Summary
Описан анализ непрерывно-волнового функционального эксперимента по ближней инфракрасной спектроскопии с использованием блочной конструкции с сенсомоторной задачей. Для повышения достоверности анализа данных мы использовали качественное общее линейное статистическое параметрическое отображение на основе модели и сравнительные иерархические смешанные модели для многоканальных каналов.
Abstract
Исследования нейровизуализации играют ключевую роль в оценке пред- и постинтервентивных неврологических состояний, таких как реабилитация и хирургическое лечение. Среди многих технологий нейровизуализации, используемых для измерения активности мозга, функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) позволяет оценивать динамическую активность коры путем измерения локальных уровней гемоглобина, аналогичных функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Кроме того, из-за меньшего физического ограничения в fNIRS, можно оценить несколько вариантов сенсомоторных задач. Многие лаборатории разработали несколько методов анализа данных фНИРС; однако, несмотря на то, что общие принципы одинаковы, универсально стандартизированного метода не существует. Здесь представлены качественные и сравнительные аналитические методы данных, полученных из многоканального эксперимента fNIRS с использованием блочного проектирования. Для качественного анализа мы использовали программное обеспечение для NIRS в качестве массово-одномерной модели, основанной на обобщенной линейной модели. Анализ NIRS-SPM показывает качественные результаты для каждого сеанса, визуализируя активированную область во время выполнения задачи. Кроме того, неинвазивный трехмерный дигитайзер может быть использован для оценки местоположения канала fNIRS относительно мозга. Чтобы подтвердить результаты NIRS-SPM, амплитуда изменений уровней гемоглобина, индуцированных сенсомоторной задачей, может быть статистически проанализирована путем сравнения данных, полученных из двух разных сеансов (до и после вмешательства) одного и того же субъекта исследования с использованием многоканальной иерархической смешанной модели. Наши методы могут быть использованы для измерения анализа до и после вмешательства при различных неврологических расстройствах, таких как двигательные расстройства, цереброваскулярные заболевания и нервно-психические расстройства.
Introduction
Нейрореабилитация играет важную роль в функциональном восстановлении после сенсомоторных нарушений. Для уточнения механизмов функционального восстановления, связанного с нейропластичностью, были использованы различные технологии нейровизуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (фНИРС). Различные методы визуализации имеют разные преимущества и недостатки. Хотя фМРТ является наиболее типичным устройством, на него воздействуют магнитные поля, имеет высокую стоимость, высокую физическую ограниченность и ограничены сенсомоторные задачи1,2,3,4. Устройство fNIRS выделяется как неинвазивная оптическая нейровизуализация и имеет относительно более низкое пространственное разрешение, но оно имеет лучшее временное разрешение, чем фМРТ4. fNIRS подходит для проверки эффектов лечения, поскольку он сравнивает эффекты до и после вмешательства, имеет динамические двигательные задачи, является портативным и функционирует больше в естественных условиях, чем фМРТ1,2,4. Сообщается, что NIRS более подходит в областях цереброваскулярных заболеваний, эпилептических расстройств, тяжелой черепно-мозговой травмы, болезни Паркинсона и когнитивныхнарушений 1,5. Что касается сенсомоторных задач, то он широко используется в походке и стоячемравновесии6,7,8,функции верхних конечностей (хватание рукой, постукивание пальцем)8,9,комплексная тренировка двигательных навыков10,11,робототехника12,13,14,15и мозг-компьютерный интерфейс16,17,18. fNIRS основан на принципах оптической нейровизуализации и нейрососудистой связи, которые измеряют кортикальные метаболические активности, увеличение кровотока и, следовательно, кортикальной активности в качестве вторичных сигналов19. Сообщалось, что сигналы fNIRS имеют сильную корреляцию с сигналами крови, зависящей от уровня кислорода fMRI20. Непрерывноволновый fNIRS использует модифицированный закон Бира-Ламберта для определения изменений уровней концентрации кислородированного гемоглобина (HbO2)и дезоксигенированного гемоглобина (HHb) кортикальной концентрации на основе измеренных изменений широкополосного затухания света в ближнем инфракрасном диапазоне21,22. Поскольку было невозможно измерить дифференциальный коэффициент длины пути (DPF) с помощью непрерывно-волновой системы NIRS, мы предположили, что DPF является постоянным и что изменения сигнала гемоглобина обозначаются в произвольных единицах миллимол-миллиметр(мМ хмм)2,18.
