Author Produced

باستخدام MazeSuite والوظيفية الأدنى مطياف الأشعة تحت الحمراء لدراسة التعلم في الملاحة المكانية

Neuroscience
 

Summary

MazeSuite هو مجموعة أدوات كاملة لإعداد وعرض وتحليل التجارب الملاحية والمكانية. وظيفية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIR) هو تقنية تصوير الدماغ البصرية التي تمكن رصد موسع والمحمولة من التغييرات الدماغية الأوكسجين في الدم. وتلخص هذه الورقة الاستخدام الجماعي للMazeSuite وfNIR ضمن نموذج التعلم المعرفي معالجة.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Ayaz, H., Shewokis, P. A., Curtin, A., Izzetoglu, M., Izzetoglu, K., Onaral, B. Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation. J. Vis. Exp. (56), e3443, doi:10.3791/3443 (2011).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

MazeSuite هو مجموعة أدوات كاملة لإعداد وعرض وتحليل التجارب الملاحية والمكانية 1. ويمكن استخدام MazeSuite لتصميم وتحرير تكييف بيئات افتراضية 3D، وتتبع أداء المشاركين السلوكية في بيئة افتراضية ومزامنة مع أجهزة خارجية لتدابير الفسيولوجية والتصوير العصبي، بما في ذلك تتبع الكهربائي والعين.

وظيفية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIR) هو تقنية تصوير الدماغ البصرية التي تمكن الرصد المستمر، موسع، والمحمولة من التغييرات في الأوكسجين في الدم الدماغي المتصلة بمهام الدماغ البشري 2-7. على مدى العقد الماضي fNIR يستخدم للرصد الفعال المهام المعرفية مثل الانتباه، الذاكرة العاملة وحل المشاكل 7-11. يمكن تنفيذها fNIR في شكل جهاز يمكن ارتداؤها وتدخلا بالحد الأدنى، ولديها القدرة على رصد نشاط المخ في بيئات صالحة بيئيا.

الحمار = "jove_content"> الوظائف المعرفية من خلال تقييم أداء مهمة تنطوي على أنماط نشاط المخ من قشرة الفص الجبهي (PFC) التي تختلف عن أداء المهمة الرواية الأولي، وبعد الممارسة وخلال الاحتفاظ 12. باستخدام البوزيترون الطبقي لانبعاثات (PET)، فان هورن والزملاء وجدت أن تم تفعيل الإقليمية تدفق الدم الدماغي في الفص الجبهي الأيمن من خلال الترميز (أي أداء السذاجة الأولي) الملاحة المكانية من الدهاليز الظاهري في حين كان هناك قليل من دون تفعيل الجبهي المناطق بعد الممارسة وخلال الاختبارات الاحتفاظ بهم. وعلاوة على ذلك، فإن آثار التدخل السياقية، وهي ظاهرة التعلم على صلة بتنظيم من الناحية العملية، واضحة عند الأفراد الحصول على مهام متعددة تحت جداول ممارسة مختلف 13،14. يتم إنشاء التدخل السياقية عالية (جدول عشوائية الممارسة) عندما يتم عرض المهام التي يمكن استخلاصها في النظام، غير متسلسلة لا يمكن التنبؤ بها. السياقية تدخل منخفضة (حظريتم إنشاء جدول الممارسة) عندما يتم عرض المهام التي يمكن استخلاصها في ترتيب يمكن التنبؤ بها.

هدفنا هنا ذو شقين: أولا لتوضيح التصميم التجريبي بروتوكول العملية واستخدام MazeSuite، والثانية، للتدليل على إعداد ونشر نظام رصد نشاط الدماغ fNIR باستخدام البصرية تصوير الدماغ المعرفي (كوبي) ستوديو البرمجيات 15. لتوضيح أهدافنا، وتفيد التقارير عينة فرعية من الدراسة لإظهار استخدام كل من MazeSuite واستوديو كوبي في تجربة واحدة. وتشمل الدراسة تقييم النشاط المعرفي للPFC خلال اقتناء والتعلم من المهام متاهة الكمبيوتر لأوامر حظر وعشوائي. يقوم اثنين من البالغين اليد اليمنى (واحد من الذكور، وأنثى واحدة) 315 حيازة، والاحتفاظ 30 و 20 عبر نقل التجارب أربعة أيام. وأوضح تصميم وتنفيذ جمع البيانات، وتحليل مراحل الدراسة مع نية لتقديم التوجيهي للدراسات المستقبلية.

