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Neuroscience

Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe

Published: May 24, 2020 doi: 10.3791/60669

Summary

Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufzeichnungen durchgeführt werden und wie die Beziehung zwischen eEG- und fNIRS-Daten überprüft wird.

Abstract

Gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen bieten eine ausgezeichnete Gelegenheit, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Verarbeitung vollständig zu verstehen, indem die Beziehung zwischen den neuronalen und hämodynamischen Signalen untersucht wird. EEG ist eine elektrophysiologische Technologie, die die schnelle neuronale Aktivität des Kortex messen kann, während fNIRS auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. Die Kombination von EEG und fNIRS Neuroimaging-Techniken können mehr Funktionen identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns offenbaren. In diesem Protokoll wurden verschmolzene EEG-fNIRS-Messungen für gleichzeitige Aufnahmen evoziert-elektrischer Potentiale und hämodynamischer Reaktionen während einer Flanker-Aufgabe durchgeführt. Darüber hinaus wurden die entscheidenden Schritte zum Aufbau des Hard- und Softwaresystems sowie die Verfahren zur Datenerfassung und -analyse detailliert zur Verfügung gestellt und diskutiert. Es wird erwartet, dass das vorliegende Protokoll einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses der neuronalen Mechanismen ebnen kann, die verschiedenen kognitiven Prozessen zugrunde liegen, indem die EEG- und fNIRS-Signale verwendet werden.

Introduction

Diese Studie zielt darauf ab, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das neuronale Aktivierungsmuster aufzudecken, das der Flanker-Aufgabe zugrunde liegt, indem verschmelzende EEG- und fNIRS-Neuroimaging-Techniken verwendet werden. Interessanterweise ermöglichen die gleichzeitigen fNIRS-EEG-Aufnahmen die Untersuchung der Beziehung zwischen den hämodynamischen Signalen im präfrontalen Kortex und verschiedenen ereignisbezogenen Potentialkomponenten (ERP) des gesamten Gehirns, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind.

Die Integration verschiedener nichtinvasiver neuroimagingrischer Modalitäten, einschließlich der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), der Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), ist wesentlich, um das Verständnis zu verbessern, wo und wann die Informationsverarbeitung im Gehirn stattfindet1,2,3. Zusätzlich besteht das Potenzial, fNIRS und EEG zu kombinieren, um die Beziehung zwischen lokaler neuronaler Aktivität und nachfolgenden Veränderungen der hämodynamischen Reaktionen zu untersuchen, bei denen EEG und fNIRS sich ergänzen können, wenn es darum geht, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Funktion des menschlichen Gehirns zu offenbaren. fNIRS ist eine vaskuläre funktionelle Neuroimaging-Technik, die auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. fNIRS misst die relativen Oxyhämoglobin - und Deoxyhämoglobin (HbR) Konzentrationsänderungen in der Großhirnrinde, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung3,4,5,6,7spielt. Gemäß dem neurovaskulären und neurometabolischen Kopplungsmechanismus8wird die Veränderung der lokalen neuronalen Aktivität im Zusammenhang mit der kognitiven Verarbeitung in der Regel von nachfolgenden Veränderungen des lokalen Blutflusses und des Blutsauerstoffs mit einer Verzögerung von 4-7 Sekunden begleitet. Es wird gezeigt, dass die neurovaskuläre Kopplung wahrscheinlich ein Leistungswandler ist, der die schnelle Dynamik der neuronalen Aktivität in den vaskulären Input der langsamen Hämodynamik9integriert. Insbesondere wird fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet, insbesondere des präfrontalen Kortex, der für hohe kognitive Funktionen verantwortlich ist, wie Executive Functions10,11,12, Argumentation und Planung13, Entscheidungsfindung14, und soziale Kognition und moralisches Urteilsvermögen15. Die hämodynamischen Reaktionen, die mit fNIRS gemessen werden, erfassen jedoch nur indirekt die neuronale Aktivität mit einer geringen zeitlichen Auflösung, während EEG zeitlich feine und direkte Messungen neuronaler Aktivitäten bieten kann. Folglich kann die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufzeichnung mehr Merkmale identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns aufdecken.

