Gerçek dünya Bilişsel Görevler Beyin Aktivite Monitör lifsiz, Giyilebilir fNIRS kullanma
2 Aralık 2015
Laboratuvar dışında fiziksel kısıtlamalar olmadan beyin aktivitesini izlemek metodolojik zorluklar sunar. Ekolojik bir prospektif hafıza görevi sırasında beyin aktivitesini ölçmek için fibersiz, giyilebilir fonksiyonel bir Yakın Kızılötesi Spektroskopisi (fNIRS) sistemi kullanıldı. Bu sistemin, laboratuvar tabanlı olmayan deneyler sırasında beyin aktivitesini izlemek için kullanılabileceği gösterildi.
Bu çalışmanın genel amacı, bilişsel bir görevin neden olduğu frontal lob, hemodinamik ve oksijenasyon değişikliklerini izlemek için lifli, fonksiyonel, yakın kızılötesi spektroskopi sisteminin kullanımını değerlendirmektir. Bu yöntem, prefrontal korteks fonksiyonu ile ilgili temel soruların cevaplanmasına yardımcı olabilir ve bunlar laboratuvardan ziyade doğal ortamlarda en iyi şekilde incelenir. Ner hastaları.
Non-invaziv olmanın avantajları, minimum kısıtlamalarla taşınabilir giyilebilir olması, Londra'nın merkezi gibi doğal ortamlarda serbestçe hareket eden deneklerde beyin fonksiyonel aktivasyonunu izlemeyi uygun hale getirir. Bu teknik, potansiyel olarak, doğal görevlerde kendilerine fayda sağlayan, ancak laboratuvarda olmayan rostral prefrontal korteks anormalliklerini tespit etmek için kullanılabilir. Eğitim prosedürlerinin nöral etkisini araştırmak için nöro rehabilitasyon gibi klinik ortamlara da uygulanabilir.
Prosedürü gösteren bir yüzgeç lideri, UCL'de bir araştırma görevlisi ve UCL'de yüksek lisans öğrencileri olan Sarah Power, Sarah Power olacak Katılımcının hareketlerini takip etmek için deneycinin göğsüne bir kamera kurarak başlayın. Ardından, cihazı güneş ışığından korumak ve katılımcının deney sırasında nereye baktığını izlemek için kullanılan işlevsel yakın kızılötesi spektroskopisine veya F yakın gölgeleme başlığına bir kafa kamerası monte edin, ilk deneyciyi ve katılımcıyı tüm oturum boyunca takip eden ikinci deneyci için bir kamera hazırlayın ve açın. Son olarak, FN'S kulaklığını dezenfektan bir mendille temizleyin.
Deney başlamadan önce, katılımcıdan onay formunu imzalatın. Optoları dijitalleştirmek için 10 20 sistemini kullanın ve tüm katılımcılar arasında tutarlı FNE R'S kulaklık yerleşimi elde etmek için 10 20 standart konumu kullanın. Nasion ve Ian'ı işaretlemek için yıkanabilir bir işaretleyici kullanın ve bu iki nokta arasındaki mesafeyi ölçün.
Ardından sol ve sağ kulak öncesi noktaları işaretleyin ve bu noktalar arasındaki başın üzerindeki mesafeyi ölçün. FPZ ve FZ noktalarını 10 20 sistemine göre işaretleyin. Ardından, F Ns kulaklığı katılımcının kafasına yerleştirin ve sekiz ve dokuzuncu kanalları FPZ fz çizgisine hizalayın ve üst üste binin.
Dokuzuncu kanaldan FPZ'ye, probun katılımcının kafasına güvenli bir şekilde takıldığından emin olun. Doğal yürüyüş sırasında herhangi bir yer değiştirmeyi önlemek için FN'S kulaklığın ucuna iyi bir şekilde takılması gerekir, bu da ölçümü bozan hareket artefaktlarına neden olabilir. Dijitalleştirmeden sonra, takılı kafa kamerasıyla gölgeleme kapağını F NS kulaklığın üzerine yerleştirin.