Protocol

متاهة الجناح يتكون من ثلاثة تطبيقات رئيسية، برنامج تحرير لبناء بيئات متاهة (MazeMaker)، وحدة التصور / تقديم (MazeWalker)، وأخيرا تحليل ومسار أداة التصور (MazeAnalyzer). تصف المقاطع التالية استخدام MazeSuite ومزيد من التفاصيل متوفرة في أشرطة الفيديو تكميلية ثلاثة، واحد لكل وحدة MazeSuite.

1. تصميم متاهات

تطبيق MazeMaker داخل المتاهة، جناح، يسمح خلق ثلاثية الأبعاد (3D) بيئات عن طريق رسم لهم ببساطة على قماش (2D) ثنائي الأبعاد من رأي العين على الطيور. ويمكن استخلاص الجدران والأرضيات من نقرات الماوس للإشارة إلى إحداثيات، ويمكن للمستخدمين استيراد الملفات كائن 3D أو تحرير خصائص العناصر داخل المتاهة مثل موقف التوجه، والملمس واللون والاضواء.

يمكن تعيين متاهة بداية ونهاية المناطق بالإضافة إلى معايير أخرى مثل الخروج من فترة المهلة. منفصل،ويمكن أيضا الرسائل النصية الشركة المصرية للاتصالات يتم عرض لإبلاغ المشاركين لكل حالة الخروج. خلال مرحلة التصميم، ويمكن اختبار متاهات باستخدام وظيفة "التشغيل السريع" ضمن MazeMaker.

للدراسات التصوير الوظيفي، ويطلب من المشاركين عادة لأداء سلسلة من المهام المتكررة مع التجارب. لتسهيل هذه التجارب اختبار المتكررة، يمكن إنشاء ملفات MazeMaker قائمة المتاهة التي يتم فرز قوائم متاهات والرسائل النصية للدورة التجريبية. فمن الأهمية بمكان أن يتم إعداد ملف قائمة متاهة للتجربة واختبار تجريبي بدقة، قبل يوم من التجربة.

يتم توفير برنامج تعليمي سريع لاستخدام وتطوير بيئات مع MazeMaker في "التكميلية II فيديو - MazeMaker '.

2. إعداد fNIR ووضع وسادة fNIR الاستشعار

إعداد صندوق fNIR

  1. هناك موصلات الكابلات متأخرا بفارق نقطتين عن مربع fNIR. واحدة من فتحةS لاتصال USB واتصال الآخر لسلك الطاقة.
  2. توصيل الجهاز مربع fNIR من خلال كابل USB إلى جهاز كمبيوتر أو أجهزة الكمبيوتر المحمول التي سيتم استخدامها للحصول على البيانات.
  3. توصيل محول الطاقة إلى الجهاز وتشغيل التبديل.
  4. يتم استخدام كابل لربط الشريط لوحة الاستشعار مع مربع fNIR.
    1. مستشعر الضوء المنازل مصدر وحة (المصابيح) وأجهزة الكشف عن الصورة.
    2. الأضواء تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية 730nm 850nm والتي يتم امتصاصها بشكل رئيسي من قبل امؤكسج والاوكسيجين الهيموغلوبين، على التوالي، وبالتالي يمكن من خلال اختراق الأنسجة البيولوجية.

وضع وسادة الاستشعار

  1. يطلب من المشاركين لرفع الشعر من على الجبين قبل وضع أجهزة الاستشعار. وضع قطاع الاستشعار فوق الحاجبين. مباراة مركز الاستشعار مع المحور الرأسي الذي يمر من التماثل أيضا عن طريق الأنف
  2. اضغط على استشعارمنصة بحزم ضد الجبهة واستخدام مقطع لعقد الكابلات معا في الجزء الخلفي من الرأس. بينما يوصى يست ضرورية تماما، وجها لفاف أو باندانا تنس لتأمين لوحة أجهزة الاستشعار.
  3. وضع لوحة على استشعار على الجبين، ونعلق طرفي الشريط الكابل إلى مربع fNIR. يجب أن يرفق الكابلات الشريط عن طريق مطابقة 'I' و 'II' جانبي الشريط الكابل مع 'I' المناظرة و'II' الموصلات على الجهاز.