Noch wichtiger ist, dass die multimodale Erfassung von EEG- und fNIRS-Signalen durchgeführt wurde, um die Gehirnaktivierung zu untersuchen, die verschiedenen kognitiven Aufgaben zugrunde liegt16,17,18,19,20,21,22 oder Gehirn-Computer-Schnittstelle23,24. Insbesondere wurden gleichzeitige ERP- (ereignisbezogenes Potential) und fNIRS-Aufnahmen auf Basis des ereignisbezogenen auditorischen Oddball-Paradigmas1durchgeführt, bei dem fNIRS die hämodynamischen Veränderungen im frontotemporalen Kortex einige Sekunden nach dem Auftreten der P300-Komponente identifizieren kann. Horovitz et al. demonstrierten auch die gleichzeitigen Messungen von fNIRS-Signalen und der P300-Komponente während einer semantischen Verarbeitungsaufgabe25. Interessanterweise zeigten frühere Studien, die auf simultanen EEG- und fNIRS-Aufnahmen basierten, dass P300 während Oddball-Stimuli eine signifikante Korrelation mit fNIRS-Signalen26aufwiesen. Es wurde entdeckt, dass die multimodalen Maßnahmen das Potenzial haben, den umfassenden kognitiven neuronalen Mechanismus auf der Grundlage des ereignisbezogenen Paradigmas26zu enthüllen. Neben der Oddball-Aufgabe ist die Flanker-Aufgabe im Zusammenhang mit der ERP-Komponente N200 auch ein wichtiges Paradigma, das für die Untersuchung der Erkennung kognitiver Fähigkeiten und der Bewertung mit gesunden Kontrollen und Patienten mit verschiedenen Störungen verwendet werden kann. Insbesondere war N200 eine negative Komponente, die 200-350 ms vom vorderen zerkäuterten Kortex frontal27 und dem überlegenen temporalen Kortex28erreicht. Obwohl frühere Studien die Beziehung zwischen dem überlegenen frontalen Kortex und der Alpha-Oszillation in der Flanker-Aufgabe29untersuchten, wurde die Korrelation zwischen der N200-Amplitude und den hämodynamischen Reaktionen während der Flanker-Aufgabe nicht untersucht.

In diesem Protokoll wurde ein hausgemachter EEG/fNIRS-Patch auf Basis der Standard-EEG-Kappe für die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Aufnahmen verwendet. Die Anordnung von Optoden/Elektroden mit Unterstützung wurde durch die Platzierung von fNIRS-Optoden erreicht, die in die EEG-Kappe verschmolzen sind. Die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Datenerfassungen wurden mit den gleichen Reizaufgaben der E-prime-Software durchgeführt. Wir gehen davon aus, dass ERP-Komponenten, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind, eine signifikante Korrelation mit den hämodynamischen Reaktionen im präfrontalen Kortex aufweisen können. In der Zwischenzeit können die kombinierten ERP- und fNIRS-Aufnahmen mehrere Signalindikatoren extrahieren, um die Aktivierungsmuster des Gehirns mit erhöhter Genauigkeit zu identifizieren. Um die Hypothese zu testen, wurden das fNIRS-Setup und die EEG-Maschine integriert, um den komplexen neuronalen Kognitionsmechanismus aufzudecken, der der ereignisbezogenen Flanker-Aufgabe entspricht.

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Protocol

Vor den Experimentellen Tests unterzeichneten alle Teilnehmer Einwilligungsdokumente in Kenntnis der Sachlage. Das Protokoll für diese Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Macau genehmigt.

