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Neuroscience

Realización de electroencefalografía concurrente y grabaciones funcionales de espectroscopia de infrarrojo cercano con una tarea de flanqueador

Published: May 24, 2020 doi: 10.3791/60669

Summary

El protocolo actual describe cómo realizar grabaciones simultáneas DeEEG y fNIRS y cómo inspeccionar la relación entre los datos EEG y fNIRS.

Abstract

Las grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS ofrecen una excelente oportunidad para obtener una comprensión completa del mecanismo neuronal del procesamiento cognitivo mediante la inspección de la relación entre las señales neuronales y hemodinámicas. EEG es una tecnología electrofisiológica que puede medir la rápida actividad neuronal de la corteza, mientras que fNIRS se basa en las respuestas hemodinámicas para inferir la activación cerebral. La combinación de eEG y técnicas de neuroimagen fNIRS puede identificar más características y revelar más información asociada con el funcionamiento del cerebro. En este protocolo, se realizaron mediciones fusionadas de EEG-fNIRS para grabaciones simultáneas de potenciales eléctricos evocados y respuestas hemodinámicas durante una tarea flankora. Además, se proporcionaron y discutieron en detalle los pasos críticos para configurar el sistema de hardware y software, así como los procedimientos para la adquisición y el análisis de datos. Se espera que el presente protocolo pueda allanar una nueva vía para mejorar la comprensión de los mecanismos neuronales subyacentes a diversos procesos cognitivos mediante el uso de las señales EEG y fNIRS.

Introduction

Este estudio tiene como objetivo desarrollar un protocolo de trabajo para revelar el patrón de activación neuronal subyacente a la tarea Flanker mediante el uso de técnicas de neuroimagen EEG y fNIRS fusionadas. Curiosamente, las grabaciones simultáneas fNIRS-EEG permiten la inspección de la relación entre las señales hemodinámicas en la corteza prefrontal y varios componentes potenciales relacionados con eventos (ERP) de todo el cerebro asociados con la tarea Flanker.

La integración de diversas modalidades neuroimagen no invasivas, incluyendo espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS), electroencefalografía (EEG) y resonancia magnética funcional (fMRI) es esencial para mejorar la comprensión de dónde y cuándo se está llevando a cabo el procesamiento de información en el cerebro1,2,3. Además, existe el potencial de combinar fNIRS y EEG para examinar la relación entre la actividad neuronal local y los cambios posteriores en las respuestas hemodinámicas, en las que EEG y fNIRS pueden ser complementarios al revelar el mecanismo neuronal de la función cognitiva del cerebro humano. fNIRS es una técnica de neuroimagen funcional basada en vasculares que se basa en las respuestas hemodinámicas para inferir la activación cerebral. fNIRS mide los cambios relativos de concentración de oxihemoglobina (HbO) y desoxihemoglobina (HbR) en la corteza cerebral, que desempeña un papel importante en el estudio del procesamiento cognitivo3,4,5,6,7. Según el mecanismo de acoplamiento neurovascular y neurometabólico8,el cambio de la actividad neuronal local asociada con el procesamiento cognitivo generalmente se acompaña de alteraciones posteriores en el flujo sanguíneo local y el oxígeno en la sangre con un retraso de 4-7 segundos. Se ha demostrado que el acoplamiento neurovascular es probablemente un transductor de potencia, que integra la dinámica rápida de la actividad neuronal en la entrada vascular de la hemodinámica lenta9. Específicamente, fNIRS se utiliza principalmente para inspeccionar la actividad neurovascular en el lóbulo frontal, especialmente la corteza prefrontal que se encarga de altas funciones cognitivas, tales como funciones ejecutivas10,,11,,12,razonamiento y planificación13,toma de decisiones14,y cognición social y juicio moral15. Sin embargo, las respuestas hemodinámicas medidas por fNIRS sólo capturan indirectamente la actividad neuronal con una resolución temporal baja, mientras que el EEG puede ofrecer medidas temporalmente finas y directas de las actividades neuronales. En consecuencia, la combinación de EEG y fNIRS grabación puede identificar más características y revelar más información asociada con el funcionamiento del cerebro.