البدء في برنامج ستوديو كوبي لجمع البيانات

  1. انقر على أيقونة المعرفي البصرية تصوير الدماغ Studio13 (كوبي) على سطح المكتب لفتح الإطار الرئيسي.
  2. سيقوم البرنامج تأتي مع إعدادات محددة مسبقا معينة لجمع البيانات والتصور.
  3. من المهم للتحقق وتأكيد الحصول على البيانات والمعلمات اثار (التزامن علامة) في الحوار إعدادات الجهاز إذا لزم الأمر.
  4. يمكن كوبي ستوديو الاسم تلقائيا كافة الملفات البيانات ذات الصلة إذا "Exper"يتم تفعيلها من خلال استخدام" واسطة iment جديد تجربة "المعالج.
  5. في المجلد البيانات، سيتم إنشاء 3 أنواع من الملفات: (* الجرد الوطني.) للبيانات fNIR، (* MRK.) للبيانات وعلامة (* TXT.) لسجل الدورة التجربة.

3. تشغيل التجربة: جعل متاهات

جهاز إعداد وبدء fNIR الحصول على البيانات

  1. الحالية التي تقودها محرك يحدد كيفية مشرق يضيء كل LED. القيمة الافتراضية لمحرك LED الحالي هو 20mA. قد تكون هذه القيمة يجب أن يقوم على تغيير لون الجلد وغير ذلك من خصائص مشارك. اقترح مجموعة للتيار LED بين 5mA إلى 20mA
  2. القيمة الافتراضية لتحقيق مكاسب الأولية لجميع القنوات هو 20. القيم المقترحة لتحقيق مكاسب هي 1،5،10،15،20.
  3. انقر على رابط "ابدأ الجهاز الحالي، ودراسة جودة الإشارة. إذا كانت القيم كثافة الخام هو مبين في نهج كوبي 4000 أو هي أقل من 1000، انقر فوق "جهاز إيقاف"، وضبط محرك LED الحالية والأجهزةكسب حتى يتم الحصول على القيم المناسبة. في ظروف إشارة منخفضة، زيادة الدافع LED الحالية قبل زيادة أرباح جهاز. في ظل ظروف إشارة المشبعة تقلل من أرباح قبل جهاز الحد من التيار محرك LED. جودة الإشارة مرة واحدة مقبولة، تواصل إلى الخطوة 4.
  4. بدء خط الأساس. وهذا جمع 10 ثانية من البيانات واستخدامها على النحو خط الأساس في معادلة بئر لامبرت تعديل تعيين لحساب تغيرات تركيز الأوكسجين والهيموغلوبين ديوكسي-8.
  5. السماح للبيانات الأساسية كاملة (قد يستغرق 10-20 ثانية)
  6. انقر على "ابدأ تسجيل". وهذا البدء في توفير كافة البيانات. يجب أن تبدأ التجربة بروتوكول بعد ذلك.
  7. قد المجرب اختيار إضافة علامات دليل طوال الدورة التجربة للدلالة على أحداث معينة عن طريق الضغط على الأزرار "علامة دليل أضف 'باستخدام القائمة علامة دليل الموجود في الركن السفلي الأيمن من الشاشة.
  8. بدء جناح المتاهة إلى تقديم المحفزات البصرية.

USIنانوغرام MazeWalker لتقديم متاهات

  1. تشغيل MazeWalker من القائمة في البداية> جناح المتاهة> MazeWalker
  2. تشغيل التزامن عن طريق اختيار علامة "تمكين المنفذ التسلسلي" من القائمة في إطار متقدم> خيارات المنفذ التسلسلي. تأكد من تحديد منفذ COM الصحيح العنوان.
  3. حدد الملف قائمة متاهة (التي تم إنشاؤها بواسطة MazeMaker)، وأيضا تحديد اسم للملف سجل جديد لهذه الدورة. يمكن تسجيل اسم المشارك أو عدد في ميدان وكر. قد يكون اختياريا استخدام autolog لتسجيل تلقائيا إلى ملف سجل الوقت المختوم بدلا من تحديد ملف السجل يدويا.
  4. انقر على "ابدأ" لبدء العملية. اعتمادا على إعدادات الفيديو، يمكن تشغيل بروتوكول كامل الشاشة أو في وضع إطارات.

4. تصور مسار هذا الموضوع في

باستخدام MazeAnalyzer، يمكن تصور الباحث المتاهة ومسار المشارك من المتاهة وملفات السجل. بالإضافة إلى ذلك، بما في ذلك تقرير موجزويتم إنتاج إجمالي طول المسار والوقت لإنجاز كل من المتاهة عن اتخاذ تدابير سريعة السلوكية. ملفات السجل تحتوي على معلومات في الوقت ميلي ثانية واحدة عن القرار المسار الذي سافر موضوع وكذلك ناقلات مشاهدة الموضوع والتفاعل مع الكائنات.