1. Hardware- und Softwareeinstellung für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen

  1. Erstellen Sie eine Kopfkappe für gleichzeitige EEG-fNIRS-Aufnahmen.
    1. Wählen Sie die entsprechende Kappengröße entsprechend dem Kopfumfang der Teilnehmer aus. Verwenden Sie in dieser Studie eine mittelgroße Kappe, da sie für die meisten jugendlichen und erwachsenen Teilnehmer geeignet ist.
    2. Entwerfen Sie das Layout von fNIRS-Optoden zusammen mit der EEG-Kappe im präfrontalen Kortex (Abbildung 1).
      1. Platzieren Sie EEG-Elektroden im Mittelteil der fNIRS-Optoden, um die Messung der gleichen Hirnregion durch die beiden Techniken19,30zu gewährleisten. Aufgrund der geringen räumlichen Auflösung sowohl der EEG- als auch der fNIRS-Neuroimaging-Methoden platzieren Sie die Elektroden jedoch in den entsprechenden Hirnbereich, der von fNIRS-Optoden abgedeckt wird, und nicht in den genauen Positionen der fNIRS-Kanäle.
      2. Machen Sie 22 Löcher in der EEG-Kappe, um die fNIRS-Optoden im Einklang mit dem spezifischen Layout im präfrontalen Kortex zu halten. Identifizieren und markieren Sie die Positionen von fNIRS-Optoden entsprechend dem entworfenen Layout der Kopfkappe und stanzen Sie dann Löcher in die Kappe, um die Optoden zu platzieren und zu fixieren.
      3. Platzieren Sie 21 oder 71 EEG-Elektroden entlang der Oberfläche der EEG-Kappe (siehe Materialtabelle)nach dem 10-20 International System und montieren Sie die Gitter für die Optoden.
    3. Stellen Sie den Abstand zwischen den einzelnen Quellendetektorpaaren auf 3 cm fest und fixieren Sie dann die Optoden, in denen die blauen Optoden die Lichtdetektoren bezeichnen, während die roten die Laserquellen darstellen.
  2. Stellen Sie die EEG- und fNIRS-Ports in der Software ein.
  3. Verwenden Sie die Zeitauslöser, die über den parallelen und seriellen Port generiert werden, um die Synchronisierung von zwei verschiedenen Signalen sicherzustellen.
    1. Stellen Sie den Parallelanschluss (z. B. H378 in dieser Studie) für das EEG-System ein (siehe Materialtabelle).
    2. Stellen Sie den seriellen Anschluss (z. B. 6 9600 in dieser Studie) für das fNIRS-System ein (siehe Tabelle der Materialien).
      HINWEIS: Der Porttyp und die Nummer sollten in Bezug auf verschiedene EEG- und fNIRS-Setups geändert werden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die Hersteller.

2. Experimentelle Zubereitung

  1. Erwärmen Sie das fNIRS-System mit eingeschalteten Lasern für 30 min.
  2. Stellen Sie alle notwendigen Betriebsparameter für das fNIRS-Messsystem ein.
  3. Zeigen Sie den Teilnehmern den verschmolzenen Versuchsaufbau einschließlich der EEG- und fNIRS-Messsysteme.
  4. Messen und markieren Sie den Cz-Punkt gemäß dem 10-20 International System. Identifizieren Sie die Elektrodenposition von Cz in der Hälfte des Abstands zwischen Inionen und Nasion und die Hälfte des Abstands zwischen dem linken und rechten interauralen Einkerbungen.
  5. Legen Sie zuerst den vorderen Teil der Kappe entlang der Stirn des Teilnehmers und ziehen Sie dann den hinteren Teil der Kappe in Richtung Hals nach unten.
  6. Überprüfen Sie die Positionen.
    1. Messen Sie den Abstand zwischen Cz und Inion und Nasion erneut mit einem weichen Lineal, und überprüfen Sie, ob er sich am Mittelpunkt befindet. Ebenso messen Sie den Abstand zwischen dem Cz und der linken und rechten interaural, und überprüfen Sie, ob sich der Cz in der Mitte befindet.
  7. Bereiten Sie sich auf die EEG-Aufnahmen vor.
    HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, zuerst die EEG-Elektroden und dann die fNIRS-Optoden einzurichten. Wenn EEG leitfähiges Gel die Löcher für die Platzierung von fNIRS-Optoden bedeckt, sollte es gereinigt werden, um die Kontamination von Optoden zu verhindern.
    1. Füllen Sie leitfähiges Gel, indem Sie eine stumpfe Nadel durch die Löcher des EEG-Elektrodengitters setzen.
    2. Legen Sie alle Elektroden entsprechend den Etiketten in das EEG-Elektrodengitter.
    3. Öffnen Sie die EEG-Software und prüfen Sie die Signalqualität von EEG-Elektroden.
    4. Stellen Sie die Elektrode durch Nachfüllen leitfähiges Gel nach, wenn die Signalqualität nicht gut genug ist, um die Anforderungen (40 mV) zu erfüllen.
    5. Stellen Sie die Elektrode durch Nachfüllen leitfähigen Gels nach, wenn die Impedanz die Anforderungen nicht erfüllen kann.
  8. Bereiten Sie sich auf die fNIRS-Aufnahmen vor.
    Achtung: Setzen Sie die Augen der Teilnehmer nicht direkt dem Laserstrahl von fNIRS-Quellen aus.
    1. Platzieren Sie die optischen Fasern entlang der Halterarme, die am fNIRS-Messsystem sowie am Halter befestigt sind. Stellen Sie sicher, dass die Fasern sauber und ordentlich sind.
    2. Setzen Sie die optischen Quellen und Detektoren entsprechend dem Layout in die Löcher ein.
    3. Testen Sie die Signalqualität. Wenn ein Kanal kein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist (d. h., wenn der Kanal gelb markiert ist), überprüfen Sie vorsichtig das Haar des Teilnehmers, das die optischen Sonden umgibt, um sicherzustellen, dass zwischen der optischen Sonde und der Kopfhaut nichts existiert.
    4. Wenn Schritt 2.8.3 die Signalqualität nicht verbessern kann, schalten Sie die Signalintensität auf. Wenn zu viel Signal vorhanden ist (d. h., wenn der Kanal rot markiert ist), schalten Sie die Signalintensität herunter.