Эксперименты fNIRS должны выбрать наиболее адекватные методы, включая настройки зонда, проекты экспериментов и методы анализа. Что касается настройки зонда, международный метод 10-20, используемый в измерении ЭЭГ, является стандартом установки, используемым многими исследователями в нейровизуализации. В последние годы используются координатные установки на основе стандартных координат мозга на основе координат Монреальского неврологического института (MNI). В эксперименте используется блочный дизайн, обычно используемый для сенсомоторных задач, и дизайн, связанный с событиями. Это метод сравнения изменений концентрации гемоглобина в состоянии покоя и во время выполнения заданий; Уровни концентрации HbO2 увеличиваются, а уровни концентрации HHb уменьшаются с изменениями мозгового кровотока, связанными с целевой кортикальной активностью. Хотя существуют различные методы анализа, бесплатное программное обеспечение NIRS-SPM позволяет проводить анализ, аналогичный статистическому параметрическому отображению (SPM) фМРТ. При обработке данных NIRS используется массово-одномерный подход, основанный на общей линейной модели (GLM). При выполнении анализа активности мозга, зависящего от задачи, на измерения fNIRS могут влиять вызванная или невызыковая нейронная активность и системные физиологические вмешательства (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания и активность вегетативной нервной системы) в мозговом и внемозговом отделе23. Поэтому предварительная обработка анализа, фильтрация, вейвлет-преобразование и анализ главных компонентовполезны23. Что касается фильтрации и артефактов обработки данных с использованием NIRS-SPM, то для преодоления движения или других источников шума/артефакта использовались низкополосная фильтрация9 и длина минимального описания вейвлета (Wavelet-MDL)24. Для получения подробной информации об этом аналитическом методе обратитесь к отчету Ye et al.25. Хотя существуют отчеты, использующие только SPM, это только качественный индекс анализа изображений, и из-за низкого пространственного разрешения NIRS требуется крайняя осторожность для группового анализа. Более того, когда DPF полен, числовые сравнения между каналами и отдельными лицами не должны выполняться, но разница в изменениях в каждом канале может быть проверена. Исходя из вышеуказанных условий, для дополнения результатов группового анализа NIRS-SPM мы использовали оригинальный метод анализа для многоканального анализа после повышения точности пространственной регистрации. Этот многоканальный анализ сравнивал амплитуду изменения уровней HbO2 и HHb между периодами покоя и выполнения задачи на каждом канале до и сразу после лечения с использованием иерархических смешанных моделей с фиксированными вмешательствами (до или после), фиксированными периодами (отдых или на задаче) и случайными индивидуальными эффектами.
Таким образом, существует несколько методов измерения и анализа fNIRS; однако никакого стандартного метода не установлено. В данной работе мы представляем наши методы, качественное статистическое параметрическое отображение на основе GLM и сравнительную многоуровневую иерархическую смешанную модель, для анализа данных, полученных из многоканального эксперимента fNIRS до и после вмешательства с использованием блочной конструкции с сенсомоторными задачами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Это исследование было одобрено институциональным наблюдательным советом (IRB) Университета Фукуока, Япония (IRB No 2017M017). Перед участием все пациенты предоставили письменное информированное согласие.
1. Подготовка эксперимента fNIRS
ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого эксперимента была использована многоканальная система NIRS на основе непрерывно-волнового лазера. Длины волн ближнего инфракрасного света составляли 780 нм, 805 нм и 830 нм, а частота дискретизации была установлена на уровне 7,8 Гц. Время и пространственное разрешение (расстояния между излучателем света и детекторным зондом) составляли 0,13 с и 3,0 см соответственно.
- Установите прибор fNIRS в темное бесшумное место. Проводите эксперименты при комнатной температуре. Запустите прибор fNIRS за 30 минут до начала эксперимента.
ПРИМЕЧАНИЕ: Системы fNIRS используются в контролируемых температурно-влажностных условиях для обеспечения стабильной работы оборудования26. - Используйте целые головные колпачки для записи fNIRS и прикрепите головной колпачок к голове субъекта таким образом, чтобы положение, соответствующее центральному (Cz) международной системы 10-20, располагалось у держателя No 245 головного колпачка. (Рисунок 1).