ويرد في الفيديو التعليمي 'I التكميلية الفيديو - MazeAnalyzer' ويصف استخدام وظيفة MazeAnalyzer الأساسية جنبا إلى جنب مع الأساليب لإنتاج المقاييس السلوكية الموضحة في قسم النتائج.

5. معالجة البيانات وتحليلها fNIR

إزالة الضوضاء هي الخطوة الأولى لمعالجة البيانات. مصادر الضوضاء وتشمل 1) حركة الرأس 2) إشارات فسيولوجية مثل معدل ضربات القلب والتنفس و 3 آلات) والضوضاء ذات الصلة بالبيئة.

يمكن أن يسبب حركة الرأس للكشف عن fNIR لتحويل وتفقد الاتصال مع الجلد، مما يعرضهم إلى: الإضاءة المحيطة 1)، 2) الضوء المنبعث الاب مباشرةام المصادر fNIR، أو 3) الضوء المنعكس من الجلد، وبدلا من أن تنعكس من الأنسجة في القشرة. هذا النوع من القطع الأثرية الحركة يمكن التعرف بسهولة لأنه يسبب مفاجئ، ارتفاع كبير في البيانات fNIR. A الأداة أكثر دقة من حركة الرأس ويرجع ذلك إلى تأثيرات الجاذبية على الدم الدماغي. يمكن أن يسبب حركة الرأس السريعة الدم إلى التحرك نحو (أو بعيدا عن) المنطقة التي تتم مراقبته، وزيادة بسرعة (أو خفض) حجم الدم مع ما يصاحب ذلك من انحراف البيانات. منذ ديناميات هذا النوع من القطع الأثرية تكون أبطأ من حركة "البوب" LED يمكن التمييز بينها الدورة الدموية استجابة الفعلية بسبب نشاط المخ. ومن هنا، وإزالة قطعة أثرية من حركة البيانات fNIR خطوة هامة وضرورية إذا fNIR هو لنشرها في الدماغ تكنولوجيا الرصد في البيئات الطبيعية 16.

إشارات الفسيولوجية مثل معدل ضربات القلب (أكثر من 0.5 هرتز) والتنفس (أكثر من 0،2 هرتز) هي في نطاقات تردد أعلى من حردود emodynamic، وبالتالي، يمكن القضاء عليها باستخدام الخطي المنخفض المرحلة مرشح تمرير FIR مع قطع التردد بين 0،1 حتي 0،15 هرتز 9.

يمكن الصك والضوضاء البيئية تنشأ بسبب الإضاءة المحيطة مثل ضوء النهار (DC) وضوء الغرفة (60HZ) أو الضوء من شاشة الحاسوب (60 75Hz). يقترح أن أفضل وسيلة للقضاء على هذا النوع من الضوضاء هو إعداد البيئة التجريبية والحصول على البيانات وفقا لذلك. وقد نفذت ممر منخفض مرشح التناظرية (تنعيم فلتر) في المربع fNIR للقضاء على الضوضاء للطي من ارتفاع وتيرة أخذ العينات على نطاق الترددات.

هناك العديد من الخوارزميات المتاحة الحد من الضوضاء المتقدمة التي تستخدم خصائص مختلفة للإشارة 17-20. ولكن إذا كان يمكن أن تستبعد موضوع الدورة أو إذا كانت البيانات غير قابلة للاسترداد هو (أي مشبعة).


الشكل 1.

الإشارات fNIR الخام هي قياسات شدة الضوء (انظر الشكل 1). عن طريق قياس الكثافة الضوئية (OD) تغييرات على اثنين من موجات، يمكن الحصول على التغير النسبي للأوكسي-HB HB-ديوكسي ومقابل الوقت باستخدام تعديل قانون بير لامبرت 21-23. OD في طول موجة محددة المدخلات (λ) هو نسبة لوغاريتمي من شدة الضوء المدخلات (I في) والإخراج (الكشف) شدة الضوء (I الخروج). ويرتبط أيضا إلى تركيز OD (ج) ومعامل الانقراض (ه) من chromophores، والمسافة تصحيح (د) بين مصدر الضوء وكشف، بالإضافة إلى عامل تخفيف ثابت (G).
المعادلة 1