3. Führen Sie das Experiment aus

  1. Starten Sie das Experiment, wenn die Signale mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis stabil sind und die Teilnehmer mit den Versuchsanweisungen vertraut sind. Verwenden Sie das klassische Flanker-Paradigma für den experimentellen Test29,31.
  2. Speichern und exportieren Sie nach dem Experiment die Daten aus EEG und fNIRS.
  3. Entfernen Sie EEG-Elektroden und fNIRS optische Sonden sorgfältig.

4. Messung dreidimensionaler (3D) MNI-Koordinaten von fNIRS-Optoden mit 3D-Digitizer

  1. Lassen Sie die Teilnehmer in einem Stuhl sitzen und die Brille mit dem Sensor tragen.
  2. Öffnen Sie die Digitizer-Software auf dem Computer. Stellen Sie sicher, dass das 3D-Digitalisierersystem über einen entsprechenden COM-Port mit dem Computer in Verbindung steht.
  3. Laden Sie das Layout der Optodeseinstellungsdatei.
  4. Bewegen Sie den 3D-Digitalisierer-Stift über die Schlüsselpositionen (Nz, Iz, linkes Ohr, rechtes Ohr, Cz) zusammen mit dem Bildschirm und drücken Sie die Taste auf dem Stift.
  5. Lokalisieren Sie die optischen Quellen und Detektoren
  6. Exportieren Sie die 3D-Koordinatendateien.

