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Neuroscience

Condurre l'elettroencefalografia simultanea e le registrazioni della spettroscopia funzionale vicino all'infrarosso con un compito Flanker

Published: May 24, 2020 doi: 10.3791/60669

Summary

Il protocollo attuale descrive come eseguire registrazioni EEG e fNIRS simultanee e come controllare la relazione tra i dati EEG e fNIRS.

Abstract

Le registrazioni EEG e fNIRS simultanee offrono un'ottima opportunità per ottenere una piena comprensione del meccanismo neurale dell'elaborazione cognitiva controllando la relazione tra i segnali neurali ed emodinamici. EEG è una tecnologia elettrofisiologica in grado di misurare la rapida attività neuronale della corteccia, mentre fNIRS si basa sulle risposte emodinamiche per dedurre l'attivazione cerebrale. La combinazione di tecniche di neuroimaging EEG e fNIRS può identificare più caratteristiche e rivelare più informazioni associate al funzionamento del cervello. In questo protocollo, sono state eseguite misurazioni EEG-fNIRS fuse per registrazioni simultanee di potenziali elettrici evocati e risposte emodinamiche durante un'attività Flanker. Inoltre, sono stati forniti e discussi in dettaglio i passaggi critici per la configurazione del sistema hardware e software, nonché le procedure per l'acquisizione e l'analisi dei dati. Si prevede che l'attuale protocollo possa aprire una nuova strada per migliorare la comprensione dei meccanismi neurali alla base di vari processi cognitivi utilizzando i segnali EEG e fNIRS.

Introduction

Questo studio mira a sviluppare un protocollo di lavoro per rivelare il modello di attivazione neurale alla base del compito Flanker utilizzando tecniche di neuroimaging FLEE e fNIRS fuse. È interessante notare che le registrazioni fNIRS-EEG simultanee consentono l'ispezione della relazione tra i segnali emodinamici nella corteccia prefrontale e vari componenti potenziali legati agli eventi (ERP) dell'intero cervello associati al compito Flanker.

L'integrazione di varie modalità di neuroimaging non invasivo, tra cui la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), l'elettroencefalografia (EEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è essenziale per migliorare la comprensione di dove e quando l'elaborazione delle informazioni avviene nel cervello1,2,3. Inoltre, c'è il potenziale per combinare fNIRS ed EEG per esaminare la relazione tra l'attività neurale locale e i successivi cambiamenti nelle risposte emodinamiche, in cui EEG e fNIRS possono essere complementari nel rivelare il meccanismo neurale della funzione cognitiva del cervello umano. fNIRS è una tecnica di neuroimaging funzionale basata su vascolare che si basa sulle risposte emodinamiche per dedurre l'attivazione del cervello. fNIRS misura i relativi cambiamenti di concentrazione di ossiemoglobina (HbO) e deoxyhemoglobina (HbR) nella corteccia cerebrale, che svolge un ruolo importante nello studio dell'elaborazione cognitiva3,4,5,6,7.7 Secondo il meccanismo di accoppiamento neurovascolare e neurometabolico8, il cambiamento dell'attività neurale locale associata all'elaborazione cognitiva è generalmente accompagnato da successive alterazioni del flusso sanguigno locale e dell'ossigeno nel sangue con un ritardo di 4-7 secondi. È dimostrato che l'accoppiamento neurovascolare è probabilmente un trasduttore di potenza, che integra la dinamica veloce dell'attività neurale nell'input vascolare dell'emodinamica lenta9. In particolare, fNIRS è utilizzato principalmente per ispezionare l'attività neurovascolare nel lobo frontale, in particolare la corteccia prefrontale che è responsabile di alte funzioni cognitive, come le funzioni esecutive10,11,12, ragionamento e pianificazione13, processo decisionale14, e cognizione sociale e giudizio morale15. Tuttavia, le risposte emodinamiche misurate da fNIRS catturano solo indirettamente l'attività neurale con una bassa risoluzione temporale, mentre EEG può offrire misure temporali fini e dirette delle attività neurali. Di conseguenza, la combinazione di EEG e registrazione fNIRS può identificare più caratteristiche e rivelare più informazioni associate al funzionamento del cervello.