Más importante aún, la adquisición multimodal de señales EEG y fNIRS se ha llevado a cabo para inspeccionar la activación cerebral subyacente a varias tareas cognitivas16,17,18,19,20,21,22 o interfaz cerebro-ordenador23,24. En particular, las grabaciones simultáneas de ERP (potencial relacionado con eventos) y fNIRS se llevaron a cabo sobre la base del paradigma de bola impar auditiva relacionado con eventos1, en el que fNIRS puede identificar los cambios hemodinámicos en la corteza frontotemporal varios segundos después de la aparición del componente P300. Horovitz et al. también demostraron las mediciones simultáneas de las señales fNIRS y el componente P300 durante una tarea de procesamiento semántico25. Curiosamente, estudios previos basados en grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS mostraron que P300 durante los estímulos de oddball exhibió una correlación significativa con las señales fNIRS26. Se descubrió que las medidas multimodales tienen el potencial de revelar el mecanismo neuronal cognitivo integral basado en el paradigma relacionado con el evento26. Además de la tarea de bola extraña, la tarea Flanker asociada con el componente ERP N200 es también un paradigma importante, que se puede utilizar para la investigación de la detección y evaluación de la capacidad cognitiva con controles saludables y pacientes con diversos trastornos. Específicamente, N200 fue un componente negativo que alcanza los picos 200-350 ms de la corteza frontal27 y la corteza temporal superior28. Aunque estudios anteriores examinaron la relación entre la corteza frontal superior y la oscilación alfa en la tarea Flanker29, no se ha explorado la correlación entre la amplitud N200 y las respuestas hemodinámicas durante la tarea Flanker.

En este protocolo, se utilizó un parche EEG/fNIRS casero basado en la tapa EEG estándar para las grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS. Los arreglos de optodes/electrodos con soporte se lograron mediante la colocación de optodos fNIRS fusionados en la tapa del EEG. Las adquisiciones simultáneas de datos EEG y fNIRS se llevaron a cabo con las mismas tareas de estímulo generadas por el software E-prime. Suponemos que los componentes ERP asociados con la tarea Flanker pueden mostrar una correlación significativa con las respuestas hemodinámicas en la corteza prefrontal. Mientras tanto, las grabaciones combinadas de ERP y fNIRS pueden extraer múltiples indicadores de señal para identificar los patrones de activación cerebral con mayor precisión. Para probar la hipótesis, la configuración fNIRS y la máquina EEG se integraron para revelar el complejo mecanismo de cognición neuronal correspondiente a la tarea Flanker relacionada con eventos.

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Protocol

Antes de las pruebas experimentales, todos los participantes firmaron documentos de consentimiento informado. El protocolo para el presente estudio fue aprobado por el Comité de ética de la Universidad de Macao.

1. Configuración de hardware y software para grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS

  1. Construya un tapón para grabaciones EEG-fNIRS simultáneas.
    1. Seleccione el tamaño de la tapa adecuado de acuerdo con la circunferencia de la cabeza de los participantes. En este estudio, utilice una tapa de tamaño mediano ya que es adecuada para la mayoría de los participantes adolescentes y adultos.
    2. Diseñar el diseño de los optodos fNIRS junto con la tapa EEG en la corteza prefrontal(Figura 1).
      1. Coloque los electrodos EEG en la sección media de los optodes fNIRS para asegurar la medición de la misma región cerebral mediante las dos técnicas19,,30. Sin embargo, debido a la baja resolución espacial de los métodos de neuroimagen EEG y fNIRS, coloque los electrodos en el área cerebral correspondiente cubierta por optodes fNIRS en lugar de las ubicaciones exactas de los canales fNIRS.
      2. Haga 22 agujeros dentro de la tapa del EEG para mantener los optodos fNIRS en línea con el diseño específico en la corteza prefrontal. Identifique y marque las ubicaciones de los optodios fNIRS de acuerdo con el diseño diseñado de la tapa de la cabeza y luego perforar agujeros dentro de la tapa para colocar y fijar los optodios.
      3. Coloque 21 o 71 electrodos EEG a lo largo de la superficie de la tapa EEG (ver Tabla de Materiales)de acuerdo con el Sistema Internacional 10-20 y monte las rejillas para los optodes.
    3. Establezca la distancia entre cada par de detector de fuente como 3 cm y luego fije los optodes, en los que los optodes azules denotan los detectores de luz, mientras que los rojos representan las fuentes láser.
  2. Establezca los puertos EEG y fNIRS en el software.
  3. Utilice los activadores de tiempo generados a través del puerto paralelo y el puerto serie para garantizar la sincronización de dos señales diferentes.
    1. Establezca el puerto paralelo (por ejemplo, H378 en este estudio) para el sistema EEG (véase Tabla de materiales).
    2. Fije el puerto serie (por ejemplo, 6 9600 en este estudio) para el sistema fNIRS (véase tabla de materiales).
      NOTA: El tipo y el número de puerto deben modificarse con respecto a varias configuraciones de EEG y fNIRS. Póngase en contacto con los fabricantes para obtener más información.