5. Datenanalyse

  1. fNIRS Datenanalyse
    1. Verarbeiten Sie die 3D MNI-Koordinatendaten mit der Registrierungsoption in NIRS-SPM mit MATLAB 2019. Wählen Sie: eigenständige räumliche Registrierung | Mit 3D Digitalize. Wählen Sie die zuvor gespeicherten anderen und Ursprungstextdateien aus, und wählen Sie dann Registrierungaus.
    2. Vorververarbeiten deFS-Signale mit Homer2 Software32.
      1. Konvertieren Sie die Rohdaten in optische Dichteänderungen für unterschiedliche Wellenlängen und wandeln Sie sie mit einem modifizierten Beer-Lambert-Gesetz weiter in die Konzentrationsänderungen von HbO zu verschiedenen Zeitpunkten um. Im Allgemeinen ist der typische Differenzpfadlängenfaktor (DPF) wert, der von Alter, Geschlecht und Wellenlänge beeinflusst wird, und der Abstand zwischen der Quelle und dem Decetor33,34 ist 6, was dem durchschnittlichen DPF aus früheren Studien34,35entspricht.
      2. Verwenden Sie den Spline-Bewegungsartefakte-Erkennungsalgorithmus aus dem Homer2 fNIRS-Verarbeitungspaket für die Bewegungskorrektur. Bitte wählen Sie die geeigneten Methoden der Bewegungskorrektur basierend auf Literatur36aus.
      3. Verarbeiten Sie die rohen Hämoglobin-Kontinuierlichen Daten mit einem Tiefpassfilter von 0,2 Hz und anschließend einem Hochpassfilter von 0,015 Hz.
      4. Normalisieren Sie die hämodynamische Signalamplitude, indem Sie die gemittelten Werte dividieren.
      5. Generieren Sie die fNIRS-Daten für jeden Kanal basierend auf den 3D-Digitizer-Informationen. Wählen Sie die Kanäle mit einer Registrierungswahrscheinlichkeit von 100% oder mehr im überlegenen Frontalkortex (SFC) gemäß der Regressionsberechnung des NIRS-SPM für die weitere Analyse aus.
      6. Exportieren Sie die Spitzenwerte der Sauerstoffhämoglobin (HbO) Konzentrationsänderungen.
        HINWEIS: In dieser Studie wurden aufgrund ihres hohen Signal-Rausch-Verhältnisses nur HbO-Signale analysiert. Die Spitzenwerte der laufgemittelten HbO-Daten wurden für jeden Kanal von jedem Teilnehmer zur weiteren Analyse extrahiert.
  2. EEG-Datenverarbeitung
    HINWEIS: Die Offline-EEG-Datenanalyse wurde mit dem EEGLAB durchgeführt. Nur N200 bei Fz war die interessante Komponente für die vorliegende Studie. Alle Elektroden wurden einer automatischen Artefaktkorrektur unterzogen, um Augenbewegungen mithilfe eines internen Modells von Artefakttopographien zu entfernen. Kontinuierliche EEG-Daten wurden dann in verschiedene Versuche nach Ziel- und Nichtzielreizen unterteilt, in denen die Epoche für jede Studie 2500 ms dauerte, mit einer Vor-Stimulus-Periode von 500 ms (Basisepoche) und einer Post-Stimulus-Periode von 2000 ms (Aufgabenepoche).
    1. Laden Sie den unformatierten EEG-Datenordner mit den Plugins in das EEGLAB. Wählen Sie in dieser Studie das BIOSIG-Plugin für die BDF-Datei aus.
      HINWEIS: Bitte wählen Sie ein passendes Plugin nach dem EEG-Datendateiformat.
    2. Legen Sie die Kanalpositionsinformationen für EEGLAB37 fest. Laden Sie die entsprechende Speicherortdatei der Kappe.
    3. Referenzelektroden im ERPLAB, einem Plugin von EEGLAB. Wählen Sie die Kanäle, die in den Mastoiden platziert sind, als Referenzelektroden aus.
    4. Extrahieren Sie EEG-Datenepochen basierend auf den Ereignis- und Bin-Dateien im ERPLAB37.
    5. Filtern Sie die EEG-Datensegmente im ERPLAB mithilfe des FIR-Filters, indem Sie die tiefen Frequenzen mit einem Cutoff von 30Hz filtern und die hohen Frequenzen mit einem Cutoff von 0,1 Hz filtern.
    6. Entfernen Sie okuläre EEG-Artefakte mit der unabhängigen Komponentenanalyse in EEGLAB.
    7. Ablehnen Sie EEG-Datensegmente mit Amplitudenwerten von mehr als 100 V an jedem Kanal in ERPLAB.
    8. Durchschnitt der EEG-Datensegmente in ERPLAB.
      HINWEIS: Dies sind die allgemein verwendete Datenanalysemethode und die Software zur Verarbeitung von EEG und den fNIRS-Daten. Es stehen zahlreiche Verarbeitungssoftware und -methoden zur Verfügung.
  3. Korrelationsberechnung
    1. Generieren Sie die Beziehung zwischen fNIRS- und EEG-Aufzeichnungen mithilfe der Pearson-Korrelationsanalyse.
  4. i>

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Representative Results

Abbildung 2 zeigt die HbO-Signale für alle Kanäle, während in Abbildung 3 die ERPs bei Fz und FCz für die beiden Bedingungen der Flanker-Aufgabe angezeigt werden. Figure 4 veranschaulichte die Pearson-Korrelationsanalyseergebnisse zeigten, dass die fNIRS-Signale in SFC eine signifikante Korrelation mit der ERP-N200-Komponente bei Fz für den inkongruenten Zustand aufwiesen (P<0.05). Dies ist jedoch nicht bei den kongruenten Bedingungen der Fall (P>0.05).

Figure 1
Abbildung 1: fNIRS Headset Platzierung und Kanalkonfiguration. Das digitalisierte Optodes-Layout wird in das MNI-Koordinatensystem konvertiert und dann entlang des Hirnrindes überlappt Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2. HbO-Signale für alle Kanäle, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind. Die rosa Kurven bezeichnen den inkongruenten Zustand, während die grünen den kongruenten Zustand angeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3. ERP-Signale für Fz- und FCz-Elektroden. Die schwarzen Kurven definieren die inkongruente Bedingung, während die roten die kongruente Bedingung bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Korrelation zwischen den ERP N200- und HbO-Signalen entlang des überlegenen frontalen Kortex (SFC) für den inkongruenten Zustand. Der Regressionskoeffizient zwischen den beiden Messungen beträgt 0,59, p = 0,027. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

In diesem Protokoll wurden kombinierte EEG- und fNIRS-Aufnahmen durchgeführt, um die Gehirnaktivierungsmuster mit einem ereignisbezogenen Flanker-Paradigma zu untersuchen, indem die neuronalen Signale des gesamten Gehirns und gleichzeitige hämodynamische Reaktionen des präfrontalen Kortex aufgezeichnet wurden. Die ERP-Ergebnisse zeigten, dass N200 bei Fz in der Lage war, die kongruenten und inkongruenten Bedingungen signifikant zu unterscheiden (P=0,037). In der Zwischenzeit zeigten die HbO-Signale in SFC (Kanäle 21) auch einen signifikanten Unterschied zwischen den kongruenten und inkongruenten Bedingungen, die die wichtige Rolle der Fähigkeit zeigten, Reaktionen zu unterdrücken, die die kognitive Funktion des Gehirns im Zusammenhang mit der Flanker-Aufgabe beinhalteten (PFDR = 0,041).