وجود I نفسه في في حالتين زمنية مختلفة والكشف عن شدة الضوء خلال خط الأساس (I بقية) وأثناء أداء المهمة (I الاختبار)، والفرق في OD لwavelenGTH λ هو
المعادلة 2

قياس OD على اثنين من أطوال موجية مختلفة يعطي
المعادلة 3

ويمكن حل هذه المعادلة لمجموعة تركيزات إذا المصفوفة هو 2X2 غير المفرد. عادة، يتم اختيار الأطوال الموجية اثنين ..) في غضون 900nm-700 حيث امتصاص الأوكسجين و-HB HB-ديوكسي هي المهيمنة بالمقارنة مع الأنسجة الأخرى chromophores، والثاني) أدناه وأعلاه نقطة isosbestic (805nm ~ أطياف الامتصاص حيث من ديوكسي - وأوكسي الهيموغلوبين عبر بعضها البعض) للتركيز على التغيرات في امتصاص إما HB-ديوكسي أو أوكسي HB-على التوالي. الصك fNIR المستخدمة في هذه الدراسة تستخدم موجات 730nm 850nm و.

يتم استخراج أخيرا، وذلك باستخدام علامات (إشارات التزامن الوقت)، وصفت فترات من خط الأساس / الراحة والمهام وتحديد الميزات من البيانات مثل الأوكسجين يعني، دقيقة والقيم القصوى. كوبي ستوديو يحفظ كل من شدة الضوء الخام القياسات والقيم المحسوبة الأوكسجين (باستخدام تعديل القانون لامبرت البيرة) إلى ملفات نصية القائمة وكذلك وقت تزامن الملفات (علامة). ويمكن أيضا أن تستخدم كوبي ستوديو لتطبيق وسائل إزالة الضوضاء مثل المرشحات محدودة الاستجابة المنخفضة تمرير الدافع أو الفرقة تمرير. يمكن تصدير ملفات الإخراج إلى البرمجيات الشائعة مثل تحليل (ماتلاب، إكسل، وSPM SPSS) أو مخصص برامج التحليل مثل fnirSoft 24 لمزيد من المعالجة.

6. ممثل النتائج:

أمثلة الإشارات fNIR

الأرقام 2-5 إشارات fNIR مسبقا الخام من موقع قياس واحد مع مكونات الطول الموجي اثنين (730nm 850nm و) تظهر بشكل منفصل. الشكل 2 يمثل عهدا جديدا إشارة صحيحة ومقبولة الشكل بينما 3 و 4 غير مقبولة ويجب أن يتم تجاهل. ويعرض الشكل 5 إشارة الخام التي كانت ملوثة مع قطعة أثرية الحركة ويحتاج إلى تنظيف أو القرصarded.

الشكل 2
الشكل 2. جيدة عينة A fNIR إشارة الخام

الشكل 3
الشكل 3. سيئة عينة fNIR إشارة الخام حيث المشبعة قناة 850nm.

الشكل 4
الشكل 4. سيئة عينة fNIR إشارة الخام حيث هناك مشكلة في الجهاز أو مشكلة اتصال الكابل.

الشكل 5
الشكل 5. سيئة عينة fNIR إشارة الخام التي توجد فيها الحركة الفنية.

دراسة البروتوكول

وأفضل مثال تقييم التعلم عن طريق الاحتفاظ (أي الذاكرة) ونقل (أي التعميم) الاختبارات. في دراستنا، ثلاثة متاهات (maze1، وmaze2 maze3)تمارس خلال مرحلة اكتساب لما مجموعه من 105 المحاكمات عبر كل ثلاثة أيام. وتتلخص عشوائي أجل ممارسة (RND) ومنعت أجل ممارسة (BLK) في الشكل 6؛ الشرطين. تطوع موضوعين للدراسة لمدة أربعة أيام. في اليوم ال 4، وأجريت محاكمات الاحتفاظ 10 لكل متاهة وعرضت متاهات في ترتيب عشوائي. تم إنشاء اثنين من متاهات رواية (maze4 وmaze5) التي كانت ممرات إضافية ومختلفة نقاط البداية والنهاية من متاهات يمارس أصلا. الانتهاء مواضيع عشر تجارب لكل من متاهات الجديدين. تشكل هذه المتاهات مرحلة نقل، وقدمت في ترتيب عشوائي للجميع. واستخدمت في متاهات المرحلة نقل لتحديد مدى كل موضوع كان قادرا على تعميم التعلم والممارسة مع متاهات الاستحواذ.