2. Preparación experimental

  1. Caliente el sistema fNIRS con láseres encendidos durante 30 minutos.
  2. Establezca todos los parámetros de operación necesarios para el sistema de medición fNIRS.
  3. Muestre a los participantes la configuración experimental fusionada, incluidos los sistemas de medición EEG y fNIRS.
  4. Mida y marque el punto Cz de acuerdo con el Sistema Internacional 10-20. Identifique la posición del electrodo de Cz a la mitad de la distancia entre la inión y el nasión y la mitad de la distancia entre las hendiduras interaurales izquierda y derecha.
  5. Coloque primero la parte frontal de la tapa a lo largo de la frente del participante y luego tire hacia abajo de la sección posterior de la tapa hacia el cuello.
  6. Valide las posiciones.
    1. Mida la distancia entre el Cz y la inión y el nasion de nuevo con una regla suave, y compruebe si se encuentra en el punto medio. Del mismo modo, mida la distancia entre el Cz y la interaura izquierda y derecha, y compruebe si la Cz se encuentra en el punto medio.
  7. Prepárese para las grabaciones de EEG.
    NOTA: Se recomienda encarecidamente que los electrodos EEG se configuren primero y luego los optodes fNIRS. Si el gel conductor EEG cubre los orificios para la colocación de los optodes fNIRS, debe limpiarse para evitar la contaminación de los optodes.
    1. Llene el gel conductor insertando una aguja contundente a través de los orificios de la rejilla del electrodo EEG.
    2. Coloque todos los electrodos en la rejilla del electrodo EEG de acuerdo con las etiquetas.
    3. Abra el software EEG e inspeccione la calidad de la señal de los electrodos EEG.
    4. Reajuste el electrodo rellenando el gel conductor si la calidad de la señal no es lo suficientemente buena como para cumplir con los requisitos (40 mV).
    5. Reajuste el electrodo rellenando el gel conductor si la impedancia no puede cumplir con los requisitos.
  8. Prepárese para las grabaciones de fNIRS.
    Precaución: No exponga los ojos de los participantes directamente al rayo láser de fuentes fNIRS.
    1. Coloque las fibras ópticas a lo largo de los brazos del soporte unidos al sistema de medición fNIRS, así como al soporte. Asegúrese de que las fibras estén ordenadas y ordenadas.
    2. Inserte las fuentes ópticas y los detectores en los orificios de acuerdo con el diseño.
    3. Pruebe la calidad de la señal. Si un canal no tiene una relación señal-ruido de alto nivel (es decir, si el canal está marcado en amarillo), inspeccione suavemente el cabello del participante que rodea las sondas ópticas para asegurarse de que no existe nada entre la sonda óptica y el cuero cabelludo.
    4. Si el paso 2.8.3 no puede mejorar la calidad de la señal, suba la intensidad de la señal. Si hay demasiada señal (es decir, si el canal está marcado en rojo), baje la intensidad de la señal.

3. Ejecute el experimento

  1. Comience el experimento cuando las señales sean estables con una excelente relación señal-ruido y los participantes estén familiarizados con las instrucciones del experimento. Utilice el paradigma clásico Flanker para la prueba experimental29,31.
  2. Después del experimento, guarde y exporte los datos de EEG y fNIRS.
  3. Retire los electrodos EEG y las sondas ópticas fNIRS con cuidado.

4. Medición de coordenadas MNI tridimensionales (3D) de optodes fNIRS con digitalizador 3D

  1. Deje que los participantes se senten en una silla y use las gafas con el sensor.
  2. Abra el software del digitalizador en el ordenador. Asegúrese de que el sistema de digitalización 3D está en conexión con el equipo a través de un puerto COM adecuado.
  3. Cargue el diseño del archivo de configuración de optodes.
  4. Mueva el lápiz digitalizador 3D a través de las posiciones clave (Nz, Iz, oído izquierdo, oído derecho, Cz) junto con la pantalla y presione el botón en el lápiz.
  5. Localizar las fuentes ópticas y detectores
  6. Exporte los archivos de coordenadas 3D.