Cihazı güneş ışığından korumak için, güneş ışığının neden olduğu optik dedektörlerin doygunluk riskini azaltmak için atma başlığı gereklidir. Son olarak, deney kurallarını katılımcıya açıklayın. Onlara koşuya izin verilmediğini ve belirlenen dış alan içinde kalmaları gerektiğini bildirin.
Deneye başlamak için dışarı çıkın. Taşınabilir kutudaki güç düğmesine basarak başlayın ve Fns'yi kablosuz moda alın. Ardından F NS dizüstü bilgisayarında F NS edinme yazılımını açın ve taşınabilir kutu ile bir bağlantı kurun.
Algılanan ışığın tabanındaki dedektörün kazancını optimize etmek için prob ayar düğmesine basın. Ardından, hazır düğmesine basın ve ardından bir dakika boyunca veri toplamaya başlayın. Konsantrasyon sinyallerinde bir kalp atışının görünüp görünmediğini kontrol edin, bu da iyi bir sinyal kalitesi sağlar.
Kablosuz modunu kapatmak için taşınabilir kutudaki güç düğmesine basın. Ek olarak, F nears'ı bağımsız moda geçirmek için taşınabilir kutudaki güç düğmesine ve mod düğmesine basın. Ardından, kafa kamerasını ve deneycinin her iki kamerasını da açın.
Çekime başlamak için, dedektörün kazancını optimize etmek için FN'S taşınabilir kutusundaki prob ayar düğmesine basın. Ardından, FN'S alımını başlatmak için taşınabilir kutudaki oynatma durdurma düğmesine basın. Son olarak, tüm video kameralarda net bir şekilde kaydedilmesi gereken bir ses tetikleyici ile birlikte FN'nin taşınabilir kutusundaki işaret düğmesini kullanarak F n'nin verilerine manuel olarak bir işaretleyici ekleyin.
Daha sonra frontal korteks fonksiyonunu değerlendirmek için deneyi başlatın, katılımcının bir perspektif hafıza görevini tamamlamasını sağlayın. Katılımcının testin yapıldığı bir sokakta sabit durmasını sağlayarak başlayın ve bir kağıt parçasına uyaranların sayısını sayın. Daha sonra katılımcının normal bir yürüyüş hızında kısa bir mesafe yürümesini sağlayın.
Temel koşul için, katılımcının deneyin yapıldığı caddede dolaşmasını sağlayın. Ardından, katılımcının deney alanının etrafında dolaşmasını ve kontamine olmayan devam eden durumu tamamlamak için belirli öğelerin oluşumunu saymasını sağlayın. Sosyal olmayan perspektif hafıza koşulu için, katılımcının belirli bir mesafeye geldiğinde her parkmetreye yumruk atmasını sağlayın.
Aynı zamanda, katılımcı binalara yapıştırılan tarih ve çalışma saatlerinin sayısını saymalıdır. Daha sonra, sosyal perspektif hafıza koşulu için, katılımcının deney alanında önceden belirlenmiş yerlere hareket eden bir Konfederasyona yumruk atmasını sağlayın. Aynı zamanda, katılımcının kapı zillerinin sayısını saymasını sağlayın.
Ardından, kontamine devam eden durumu tamamlamak için katılımcının test alanı içindeki engelsiz merdivenlerin sayısını saymasını sağlayın. İki dinlenme koşulunu ters sırayla tekrarlayın. Son olarak, senkronize video akışını izleyin ve bilişsel görevin her deneysel koşulunun başlangıcına ve bitişine açıklama ekleyin.
Her perspektif belleği hedefine ulaşılan nokta için zaman damgaları alın. Son olarak, F NS verilerini önceden işleyin. Bant geçiren bir filtre ile fizyolojik gürültüleri giderin ve hareket artefaktlarını düzeltin.
Ekolojik bir prospektif hafıza görevi sırasında frontal korteks aktivitesini ölçmek için lifli, giyilebilir işlevsel, yakın kızılötesi spektroskopi sistemi kullanıldı. Beyin korteksinde gösterilen renk haritaları, tüm ölçüm kanallarında oksihemoglobin ve deoksihemoglobin konsantrasyonundaki genlik değişikliklerini gösterirken, katılımcı sosyal ve sosyal olmayan perspektif hafıza görevlerini yerine getirir. Bu hemodinamik değişiklik profili, fonksiyonel aktivasyon için tipik olan oksihemoglobin artışlarını ve deoksihemoglobin düşüşlerini gösterir.