Ancora più importante, l'acquisizione multimodale dei segnali EEG e fNIRS è stata condotta per ispezionare l'attivazione del cervello alla base di varie attività cognitive16,17,18,19,20,21,22 o interfaccia cervello-computer23,24. In particolare, le registrazioni eRP simultanee (potenziale correlato agli eventi) e fNIRS sono state effettuate in base al paradigma di oddball uditiva relativo agli eventi1, in cui fNIRS può identificare i cambiamenti emodinamici nella corteccia frontotemporale alcuni secondi dopo la comparsa del componente P300. Horovitz et al. ha anche dimostrato le misurazioni simultanee dei segnali fNIRS e del componente P300 durante un'attività di elaborazione semantica25. È interessante notare che studi precedenti basati su registrazioni simultanee di EEG e fNIRS hanno mostrato che P300 durante gli stimoli oddball mostrava una correlazione significativa con i segnali fNIRS26. Si è scoperto che le misure multimodali hanno il potenziale per rivelare il meccanismo neurale cognitivo completo basato sul paradigma correlato all'evento26. Oltre al compito di oddball, il compito Flanker associato al componente ERP N200 è anche un paradigma importante, che può essere utilizzato per lo studio del rilevamento cognitivo delle capacità e della valutazione con controlli sani e pazienti con vari disturbi. In particolare, N200 era un componente negativo che raggiungeva i picchi di 200-350 ms dalla corteccia frontale cingulataanteriore 27 e dalla corteccia temporale superiore28. Anche se studi precedenti hanno esaminato la relazione tra la corteccia frontale superiore e l'oscillazione alfa nell'attività Flanker29, la correlazione tra l'ampiezza N200 e le risposte emodinamiche durante il compito Flanker non è stata esplorata.

In questo protocollo, è stata utilizzata una patch EEG/fNIRS fatta in casa basata sul tappo EEG standard per le registrazioni EEG e fNIRS simultanee. Le disposizioni degli optodi/elettrodi con supporto sono state ottenute attraverso il posizionamento di optodi fNIRS fusi nel tappo EEG. Le acquisizioni simultanee di dati EEG e fNIRS sono state effettuate con gli stessi compiti di stimolo generati dal software E-prime. Ipotizziamo che i componenti ERP associati all'attività Flanker possano mostrare una correlazione significativa con le risposte emodinamiche nella corteccia prefrontale. Nel frattempo, le registrazioni combinate Di ERP e fNIRS possono estrarre più indicatori di segnale per identificare i modelli di attivazione del cervello con una maggiore precisione. Per testare l'ipotesi, la configurazione fNIRS e la macchina EEG sono state integrate per rivelare il complesso meccanismo di cognizione neurale corrispondente all'attività Flanker relativa all'evento.

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Protocol

Prima dei test sperimentali, tutti i partecipanti hanno firmato documenti di consenso informato. Il protocollo per il presente studio è stato approvato dal Comitato Etico dell'Università di Macao.