5. Análisis de datos

  1. análisis de datos fNIRS
    1. Procesar los datos de coordenadas 3D MNI mediante la opción de registro en NIRS-SPM con MATLAB 2019. Seleccionar: registro espacial independiente ? Con digitalización 3D. Elija los demás archivos de texto de origen y otros guardados anteriormente y, a continuación, seleccione Registro.
    2. Preprocesar señales fNIRS con el software Homer232.
      1. Convierta los datos sin procesar en cambios de densidad óptica para diferentes longitudes de onda y conviértalo en los cambios de concentración de HbO en diferentes puntos de tiempo utilizando una Ley Beer-Lambert modificada. Generalmente, el valor del factor de longitud de trayecto típicamente diferencial (DPF) afectado por la edad, el sexo y la longitud de onda, y la distancia entre la fuente y el decetor33,34 es 6, que es similar al DPF promedio de estudios anteriores34,35.
      2. Utilice el algoritmo de detección de artefactos de movimiento de spline del paquete de procesamiento Homer2 fNIRS para la corrección de movimiento. Seleccione los métodos de corrección de movimiento apropiados en función de la literatura36.
      3. Procesar los datos continuos de la hemoglobina cruda mediante un filtro de paso bajo de 0,2 Hz y, posteriormente, un filtro de paso alto de 0,015 Hz.
      4. Normalice la amplitud de la señal hemodinámica dividiendo los valores promediados.
      5. Genere los datos fNIRS para cada canal en función de la información del digitalizador 3D. Seleccione los canales que tienen una probabilidad de registro del 100% o más en la corteza frontal superior (SFC) de acuerdo con el cálculo de regresión del NIRS-SPM para su posterior análisis.
      6. Exporte los valores máximos de los cambios de concentración de hemoglobina de oxígeno (HbO).
        NOTA: En este estudio, solo se analizaron las señales HbO debido a su alta relación señal-ruido. Los valores máximos de los datos de HbO promediados por ejecución se extrajeron para cada canal de cada participante para su posterior análisis.
  2. Procesamiento de datos EEG
    NOTA: El análisis de datos EEG sin conexión se realizó con el EEGLAB. Sólo N200 en Fz fue el componente interesante para el presente estudio. Todos los electrodos fueron sometidos a una corrección automática de artefactos para eliminar los movimientos oculares mediante el uso de un modelo interno de topografías de artefactos. Los datos continuos del EEG se segmentaron en diferentes ensayos según estímulos objetivo y no objetivo, en los que la época de cada ensayo duró 2500 ms, que implicaba un período de pre-estímulo de 500 ms (época de línea de base) y un período post-estímulo de 2000 ms (época de la tarea).
    1. Cargue la carpeta de datos EEG sin procesar en el EEGLAB utilizando los plugins. Elija el complemento BIOSIG para el archivo BDF en este estudio.
      NOTA: Por favor, elija un plugin adecuado de acuerdo con el formato de archivo de datos EEG.
    2. Establezca la información de ubicación del canal para EEGLAB37. Cargue el archivo de ubicación correspondiente de la tapa.
    3. Re-referencia de electrodos en el ERPLAB, que es un plugin de EEGLAB. Elija los canales colocados en los mastoideos como electrodos de referencia.
    4. Extraiga las épocas de datos EEG en función de los archivos de eventos y bin del ERPLAB37.
    5. Filtre los segmentos de datos EEG en el ERPLAB mediante el filtro FIR filtrando las frecuencias bajas con un límite de 30 Hz y filtrando las frecuencias altas con un límite de 0,1 Hz.
    6. Elimine los artefactos oculares de EEG con el Análisis de componentes independientes en EEGLAB.
    7. Rechazar los segmentos de datos EEG con valores de amplitud superiores a 100 V en cualquier canal de ERPLAB.
    8. Promedio de los segmentos de datos EEG en ERPLAB.
      NOTA: Estos son el método de análisis de datos generalmente utilizado y el software para el procesamiento de EEG y los datos fNIRS. Hay numerosos software de procesamiento y métodos disponibles.
  3. Cálculo de correlación
    1. Genere la relación entre las grabaciones fNIRS y EEG utilizando el análisis de correlación de Pearson.
  4. i>

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Representative Results

La Figura 2 muestra las señales HbO para todos los canales, mientras que la Figura 3 muestra los ERPs en Fz y FCz para las dos condiciones de la tarea Flanker. Figure 4 ilustró los resultados del análisis de correlación de Pearson mostraron que las señales fNIRS en SFC mostraron una correlación significativa con el componente ERP N200 en Fz para la condición incongruente(P<0.05). Sin embargo, este no es el caso de las condiciones congruentes(P>0.05).