- Прикрепите маркировку к контрольным точкам местоположения: наз (Nz), правый внешний слуховой меатус (AR) и левый внешний слуховой меатус (AL).
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку трехмерные (3D) координаты считываются вокруг позиций маркировки Nz, AR, AL и держателя Cz, необходимо прикрепить маркировку перед фотографом. - После калибровки цифровой камеры высокого разрешения для пространственной регистрации сделайте снимки головы субъекта с местоположением зонда, показывая контрольные точки (Cz, Nz, AR и LR) с 15 точек зрения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пожалуйста, сделайте снимок перед установкой зонда. Если снимок сделан после размещения зонда, маркерный ориентир может быть скрыт зондом и шнуром проводки. В соответствии с рекомендациями производителя, сделав 12 снимков по диагонали 30° вперед справа от объекта, сделайте три или более снимков чуть выше, чтобы на снимке появился Cz (держатель No 245). Это связано с тем, что его легко сделать трехмерным при захвате в общей сложности 15 или более снимков. - Тщательно отделите волосы субъекта, которые мешают оптоду, используя светодиодный (LED) пластиковый стержень для прикрепления зонда. Расположите зонд так, чтобы оптоды крепились на минимальном расстоянии от поверхности кожи головы и соприкасались с кожей головы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Тщательно проверьте, есть ли какое-либо давление или дискомфорт для пациента из-за прикрепления оптодов, из-за увеличения силы системных путаниц, связанных с активацией вегетативной нервной системы23. - Расположите 48-канальную систему с 32 оптоодами (16 источников света и 16 детекторов; массив 4 x 4 для каждого полушария) на головной колпачок двусторонне над лобной и теменной областями в качестве областей, представляющих интерес(рисунок 2).
- Запустите и используйте программное обеспечение 3D-дигитайзера для определения пространственной регистрации.
- После сканирования данных изображения всей головы определите пространственную координату каждого пациента путем автоматического измерения и сохраните в виде файла Origin и Others (*CSV-файл).
ПРИМЕЧАНИЕ: Если координатные точки не могут быть обнаружены на изображениях с помощью автоматического измерения, введите корректировку вручную.
2. Запустите эксперимент
- Выберите конструкцию блока для эксперимента, и задачей может быть любое движение, интересующее исследование, такое как открытие/закрытие руки, постукивание пальцем и т.д. В нашем предыдущем исследовании задачей было роботизированное движение локтей15.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый цикл состоит из трех блоков (15 с отдыха - 15 с задачи - 15 с покоя), и каждый пациент завершает семь циклов в каждом сеансе. - Заставьте участника подождать в удобном положении до стартового сигнала. Попросите испытуемого закрыть глаза во время отдыха и выполнения задания.
- Дайте начальные и стоп-сигналы (например, «Повторить сгибание и разгибание локтя», «Остановиться и расслабиться»).
ПРИМЕЧАНИЕ: Не говорите во время измерений. Тщательно проверяйте наличие артефактов на экране монитора во время измерений. - Выполните задачу проектирования блока в той же позе. Вертикальное положение со стоячим или сидячим положением желательно, чтобы не искажать гарнитуру.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если пациент чувствует себя некомфортно после ношения держателя головы в течение длительного периода времени, снимите или ослабьте зонд во время роботизированных упражнений. - После завершения измерения NIRS снимите держатель головы и наклейку с маркировкой, чтобы завершить эксперимент.
ПРИМЕЧАНИЕ: Тщательно проверьте наличие повреждений кожи головы из-за длительного ношения.
3. Качественный GLM-анализ с использованием программного обеспечения NIRS-SPM
- Запустите NIRS-SPM в программном обеспечении MATLAB. Преобразуйте файл данных, связанный с изменением концентрации HbO2 и HHb, полученный от устройства NIRS, в формат файла для анализа NIRS-SPM.
- Выберите опцию Использовать систему NIRS во всплывающем меню. Нажмите кнопку загрузки и выберите параметры изменения концентрации HbO2 и HHb.
- Определение пространственной регистрации местоположения канала NIRS. Установите флажок Автономный, а затем установите флажок С 3D-дигитайзером.
