke samme grad av a priori kunnskap om hendelser som med lab-baserte seg, og deltakerne har vanligvis mer spillerom i måten de kan svare. Dessuten, som deltakere er fri til å bevege seg i en naturlig og ukontrollert miljø, er de overfor en rekke hurtig skiftende stimuli, og det er vanskelig å utvinne den hemodynamiske respons til den virkelige arrangement av interesse. For eksempel, i tilfellet undersøkelse, hemodynamiske tendenser observert for HBO 2 og HHB (figur 3D-E) ikke er faselåst til video-utvunnet utbruddet som typisk hendelsesrelaterte hemodynamiske respons 38. HBO 2 og HHB begynne henholdsvis å øke og minske 20 sec før den stimulus utbruddet og når en topp når den. Ytterligere analyser er derfor nødvendig for å fastslå om PM Køer hendelser skjer egentlig når deltakeren ser målet, når han nærmer seg mot det, ellernår han kommer til det. Gitt potensialet i fiberless fNIRS teknologier for virkelige kliniske applikasjoner, videre arbeidet vil ta opp video-koding problem ved å utvikle nye algoritmer for å identifisere hendelses onsets på en mer objektiv måte, samt utforske muligheten for å gjøre 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 |