Bu, sosyal olmayan ve sosyal perspektif hafıza görevlerine yanıt olarak gösterilir. Sosyal perspektifte daha yüksek oksihemoglobin artar ve deoksihemoglobin azalır. Hafıza görevleri hem sol hem de sağ prefrontal kortekste lokalize olurken, sosyal perspektif dışı hafıza görevleri sırasındaki benzer hemodinamik değişiklikler esas olarak sol prefrontal kortekste lokalizedir.
Bu videoda, beyin aktivitesini yaşam temelli bilişsel görevlere göre değerlendirmek için taşınabilir bir giyilebilir cihaz kullanarak işlevsel deneylerin nasıl gerçekleştirileceğini gösterdik. Bu nedenle, mevcut deney, hem deney kurulumunu hem de işlevsel görevin yürütülmesini içeren bir saat 30 dakika kadar sürebilir. Bu prosedürü denerken, enstrümantasyonu stabilize etmeyi ve korumayı ve tüm kayıtları senkronize etmeyi unutmamak önemlidir.
Yüzde sonuçları ön sonuçlardır ve bir katılımcıya atıfta bulunur. Fonksiyonel aktivasyonu lokalize etmek için istatistiksel analiz gereklidir. Bu prosedürü takiben daha fazla katılımcıyı dahil ederek daha büyük bir örneği analiz etmenin yanı sıra, işlevsel olayları kurtarmak için video kayıtlarının analizinin yapılması gerekir.
Video kayıtlarının davranışsal analizi, F nears nöro görüntüleme verilerini katılımcının performansıyla ilişkilendirmemize yardımcı olabilir. Kalp atış hızı gibi sistemik değişiklikleri izlemek ve bu fizyolojik değişikliklerin etnik nöro görüntülememizi nasıl etkileyebileceğini araştırmak da mümkündür. Bu teknoloji, bilişsel sinirbilim araştırmacılarının beyin fonksiyonlarını doğal ve açık uçlu ortamlarda incelemelerinin önünü açabilir.
Genel Bakış
Bu çalışma, ekolojik beklenti belleği görevleri sırasında beyin aktivitesini izlemek için fiber içermeyen, giyilebilir bir Fonksiyonel Yakın Kızılötesi Spektroskopisi (fNIRS) sistemini değerlendirmektedir. Bu yöntem, doğal ortamlarda frontal lob aktivitesinin non-invaziv ölçümüne olanak tanır ve prefrontal korteks fonksiyonu hakkında bilgiler sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Beyin Görüntüleme
- Bilişsel Psikoloji
Arka Plan
- Geleneksel beyin izleme yöntemleri genellikle laboratuvar ortamlarıyla sınırlıdır.
- Taşınabilir fNIRS sistemleri gerçek dünya ortamlarında araştırmayı kolaylaştırabilir.
- Prefrontal korteks fonksiyonunu anlamak, bilişsel görev analizi için kritik öneme sahiptir.
- Non-invaziv teknikler, serbestçe hareket eden deneklerin incelenmesi için esastır.
Çalışmanın Amacı
- Giyilebilir bir fNIRS sisteminin beyin aktivitesini ölçmede etkinliğini değerlendirmek.
- Doğal ortamlarda bilişsel görevleri keşfetmek.
- Ekolojik görevler sırasında prefrontal kortekste olası anormallikleri araştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Katılımcılar bilişsel görevler sırasında taşınabilir bir fNIRS kulaklığı taktılar.
- Deneysel koşullar açık hava ortamında çeşitli hafıza görevlerini içermiştir.
- Veri toplama frontal lobda hemodinamik değişiklikleri izlemeyi içermiştir.
- Video kayıtları fNIRS verileriyle senkronize edilmiştir.
Ana Sonuçlar
- fNIRS sistemi görevler sırasında beyin aktivitesini başarıyla izledi.