- В окне От реальных координат к пространству MNI используйте диалоговое окно, чтобы выбрать _origin. CSV, относящийся к файлу координат контрольной точки, и _others. CSV, относящийся к файлу координатных зондов/каналов.
- Нажмите кнопку Регистрация. Выберите точки, чтобы перейти к пространственной оценке, и нажмите кнопку OK. Нажмите на кнопку Project MNI coordinate to Rendered Brain.
ПРИМЕЧАНИЕ: Пространственное положение местоположения каналов NIRS оценивается на основе шаблона мозга Монреальского неврологического института (MNI). - Выберите опцию «Дорсальный вид» и нажмите кнопку «Сохранить».
- В разделе Укажите1-й уровень выберите имя файла данных NIRS и каталог SPM. Установите флажок гемоглобин; HbO2 или HHb. Выделите параметр Указать дизайн и выберите параметр Sec. Выделите параметры Количество условий/Пробных испытаний и введите число 7.
- Выделите параметры Вектор начала и Длительности и введите вектор начала, умноженный на продолжительность экспериментальных условий, следующим образом.
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом случае вектор времени начала должен быть указан как [15:45:285] или [15 60 105 150 195 240 285]. Вектор длительности должен быть указан как [15* единиц(7,1)] или [15 15 15 15 15 15 15]. - Для детрендинга нажмите кнопку Wavelet-MDL. Используйте метод предварительного окрасления: фильтр нижних частот и нажмите кнопку hrf, и исправьте последовательную корреляцию, затем нажмите кнопку none.
- При оценке временных корреляций проверьте Индивидуальный анализ.
ПРИМЕЧАНИЕ: Сохранение пространственной локализации позиций каналов fNIRS в отдельных системах координат MNI в виде текстового файла. Аналогично сохраните карту на основе отдельной области Бродмана (BA) в виде текстового файла. - При оценке временных корреляций проверьте групповой анализ. NIRS-SPM выровнял средние оптодные позиции числа участников в соответствии со стандартизированной системой координат мозга MNI.
- Рассчитать карту активации на основе изменений уровня гемоглобина для стандартизированного мозга. Уровни HbO2 и HHb считались значимыми при нескорректированном пороге p < 0,01.
ПРИМЕЧАНИЕ: Информация влево/вправо была перевернута в правую сторону для группового анализа.
4. Многоканальный сравнительный анализ на основе иерархической смешанной модели
- Запустите программное обеспечение SAS. Преобразование текстового документа (. TXT) изменений концентрации HbO2 и HHb в файле данных NIRS, обработанном фильтром нижних частот (частота среза была установлена на уровне 0,1 Гц) в электронной таблице программного обеспечения, разделенном запятыми, файлом значений (. CSV).
- Создайте импорт данных SAS (.sas7bdat) с помощью программы.
- Выдайте файл импорта с помощью следующей команды, libname out "Import file"
- Вывести файл до и после вмешательства для каждого субъекта, выполните следующие команды в SAS анализа. (Рисунок 3) Во время создания файла импорта присвойте имя, которое может идентифицировать информацию о предмете и до или после вмешательства (например, id1 pre, id1 post...)
- Выполнение команды данных до и после вмешательства для каждого канала (ch1-48; HbO2 и HHb) следующим образом(рисунок 4).
- На основе данных, полученных из выходных результатов, введите в файл книги электронной таблицы (.xlsx) значения до и после вмешательства (разница в выполнении задачи и в режиме покоя), значения в режиме покоя и по задаче (расчетные значения, верхние пределы и нижние пределы) каждого канала.
- Аналогично введите числитель и знаменатель степеней свободы, значение F и значение P взаимодействуемого элемента теста типа 3 с фиксированным эффектом в файл книги электронной таблицы (.xlsx).