Figure 1
Figura 1. Colocación de auriculares fNIRS y configuración de canal. El diseño de los optodos digitalizados se convierten en el sistema de coordenadas MNI y luego se superponen a lo largo de la corteza cerebral Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Señales HbO para todos los canales asociados con la tarea Flanker. Las curvas rosas denotan la condición incongruente, mientras que las verdes indican la condición congruente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Señales ERP para electrodos Fz y FCz. Las curvas negras definen la condición incongruente, mientras que las rojas denotan la condición congruente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Correlación entre las señales ERP N200 y HbO a lo largo de la corteza frontal superior (SFC) para la condición incongruente. El coeficiente de regresión entre las dos mediciones es 0.59, p - 0.027. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.

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Discussion

En este protocolo, se realizaron grabaciones combinadas de EEG y fNIRS para examinar los patrones de activación cerebral que implican un paradigma Flanker relacionado con eventos mediante el registro de las señales neuronales de todo el cerebro y las respuestas hemodinámicas simultáneas de la corteza prefrontal. Los resultados de ERP mostraron que N200 en Fz fue capaz de distinguir significativamente las condiciones congruentes e incongruentes (P-0.037). Mientras tanto, las señales de HbO en SFC (canales 21) también mostraron una diferencia significativa entre las condiciones congruentes e incongruentes, lo que demostró el importante papel de la capacidad de suprimir las respuestas que implicaban la función cognitiva cerebral asociada con la tarea Flanker (PFDR a 0,041).

Además, N200 en Fz mostró una correlación significativa con la respuesta hemodinámica en el SFC (canal 21) para la condición incongruente, aunque este no fue el caso para el congruente. La activación cerebral en la corteza prefrontal está fuertemente correlacionada con altas funciones cognitivas, que pueden ser fácilmente identificadas por fNIRS con la alta relación señal-ruido en el dominio espacial. Sin embargo, la actividad neuronal (N200) detectada por EEG asociada con la misma tarea Flanker se revela principalmente en la corteza parietal con alta sensibilidad y alta resolución temporal. N200 en Fz exhibió la diferencia cognitiva entre las dos condiciones, mientras que las señales fNIRS ilustraron la diferencia de la función de supresión en la región prefrontal entre las dos condiciones. Se descubrió que la cognición mostró una relación significativa con el control ejecutivo durante la tarea Flanker. Esta podría ser la razón principal por la que el N200 en Fz exhibió una correlación significativa con la respuesta hemodinámica en SFC.

En este protocolo, describimos cómo llevar a cabo grabaciones fusionadas de EEG y fNIRS y cómo analizar el potencial relacionado con el evento y medir los cambios de concentración de hemoglobina en la corteza prefrontal. La sincronización de diferentes configuraciones es una preocupación esencial para la fusión de dos sistemas de hardware. Mientras tanto, el desencadenador relacionado con eventos es también la marca crucial para el diseño de tareas de grabaciones Simultáneas de EEG y fNIRS.

Las grabaciones combinadas de EEG y fNIRS son técnicas prometedoras para la investigación de los mecanismos neuronales subyacentes a diversas tareas cognitivas. En resumen, hemos adquirido con éxito datos simultáneos de EEG y fNIRS durante una tarea Flanker. Los hallazgos indicaron que la respuesta hemodinámica fNIRS y el componente ERP N200 estaban significativamente correlacionados, lo que mostró diferentes perspectivas del mecanismo cognitivo asociado con la tarea Flanker. Los resultados de neuroimagen multimodales apoyan un papel esencial de la técnica combinada de EEG y fNIRS en la contribución a la cognición cerebral con diferentes latencias y regiones de activación, lo que allana una nueva vía para mejorar la comprensión de los mecanismos neuronales de la tarea Flanker.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo se llevó a cabo en parte en el clúster de computación de alto rendimiento (HPCC), que cuenta con el apoyo de la oficina de tecnología de la información y la comunicación (ICTO) de la Universidad de Macao. Este estudio fue apoyado por las becas MYRG2019-00082-FHS y MYRG 2018-00081-FHS de la Universidad de Macao en Macao, y también financiado por el Fondo de Desarrollo de Ciencia y Tecnología, Macao SAR (FDCT 0011/2018/A1 y 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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Neurociencia Número 159 Electroencefalografía (EEG) Espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) Fusión Tarea flanker Activación cerebral
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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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