Darüber hinaus zeigte N200 bei Fz eine signifikante Korrelation mit der hämodynamischen Reaktion im SFC (Kanal 21) für die inkongruente Erkrankung, obwohl dies bei der kongruenten Erkrankung nicht der Fall war. Die Gehirnaktivierung im präfrontalen Kortex ist stark mit hohen kognitiven Funktionen korreliert, die durch fNIRS mit dem hohen Signal-Rausch-Verhältnis im räumlichen Bereich leicht identifiziert werden können. Die neuronale Aktivität (N200), die von EEG im Zusammenhang mit der gleichen Flanker-Aufgabe nachgewiesen wird, wird jedoch meist im parietalen Kortex mit hoher Empfindlichkeit und hoher zeitlicher Auflösung aufgedeckt. N200 bei Fz zeigte den kognitiven Unterschied zwischen den beiden Bedingungen, während fNIRS-Signale den Unterschied der Unterdrückungsfunktion im präfrontalen Bereich zwischen den beiden Bedingungen veranschaulichten. Es wurde entdeckt, dass die Erkenntnis eine signifikante Beziehung zur Exekutive während der Flanker-Aufgabe zeigte. Dies könnte der Hauptgrund sein, warum die N200 bei Fz eine signifikante Korrelation mit der hämodynamischen Reaktion in SFC aufwies.

In diesem Protokoll haben wir beschrieben, wie verschmolzene EEG- und fNIRS-Aufnahmen durchgeführt werden und wie das ereignisbezogene Potenzial analysiert und die Veränderungen der Hämoglobinkonzentration im präfrontalen Kortex gemessen werden können. Die Synchronisation verschiedener Setups ist ein wesentliches Anliegen für die Fusion zweier Hardwaresysteme. Inzwischen ist der ereignisbezogene Auslöser auch das entscheidende Zeichen für die Aufgabengestaltung von gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Aufnahmen.

Kombinierte EEG- und fNIRS-Aufnahmen sind vielversprechende Techniken zur Untersuchung der neuronalen Mechanismen, die verschiedenen kognitiven Aufgaben zugrunde liegen. Zusammenfassend haben wir während einer Flanker-Aufgabe erfolgreich gleichzeitige EEG- und fNIRS-Daten erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass die fNIRS hämodynamische Reaktion und ERP-Komponente N200 signifikant korreliert waren, die unterschiedliche Perspektiven des kognitiven Mechanismus im Zusammenhang mit der Flanker-Aufgabe aufwiesen. Die multimodalen Neuroimaging-Ergebnisse unterstützen eine wesentliche Rolle der kombinierten EEG- und fNIRS-Technik bei der Kognition des Gehirns mit unterschiedlichen Latenzen und Aktivierungsregionen, was einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses der neuronalen Mechanismen der Flanker-Aufgabe ebnet.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeiten wurden zum Teil im High Performance Computing Cluster (HPCC) durchgeführt, der vom Informations- und Kommunikationstechnologiebüro (ICTO) der Universität Macau unterstützt wird. Diese Studie wurde von MYRG2019-00082-FHS und MYRG 2018-00081-FHS Stipendien der University of Macau in Macau unterstützt und auch vom Science and Technology Development Fund, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 und FDCT 025/2015/A1) finanziert.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
EEG cap EASYCAP GmbH - -
EEG system BioSemi - -
fNIRS system TechEn - CW6 System

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Neurowissenschaften Ausgabe 159 Elektroenzephalographie (EEG) Funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) Fusion Flanker-Aufgabe Hirnaktivierung
Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe
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Xu, S. Y., Cheong, L. I., Zhuang,More

Xu, S. Y., Cheong, L. I., Zhuang, Y., Couto, T. A. P., Yuan, Z. Conducting Concurrent Electroencephalography and Functional Near-Infrared Spectroscopy Recordings with a Flanker Task. J. Vis. Exp. (159), e60669, doi:10.3791/60669 (2020).

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