- Чтобы контролировать скорость ложного обнаружения (FDR) в многоканальном тестировании, используйте методы Бенджамина и Хохберга27 и контролируйте FDR при p-значении < 0,01.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Здесь мы представляем роботизированную реабилитацию, над которой в настоящее время работает наша группа: влияние биологической обратной связи на двигательный дефицит верхних конечностей у пациентов с острым инсультом. Мы включили 10 пациентов с инсультом (средний возраст: 66,8 ± 12,0 лет; две женщины и восемь мужчин), которые были госпитализированы в нашу больницу. На подострой стадии инсульта, более чем через 2 недели после начала, мы оценили моторную корковую активность этих пациентов, используя систему fNIRS до и сразу после роботизированной реабилитации верхних конечностей в тот же день. Что касается задач проектирования блоков, они выполняли движения сгибания / разгибания локтя 15 раз в течение 15 с в каждом цикле задачи и повторяли семь циклов задач. Кроме того, шесть здоровых добровольцев (средний возраст: 58,7 ± 7,1 года; две женщины и четыре мужчины) также были включены в качестве контрольных групп для определения местоположения нормальной кортикальной активации, связанной с задачей, во время сгибания правого локтя / разгибательных движений.
На рисунке 5 показаны результаты группового анализа 10 пациентов с инсультом по значениямt-статистического отображения с использованием моделей GLM с программным обеспечением NIRS-SPM. Этот метод показал повышение кортикальной активности первичной моторной коры в измеряемом полушарии сразу после роботизированной реабилитации по сравнению с таковой до тренировки. Сбор данных до вмешательства, вмешательство (роботизированное упражнение) и сбор данных после вмешательства проводились на одном экспериментальном сеансе в один и тот же день и в одном и том же месте.
На рисунке 6 показаны результаты многоканального группового анализа, сравнивающего до и после вмешательства (роботизированные упражнения). Выполнен статистический анализ многоуровневой иерархической смешанной модели с программным обеспечением SAS. Повышенная кортикальная активность в первичной моторной коре наблюдалась после вмешательства, в той же области мозга, что и при NIRS-SPM.
Рисунок 1:Настройка трехмерной (3D) пространственной регистрации и каждый держатель головного уголовка, используемого для записи fNIRS. Держатель No 245, обозначенный стрелкой на рисунке, показывает центральное положение (Cz), которое является одной из осей координат. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2:Расположение 48-канальной системы с 32 оптодами во время записи fNIRS. (A)Расположение зондов на головном держателе,(B)расположение 48 каналов и зондов (16 источников света и 16 детекторов; 4 x 4 массива для каждого полушария) к головному уголовку двусторонне над кортикальными областями, как областями интереса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3:Ввод команд для создания файлов, используемых в программном обеспечении для анализа SAS. На рисунке показано, как определить термины и числовые значения на экране ввода команд, который преобразует информацию о текстовом файле, полученную из файла NIRS, в CSV-файл Excel, а затем преобразует ее для анализа SAS. Идентификатор, возраст, пол, ипсилесная сторона, до и после вмешательства, общее время и периоды выполнения задач были введены численно. Кроме того, была также введена информация о HbO2,HHb и уровне общей концентрации гемоглобина (мМ х мм). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4:Ввод команды, используемый для анализа каждого канала в программном обеспечении для анализа SAS. В этой многоуровневой иерархической смешанной модели были установлены и введены следующие числовые значения на экране ввода команд SAS. Сравнивались состояние в состоянии покоя (задача = 0) и в задаче (задача = 1), а состояние при восстановлении (задача = 2) исключалось. Кроме того, статус до вмешательства был установлен на n = 0, а статус сразу после вмешательства был установлен на n = 1, и взаимодействие исследовали на статистически значимые различия в величине изменения HbO2 и HHb для каждого канала. На рисунке опущена информация экрана ввода до ch2 или ch47. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5:Результаты группового анализа по t-статистическому отображению значений с использованием моделей GLM с программным обеспечением NRS-SPM. Средняя кортикальная активность у всех пациентов изображена на приведенном выше виде стандартизированных моделей мозга. Верхний и нижний представляют собой кортикальные активации на уровне HbO2 и HHb соответственно. Правильное изображение указывает на корковую активность здоровых испытуемых во время выполнения заданий. Сравнивая роботизированную реабилитацию раньше, кортикальная активность была увеличена сразу после роботизированного обучения в тот же день. По сравнению с другими областями коры, каждый исполнительский статус был значительно повышен (неисправленный, p < 0,01). Пунктирные линии указывают на центральную борозду (CS) на нормализованных изображениях мозга. Эта цифра была изменена по сравнению с Saita et al.15. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6:Результат многоканального анализа с использованием многоуровневых иерархических смешанных моделей с программным обеспечением SAS. Кортикальная активность изменений представляет собой сравнение между до и после вмешательства с использованием роботизированных реабилитационных процедур. Для левого изображения номера каналов NIRS были наложены на стандартизированный мозг в соответствии с системой координат MNI. Для правильного изображения красный и синий обозначают повышение и понижение уровня HbO2 соответственно (FDR corrected, p < 0,01). Грей указывает, что каналы существенно не изменились после роботизированной реабилитации. Эта цифра была изменена по сравнению с Saita et al.15. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В наших групповых аналитических методах для fNIRS, в дополнение к выполнению аналитического метода визуализации с помощью качественных t-статистических отображений, мы сравнили до и после вмешательства (роботизированное упражнение) с использованием сравнительного многоканального анализа. Для качественного анализа мы использовали программное обеспечение NIRS-SPM в качестве массово-одномериантного подхода, основанного на обобщенной линейной модели. Анализ NIRS-SPM показывает качественные результаты каждого сеанса, визуализируя активированную область во время выполнения задачи. Кроме того, информация неинвазивного 3D-дигитайзера позволяет оценить расположение каналов fNIRS относительно мозга. Групповой анализ с использованием анализа NIRS-SPM смог охватить грубые области активации мозга до и после вмешательства во время сенсомоторных задач, но не смог сравнить разницу в изменениях в одних и тех же каналах. Чтобы подтвердить выводы NIRS-SPM, амплитуда изменений уровней гемоглобина, индуцированных сенсомоторной задачей, может быть статистически проанализирована путем сравнения данных, полученных из двух разных сеансов (т.е. до и после вмешательства) у одного и того же субъекта исследования с использованием многоканальной иерархической смешанной модели. Используя эти два метода, результаты взаимно дополняют друг друга и были показаны более четко.
Для получения точной активности мозга, связанной с задачей, очень важны данные NIRS, проектирование задач, размещение зонда, предварительная обработка анализа, методы анализа и настройки окружающей среды23,26. Что касается конструкции блока с использованием сенсомоторных задач в наших репрезентативных исследованиях, мы установили задачу и время отдыха в 15 и 30 с соответственно15. Сообщалось, что пик активности и восстановление по времени отдыха зависят от конструкции задачи. В предыдущих исследованиях сообщалось, что постановка задачи часто составляет 10-30 с для задач, связанных с движением рук (постукивание пальцем, хватание задачи) и 30 с для задач, связанных с контролем осанки и ходьбой7,8,28. Для периодов выполнения задачи требуется около 5-10 с, чтобы достичь пика после начала активации задачи8,29,а периоды восстановления благоприятны со случайным изменением от 15 до 18 с, чтобы избежать эффектов ожидания и28,30волны Майера. В этом отношении протокол задачи нашего исследования считается подходящим и выполнимым, поскольку он следует блочной конструкции с локтевым движением. Тем не менее, периоды выполнения задач могут быть более длительными в зависимости от сложности задачи, например, для задач ходьбы и сложных когнитивных задач. Что касается расположения зондов, то fNIRS имеет более низкое пространственное разрешение, поэтому перегруппировка до и после вмешательства является серьезной проблемой. В нашем репрезентативном исследовании этот недостаток был компенсирован нашей конструкцией, не требующей перемещения зонда для подтверждения немедленного эффекта роботизированного лечения в тот же день. Если требуется перемещение, важно проверить расстояние между маркировкой и держателем, используя предварительно захваченное изображение, чтобы убедиться, что оно не выходит за собой по сравнению с предварительным вмешательством. Однако в нашей конструкции оказалось недостаточно подтвердить влияние системных физиологических помех типа вегетативной нервной системы на использование головного держателя путем непрерывного измерения в течение длительного времени. Поэтому в будущем необходимо использовать мониторинг fNIRS в функциональных парадигмах и мультимодальный мониторинг23. Что касается области, интересуя для измерения NIRS, многие исследования NIRS по когнитивной обработке были сосредоточены на измерении активности префронтальной коры (PFC), учитывая, что PFC является ключевой областью в исполнительной функции и когнитивном контроле движения31,32. Для сенсомоторных задач важно измерить теменной области, чтобы оценить сенсорную активность. Измерение теменной области, однако, подвержено таким препятствиям, как волосы и густая кожа головы; таким образом, необходимо тщательно настроить измерение. Одним из ограничений этого экспериментального метода fNIRS является то, что из-за структуры держателя головы мы использовали общий метод измерения с оптодным расстоянием 3 см. Однако, используя короткие каналы разделения для калибровки поверхностных сигналов или шумов, существует возможность измерения точной активности мозга33.