1. Impostazione hardware e software per le registrazioni EEG e fNIRS simultanee

  1. Costruire un tappo di testa per le registrazioni EEG-fNIRS simultanee.
    1. Selezionare la dimensione del tappo appropriata in base alla circonferenza della testa dei partecipanti. In questo studio, utilizzare un tappo di medie dimensioni in quanto è adatto per la maggior parte dei partecipanti adolescenti e adulti.
    2. Progettare il layout degli optodi fNIRS insieme al tappo EEG nella corteccia prefrontale (Figura 1).
      1. Posizionare gli elettrodi EEG nella sezione centrale degli optodi fNIRS per garantire la misurazione della stessa regione cerebrale con le due tecniche19,30. Tuttavia, a causa della bassa risoluzione spaziale dei metodi di neuroimaging EEG e fNIRS, posizionare gli elettrodi nell'area cerebrale corrispondente coperta da optodi fNIRS piuttosto che le posizioni esatte dei canali fNIRS.
      2. Fare 22 fori all'interno del tappo EEG per tenere gli optodi fNIRS in linea con il layout specifico nella corteccia prefrontale. Identificare e contrassegnare le posizioni degli optodi fNIRS in base al layout progettato del tappo della testa e quindi forare i fori all'interno del tappo per posizionare e fissare gli optodi.
      3. Posizionare 21 o 71 elettrodi EEG lungo la superficie del tappo EEG (vedere Tabella dei materiali)secondo il sistema internazionale 10-20 e montare le griglie per gli optodi.
    3. Impostare la distanza tra ogni coppia di source-detector come 3 cm e quindi fissare gli optodi, in cui gli optodi blu indicano i rilevatori di luce mentre quelli rossi rappresentano le sorgenti laser.
  2. Impostare le porte EEG e fNIRS nel software.
  3. Utilizzare i trigger temporali generati tramite la porta parallela e la porta seriale per garantire la sincronizzazione di due segnali diversi.
    1. Impostare la porta parallela (ad esempio, H378 in questo studio) per il sistema EEG (vedere Tabella dei materiali).
    2. Impostare la porta seriale (ad esempio, 6 9600 in questo studio) per il sistema fNIRS (vedere Tabella dei materiali).
      NOTA: il tipo e il numero di porte devono essere modificati per quanto riguarda le varie configurazioni EEG e fNIRS. Si prega di contattare i produttori per ulteriori informazioni.

2. Preparazione sperimentale

  1. Riscaldare il sistema fNIRS con laser accesi per 30 min.
  2. Impostare tutti i parametri operativi necessari per il sistema di misurazione fNIRS.
  3. Mostra ai partecipanti la configurazione sperimentale fusa, inclusi i sistemi di misurazione EEG e fNIRS.
  4. Misurare e contrassegnare il punto Cz secondo il sistema internazionale 10-20. Identificare la posizione dell'elettrodo di Cz a metà della distanza tra l'inione e la nasion e la metà della distanza tra le indentazioni interualiche sinistra e destra.
  5. Posizionare prima la parte anteriore del cappuccio lungo la fronte del partecipante e quindi tirare verso il basso la sezione posteriore del cappuccio verso il collo.
  6. Convalidare le posizioni.
    1. Misurare la distanza tra il Cz e inion e nasion di nuovo con un righello morbido, e verificare se si trova in corrispondenza del punto medio. Allo stesso modo, misurare la distanza tra il Cz e sinistra e destra inter-aurale, e verificare due volte se il Cz si trova nel punto medio.
  7. Prepararsi per le registrazioni EEG.
    NOTA: Si consiglia vivamente di impostare prima gli elettrodi EEG e poi gli optodi fNIRS. Se il gel conduttivo EEG copre i fori per il posizionamento di optodi fNIRS, deve essere pulito per evitare la contaminazione degli optodi.
    1. Riempire il gel conduttivo inserendo un ago smussato attraverso i fori della griglia degli elettrodi EEG.
    2. Inserire tutti gli elettrodi nella griglia degli elettrodi EEG in base alle etichette.
    3. Aprire il software EEG e controllare la qualità del segnale degli elettrodi EEG.
    4. Riaggiustare il gel conduttivo se la qualità del segnale non è sufficiente per soddisfare i requisiti (40 mV).
    5. Riaggiustare il gel conduttivo se l'impeto non poteva soddisfare i requisiti.
  8. Prepararsi per le registrazioni fNIRS.
    Attenzione: Non esporre direttamente gli occhi dei partecipanti al raggio laser delle sorgenti fNIRS.
    1. Posizionare le fibre ottiche lungo i bracci del supporto attaccati al sistema di misura fNIRS e al supporto. Assicurarsi che le fibre siano ordinate e ordinate.
    2. Inserire le sorgenti ottiche e i rilevatori nei fori in base al layout.
    3. Verificare la qualità del segnale. Se un canale non ha un rapporto segnale-rumore di alto livello (cioè se il canale è contrassegnato in giallo), ispezionare delicatamente i capelli del partecipante che circondano le sonde ottiche per assicurarsi che non esista nulla tra la sonda ottica e il cuoio capelluto.
    4. Se il passaggio 2.8.3 non è in grado di migliorare la qualità del segnale, alzare l'intensità del segnale. Se c'è troppo segnale (cioè, se il canale è contrassegnato in rosso), abbassare l'intensità del segnale.