- Renk haritaları oksihemoglobin ve deoksihemoglobin konsantrasyonlarındaki değişiklikleri gösterdi.
- Sonuçlar doğal ortamlarda fNIRS kullanmanın uygulanabilirliğini gösterdi.
- Verilerden prefrontal korteks fonksiyonu hakkında bilgiler elde edildi.
Sonuçlar
- Fiber içermeyen fNIRS sistemi ekolojik beyin izleme için etkilidir.
- Bu yöntem, gerçek dünya ortamlarında bilişsel süreçlerin anlaşılmasına yardımcı olabilir.
- Gelecek uygulamaları nöro rehabilitasyon için klinik ortamları içerebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Fiberless wearable fNIRS enables real-time monitoring of prefrontal cortex activity during naturalistic cognitive tasks, offering a non-invasive, portable solution for assessing brain function in ecologically valid settings. This approach supports target validation and mechanistic de-risking by linking neural responses to behavioral outcomes in real-world contexts, reducing reliance on artificial laboratory paradigms. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing quantitative hemodynamic data that reflects functional activation during complex, ecologically relevant tasks such as prospective memory and social interaction.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of prefrontal cortex function during ecological prospective memory tasks, supporting target validation through real-world neural-behavioral correlations.
- Operational Value: Provides portable, minimally restrictive monitoring of hemodynamic changes in freely moving subjects, reducing environmental confounds.
- Predictive Value: Delivers quantitative oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentration changes as biomarkers of functional activation, aiding in target confidence assessment.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, time-resolved hemodynamic readouts during standardized cognitive challenges, enabling assay-like monitoring of neural responses.
- Operational Value: Supports standardization via 10-20 system optode placement and motion artifact correction, enhancing data quality across sessions.
- Scalability: Wireless, fiberless design allows for repeated use across multiple participants and environments, facilitating high-throughput naturalistic screening.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges lab-based fNIRS findings to real-world cognitive performance, supporting biomarker alignment for prefrontal cortex function.
- Mechanistic De-risking: Enables detection of neural activation patterns during ecological tasks that may not emerge in controlled settings, reducing false negatives in target validation.
- Predictive Confidence: Links video-annotated behavioral events (e.g., fist bumps, object counting) to concurrent hemodynamic responses, strengthening causal inference in cognitive neuroscience.
Pipeline & Workflow Integration
Fiberless wearable fNIRS fits within the discovery continuum from hypothesis testing in early neuroscience research to lead identification and preclinical validation, particularly for targets involving prefrontal cortex-dependent cognitive functions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of prefrontal cortex engagement during ecological prospective memory tasks, clarifying neural circuits underlying real-world cognition.
- Screening: Enables assay-ready, quantitative monitoring of hemodynamic changes with motion artifact correction, ensuring reliable neural readouts during ambulatory tasks.
- Analytics: Provides time-locked oxyhemoglobin/deoxyhemoglobin concentration data synchronized with video-annotated behavioral markers, enabling condition-specific functional activation analysis.
- Translational Research: Connects neural activity in naturalistic settings to behavioral outcomes, supporting continuity from discovery to preclinical models of cognitive function.
- Enterprise Reuse: The portable, wireless system serves as a reusable platform for multiple cognitive paradigms across diverse populations and environments.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers mechanistic insight into prefrontal cortex function during ecologically valid tasks, reducing ambiguity in target validation.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized optode placement, motion artifact correction, and synchronized multimodal recording.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing ecologically relevant neural data that better predicts real-world cognitive outcomes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS targets based on functional neural responses in naturalistic contexts.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuroimaging, cognitive task design, and multimodal data synchronization.
- Dependent on portable fNIRS hardware, acquisition software, and video recording systems for synchronized data collection.
- Necessitates cross-team standardization of optode placement (10-20 system), task protocols, and motion correction pipelines.
- Adaptation considerations include varying head sizes, environmental lighting (mitigated by shading cap), and task complexity across populations.
- Practical limitations include signal susceptibility to residual motion artifacts and the need for larger sample sizes to achieve statistical power, as noted in the source.