Что касается методов группового анализа NIRS, то в качестве обязательного условия лучше всего тщательно анализировать персональные данные результатов измерений NIRS аналогично ЭЭГ. Оптимальной подопечные23может быть сочетание одноуровневого и группового анализа. Хотя стандартизированный мозг используется для группового анализа данных NIRS, ограничения в отношении более низкого пространственного разрешения обсуждались4. В этом исследовании был разработан метод пространственной регистрации, и удалось обнаружить более точные координаты, что потенциально привело к лучшим результатам. Во-вторых, настоящее исследование имеет ограничения в возможностях описанной здесь системы NIRS. Числовые значения, используемые в анализе, являются относительными значениями с использованием непрерывно-волнового NIRS, и такое устройство, как Time Domain (TD)-NIRS, должно использоваться для оценки с использованием абсолютных значений34,35. Однако TD-NIRS стоит дорого и имеет недостаток в том, что он не подходит для такого многоканального анализа. Поскольку CW-NIRS так широко используется, нам нужен относительно точный метод оценки, который может быть реализован, чтобы компенсировать этот недостаток. В качестве предварительного анализа наш анализ каналов также должен будет рассмотреть способы использования дополнительного анализа главных компонентов для устранения этих путаниц.
В дальнейшем мы сообщим о результатах изменения до и после операции глубокой стимуляции мозга при болезни Паркинсона9,цереброваскулярных расстройствах со спастичностью12и когнитивных нарушениях36 с использованием применения ближней инфракрасной спектроскопии. Наши методы могут быть применены к различным неврологическим расстройствам, таким как двигательные расстройства, цереброваскулярные заболевания и нервно-психические расстройства.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
У авторов нет конфликта интересов, относящегося к этому исследованию.
Acknowledgments
Эта работа была частично поддержана Грантом Японского общества содействия развитию науки (JSPS) на научные исследования (C) 18K08956 и фондом Центрального научно-исследовательского института Университета Фукуока (No 201045).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D-digitizer software | TOPCON | - | NS-1000 software ver.1.50 |
| NIRS system | Shimadzu | - | FOIRE-3000 |
| Robot | CYBERDYNE | - | Single-joint type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ) |
References
- Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Pugnetti, L., Baselli, G., Baglio, F. A systematic review of cerebral functional near-infrared spectroscopy in chronic neurological diseases-actual applications and future perspectives. Diagnostics (Basel). 10 (8), (2020).
- Mihara, M., Miyai, I. Review of functional near-infrared spectroscopy in neurorehabilitation. Neurophotonics. 3 (3), 031414 (2016).
- Yang, M., Yang, Z., Yuan, T., Feng, W., Wang, P. A systemic review of functional near-infrared spectroscopy for stroke: Current application and future directions. Frontiers in Neurology. 10, 58 (2019).
- Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. 1464 (1), 5-29 (2020).
- Obrig, H. NIRS in clinical neurology - a 'promising' tool. Neuroimage. 85, Pt 1 535-546 (2014).
- Fujimoto, H., et al. Cortical changes underlying balance recovery in patients with hemiplegic stroke. Neuroimage. 85, Pt 1 547-554 (2014).
- Herold, F., et al. Functional near-infrared spectroscopy in movement science: a systematic review on cortical activity in postural and walking tasks. Neurophotonics. 4 (4), 041403 (2017).
- Leff, D. R., et al. Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies. Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).
- Morishita, T., et al. Changes in motor-related cortical activity following deep brain stimulation for parkinson's Disease detected by functional near infrared spectroscopy: A pilot study. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 629 (2016).
- Lee, S. H., Jin, S. H., An, J. The difference in cortical activation pattern for complex motor skills: A functional near- infrared spectroscopy study. Science Reports. 9 (1), 14066 (2019).