3. Eseguire l'esperimento

  1. Avviare l'esperimento quando i segnali sono stabili con un eccellente rapporto segnale-rumore e i partecipanti hanno familiarità con le istruzioni dell'esperimento. Utilizzare il classico paradigma Flanker per il test sperimentale29,31.
  2. Dopo l'esperimento, salvare ed esportare i dati sia da EEG che da fNIRS.
  3. Rimuovere gli elettrodi EEG e le sonde ottiche fNIRS con attenzione.

4. Misurazione delle coordinate MNI tridimensionali (3D) degli optodi fNIRS con digitalizzatore 3D

  1. Lasciare che i partecipanti si siedano su una sedia e indossino gli occhiali con il sensore.
  2. Aprire il software del digitalizzatore sul computer. Assicurarsi che il sistema digitalizzatore 3D sia in collegamento con il computer tramite una porta COM appropriata.
  3. Caricare il layout del file di impostazione optodes.
  4. Spostare lo stilo del digitalizzatore 3D tra le posizioni dei tasti (Nz, Iz, orecchio sinistro, orecchio destro, Cz) insieme allo schermo e premere il pulsante sullo stilo.
  5. Localizzare le sorgenti ottiche e i rilevatori
  6. Esportare i file di coordinate 3D.

5. Analisi dei dati

  1. Analisi dei dati fNIRS
    1. Elaborare i dati delle coordinate MNI 3D utilizzando l'opzione di registrazione in NIRS-SPM con MATLAB 2019. Selezione: registrazione spaziale autonoma Con Digitalizzazione 3D. Scegliere gli altri salvati in precedenza e i file di testo di origine, quindi selezionare Registrazione.
    2. Segnali fNIRS pre-processo con software Homer232.
      1. Convertire i dati grezzi in variazioni di densità ottica per diverse lunghezze d'onda e convertirle ulteriormente ai cambiamenti di concentrazione di HbO in diversi punti temporali utilizzando una legge di Birra-Lambert modificata. In genere, il valore DPF (Typically differential path length factor) influenzato dall'età, dal sesso e dalla lunghezza d'onda e dalla distanza tra la fonte e il decetor33,34 è 6, che è simile al DPF medio degli studi precedenti34,35.
      2. Utilizzare l'algoritmo di rilevamento degli artefatti di movimento spline del pacchetto di elaborazione Homer2 fNIRS per la correzione del movimento. Si prega di selezionare i metodi appropriati di correzione del movimento in base alla letteratura36.
      3. Elaborare i dati continui dell'emoglobina grezza con un filtro a passa bassa di 0,2 Hz e successivamente un filtro a passa-alto di 0,015 Hz.
      4. Normalizzare l'ampiezza del segnale emodinamico dividendo i valori medi.
      5. Generare i dati fNIRS per ogni canale in base alle informazioni sul digitalizzatore 3D. Selezionare i canali con una probabilità di registrazione pari o superiore al 100% nella corteccia frontale superiore (SFC) in base al calcolo di regressione del NIRS-SPM per un'ulteriore analisi.
      6. Esportare i valori massimi dei cambiamenti di concentrazione di emoglobina dell'ossigeno (HbO).
        NOTA: In questo studio, solo i segnali HbO sono stati analizzati a causa del loro elevato rapporto segnale-rumore. I valori massimi dei dati HbO mediati in esecuzione sono stati estratti per ogni canale da ogni partecipante per un'ulteriore analisi.
  2. Trattamento dei dati EEG
    NOTA: l'analisi dei dati EEG offline è stata eseguita con EEGLAB. Solo N200 a Fz è stata la componente interessante per il presente studio. Tutti gli elettrodi sono stati sottoposti a una correzione automatica degli artefatti per rimuovere i movimenti oculari utilizzando un modello interno di topografie artefatto. I dati EEG continui sono stati poi segmentati in diversi studi in base a stimoli target e non target, in cui l'epoca per ogni sperimentazione è durata 2500 ms, coinvolgendo un periodo pre-stimolo di 500 ms (epoca di base) e un periodo post-stimolo di 2000 ms (task epoch).
    1. Caricare la cartella dei dati EEG grezzi in EEGLAB utilizzando i plugin. Scegliere il plugin BIOSIG per il file BDF in questo studio.
      NOTA: Si prega di scegliere un plugin adatto in base al formato di file di dati EEG.
    2. Impostare le informazioni sulla posizione del canale per EEGLAB37. Caricare il file di posizione corrispondente del tappo.
    3. Rifare riferimento agli elettrodi nell'ERPLAB, che è un plugin di EEGLAB. Scegliere i canali posizionati nei mastoidi come elettrodi di riferimento.
    4. Estrarre le epoche di dati EEG in base ai file di eventi e bin nell'ERPLAB37.
    5. Filtrare i segmenti di dati EEG nell'ERPLAB utilizzando il filtro FIR filtrando le basse frequenze con un taglio di 30 Hz e filtrando le alte frequenze con un taglio di 0,1 Hz.
    6. Rimuovere gli artefatti EEG oculari con l'analisi dei componenti indipendenti in EEGLAB.
    7. Rifiutare i segmenti di dati EEG con valori di ampiezza superiori a 100 V in qualsiasi canale di ERPLAB.
    8. Calcolare la media dei segmenti di dati EEG in ERPLAB.
      NOTA: Questi sono il metodo di analisi dei dati generalmente utilizzato e il software per l'elaborazione EEG e i dati fNIRS. Ci sono numerosi software di elaborazione e metodi disponibili.
  3. Calcolo della correlazione
    1. Generare la relazione tra le registrazioni fNIRS ed EEG utilizzando l'analisi di correlazione di Pearson.
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Representative Results

Figura 2 Mostra i segnali HbO per tutti i canali, mentre Figura 3 visualizza gli ERP a Fz e FCz per le due condizioni dell'attività Flanker. Figure 4 ha illustrato i risultati dell'analisi di correlazione di Pearson ha mostrato che i segnali fNIRS in SFC hanno mostrato una correlazione significativa con il componente ERP N200 di Fz per la condizione incongruente (P<0.05). Tuttavia, questo non è il caso per le condizioni congruenti (P>0.05).

Figure 1
Figura 1. Posizionamento e configurazione del canale fNIRS. Il layout delle optodi digitalizzati viene convertito nel sistema di coordinate MNI e quindi sovrapposto lungo la corteccia cerebrale Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
come illustrato nella Figura 2. Segnali HbO per tutti i canali associati all'attività Flanker. Le curve rosa denotano la condizione incongruente, mentre quelle verdi indicano la condizione congruente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
come illustrato nella figura 3. Segnali ERP per gli elettrodi Fz e FCz. Le curve nere definiscono la condizione incongruente mentre quelle rosse indicano la condizione congruente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Correlazione tra i segnali ERP N200 e HbO lungo la corteccia frontale superiore (SFC) per la condizione incongruente. Il coefficiente di regressione tra le due misurazioni è 0,59, p - 0,027. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