- Hatakenaka, M., Miyai, I., Mihara, M., Sakoda, S., Kubota, K. Frontal regions involved in learning of motor skill--A functional NIRS study. Neuroimage. 34 (1), 109-116 (2007).
- Saita, K., et al. Combined therapy using botulinum toxin A and single-joint hybrid assistive limb for upper-limb disability due to spastic hemiplegia. Journal of the Neurological Sciences. 373, 182-187 (2017).
- Chang, P. H., et al. The cortical activation pattern by a rehabilitation robotic hand: a functional NIRS study. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 49 (2014).
- Bae, S. J., Jang, S. H., Seo, J. P., Chang, P. H. The optimal speed for cortical activation of passive wrist movements performed by a rehabilitation robot: A functional NIRS study. Frontiers in Human Neuroscience. 11, 194 (2017).
- Saita, K., et al. Biofeedback effect of hybrid assistive limb in stroke rehabilitation: A proof of concept study using functional near infrared spectroscopy. PLoS One. 13 (1), 0191361 (2018).
- Mihara, M., et al. Near-infrared spectroscopy-mediated neurofeedback enhances efficacy of motor imagery-based training in poststroke victims: a pilot study. Stroke. 44 (4), 1091-1098 (2013).
- Naseer, N., Hong, K. S. fNIRS-based brain-computer interfaces: a review. Frontiers in Human Neuroscience. 9, 3 (2015).
- Mihara, M., et al. Neurofeedback using real-time near-infrared spectroscopy enhances motor imagery related cortical activation. PLoS One. 7 (3), 32234 (2012).
- Tak, S., Jang, J., Lee, K., Ye, J. C. Quantification of CMRO(2) without hypercapnia using simultaneous near-infrared spectroscopy and fMRI measurements. Physics in Medicine and Biology. 55 (11), 3249-3269 (2010).
- Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. A quantitative comparison of simultaneous BOLD fMRI and NIRS recordings during functional brain activation. Neuroimage. 17 (2), 719-731 (2002).
- Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage. 85, Pt 1 6-27 (2014).
- Delpy, D. T., et al. Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurement. Physics in Medicine and Biology. 33 (12), 1433-1442 (1988).
- Tachtsidis, I., Scholkmann, F. False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward. Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).
- Jang, K. E., et al. Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034004 (2009).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
- Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation. Physics in Medicine and Biology. 55 (13), 3701-3724 (2010).
- Benjamini, Y., Hochberg, Y. Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing. Journal of the Royal Statistical Society Series B. 57 (1), 289-300 (1995).
- Herold, F., Wiegel, P., Scholkmann, F., Muller, N. G. Applications of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) neuroimaging in exercise(-)cognition science: A systematic, methodology-focused review. Journal of Clinial Medicine. 7 (12), (2018).
- Boden, S., et al. The oxygenation response to functional stimulation: is there a physiological meaning to the lag between parameters. Neuroimage. 36 (1), 100-107 (2007).
- Pinti, P., Scholkmann, F., Hamilton, A., Burgess, P., Tachtsidis, I. Current status and issues regarding pre-processing of fNIRS neuroimaging data: An investigation of diverse signal filtering Methods within a general linear model Framework. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 505 (2018).
- Udina, C., et al. Functional near-infrared spectroscopy to study cerebral hemodynamics in older adults during cognitive and motor tasks: a review. Frontiers in Aging Neuroscience. 11, 367 (2019).
- Verghese, J., Wang, C., Ayers, E., Izzetoglu, M., Holtzer, R. Brain activation in high-functioning older adults and falls: Prospective cohort study. Neurology. 88 (2), 191-197 (2017).
- Yucel, M. A., et al. Short separation regression improves statistical significance and better localizes the hemodynamic response obtained by near-infrared spectroscopy for tasks with differing autonomic responses. Neurophotonics. 2 (3), 035005 (2015).
- Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. Neuroimage. 85, Pt 1 28-50 (2014).
- Giacalone, G., et al. Time-domain near-infrared spectroscopy in acute ischemic stroke patients. Neurophotonics. 6 (1), 015003 (2019).
- Saita, K., et al. Contralateral cerebral hypometabolism after cerebellar stroke: a functional near-infrared spectroscopy study. Journal of Stroke and Cerebrovascular Diseases. 26 (4), 69-71 (2017).