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Discussion

In questo protocollo, sono state eseguite registrazioni combinate Di EEG e fNIRS per esaminare i modelli di attivazione del cervello che coinvolgono un paradigma Flanker relativo agli eventi registrando i segnali neurali dell'intero cervello e le risposte emodinamiche simultanee della corteccia prefrontale. I risultati dell'ERP hanno mostrato che N200 a Fz era in grado di distinguere in modo significativo le condizioni congruenti e incongruenti (P-0.037). Nel frattempo, i segnali HbO in SFC (canali 21) hanno anche mostrato una differenza significativa tra le condizioni congruenti e incongruenti, che ha dimostrato il ruolo importante della capacità di sopprimere le risposte che hanno coinvolto la funzione cognitiva del cervello associata al compito Flanker (PFDR - 0,041).

Inoltre, N200 a Fz ha mostrato una correlazione significativa con la risposta emodinamica nella SFC (canale 21) per la condizione incongruente, anche se questo non era il caso per quello congruente. L'attivazione cerebrale nella corteccia prefrontale è fortemente correlata ad alte funzioni cognitive, che possono essere facilmente identificate da fNIRS con l'elevato rapporto segnale-rumore nel dominio spaziale. Tuttavia, l'attività neurale (N200) rilevata da EEG associata allo stesso compito Flanker è per lo più rivelata nella corteccia parietale con alta sensibilità e alta risoluzione temporale. N200 a Fz ha mostrato la differenza cognitiva tra le due condizioni, mentre i segnali fNIRS hanno illustrato la differenza della funzione di soppressione nella regione prefrontale tra le due condizioni. Si scoprì che la cognizione mostrava una relazione significativa con il controllo esecutivo durante il compito flanker. Questo potrebbe essere il motivo principale per cui il N200 a Fz ha mostrato una correlazione significativa con la risposta emodinamica in SFC.

In questo protocollo, abbiamo descritto come condurre registrazioni fuse di EEG e fNIRS e come analizzare il potenziale correlato agli eventi e misurare i cambiamenti di concentrazione di emoglobina nella corteccia prefrontale. La sincronizzazione di diverse configurazioni è una preoccupazione essenziale per la fusione di due sistemi hardware. Nel frattempo, il trigger correlato agli eventi è anche il segno cruciale per la progettazione di attività di registrazioni EEG e fNIRS simultanee.

Le registrazioni combinate di EEG e fNIRS sono tecniche promettenti per lo studio dei meccanismi neurali alla base di vari compiti cognitivi. In sintesi, abbiamo acquisito con successo dati EEG e fNIRS simultanei durante un'attività Flanker. I risultati hanno indicato che la risposta emodinamica fNIRS e il componente ERP N200 erano significativamente correlati, il che mostrava diverse prospettive del meccanismo cognitivo associato al compito Flanker. I risultati di neuroimaging multimodale supportano un ruolo essenziale della tecnica combinata EEG e fNIRS nel contribuire alla cognizione cerebrale con diverse latenze e regioni di attivazione, che apre una nuova strada per migliorare la comprensione dei meccanismi neurali del compito Flanker.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato svolto in parte presso il cluster di calcolo ad alte prestazioni (HPCC), che è supportato dall'ufficio di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (ICTO) dell'Università di Macao. Questo studio è stato sostenuto da MYRG2019-00082-FHS e MYRG 2018-00081-FHS sovvenzioni dall'Università di Macao a Macao, e anche finanziato da The Science and Technology Development Fund, Macao SAR (FDCT 0011/2018/A1 e FDCT 025/2015/A1).

Materials

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

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Neuroscienze Numero 159 Elettroencefalografia (EEG) spettroscopia funzionale vicino infrarosso (fNIRS) Fusion attività Flanker attivazione cerebrale
Condurre l'elettroencefalografia simultanea e le registrazioni della spettroscopia funzionale vicino all'infrarosso con un compito Flanker
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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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