الشكل 6
الشكل 6. الممثل مخطط بروتوكول التجربة.

دراسة النتائج السلوكية

وفيما يلي الأرقام من 7 إلى 9، وعرض القيم ميزة المتوسط ​​(طول المسار، الوقت الإجمالي لإتمامه، والسرعة) من المواضيع عبر كل يوم. أولا، يتم سرد النتائج من maze2، وmaze1 maze3 لكل من التجمع الوطني الديمقراطي والممارسة BLK. المقبل، يتم سرد maze4 وmaze5 نتائج عشوائية لمقارنة النتائج مقابل ممارسة المحظورة. جميع أشرطة الخطأ هي الخطأ المعياري للمتوسط ​​(SEM).

الشكل 7
الشكل 7. RND ممارسة سلوكية ملخص الأداء للمهام الشراء والاحتفاظ بما في ذلك طول المسار الكلي، إجمالي الوقت لإكمال العمل والسرعة في المتوسط.

الرقم 8
الشكل 8. BLK ملخص أداء الممارسة السلوكية للمهام الشراء والاحتفاظ بما في ذلك طول مسار إجمالي والوقت الكلي للإنجازوالسرعة في المتوسط.

الشكل 9
الشكل 9. السلوكية مقارنة أداء BLK مقابل RND الممارسة لمهام نقل بما في ذلك طول المسار الكلي، إجمالي الوقت لإكمال العمل والسرعة في المتوسط.

نتائج الدراسة fNIR

وبلغ متوسط ​​تركيز الهيموغلوبين المؤكسج التغييرات من خط الأساس على مدار الساعة كل متاهة الفردية باستخدام البيانات الواردة من علامة MazeWalker (يشير بداية ونهاية كل متاهة). يتم أخذ أكبر حجم التغييرات تركيز لتمثيل مستويات أعلى من نشاط المخ الإقليمية. ولوحظ وجود مستوى أعلى من خلال تفعيل مهام الاحتفاظ بها ونقلها على حد سواء لممارسة BLK مقارنة لممارسة RND. خلال نقل المهام، كان ينظر إلى مستوى أعلى من تفعيل الممارسة تحت BLK بالمقارنة مع الممارسة RND (انظر الشكل 10).

لموضوع الممارسة BLK، نقلمطلوب تفعيل المحاكمات أعلى بالمقارنة مع التجارب الاحتفاظ بهم. لموضوع الممارسة RND، لم مستوى التنشيط لم تختلف عن مهام نقل والاحتفاظ بدلا من ممارسة BLK الموضوع (انظر الشكل 11).

الشكل 10
الشكل 10. مقارنة بين متوسط ​​تركيز الأكسجين التغييرات-HB للBLK مقابل RND الممارسة لكل من المهام الاحتفاظ (يسار) ونقل المهام (يمين).

الشكل 11
الشكل 11. مقارنة بين متوسط ​​تركيز الأكسجين التغييرات-HB للمهام الاحتفاظ مقابل نقل لكلا BLK (يسار) والتجمع الوطني الديمقراطي الممارسة (يمين).

Discussion

قشرة الفص الجبهي (PFC) في الدماغ البشري يسهل السيطرة المعرفية على تنسيق الأفكار والإجراءات فيما يتعلق بالأهداف الداخلية. على وجه الخصوص، ومن المعروف أن PFC الأمامي / ظهراني للتوسط الوظائف المعرفية العليا مثل إدارة المهام، والتخطيط المكاني والملاحة 25. fNIR هو المحمولة، ومراقبة الدماغ آمنة وموسع الأداة التي استخدمت في المرافق الصحية، والمختبرات والطبيعية لدراسة نشاط المخ. أظهرت هذه الدراسة الاستكشافية استخدام جناح المتاهة وfNIR لدراسة الجوانب السلوكية العصبية للملاحة الفضائية. في هذه الدراسة الاستطلاعية، يتم استخدام منصة MazeSuite بالتزامن مع fNIR لدراسة الجوانب السلوكية العصبية للملاحة الفضائية في PFC ظهراني وللتدليل على مزيج من هاتين الأداتين.

MazeSuite هو التصميم التجريبي، ومنصة العرض التحليل. أنه تمكن من إنشاء وتطبيق البيئية 3D بسيطةالإدلاء بالبيانات مع واجهة المستخدم الرسومية ودية ويسجل تلقائيا التدابير السلوكية للداخل الموضوع أو عبر مقارنات الموضوع. أثناء عرض البيئات MazeSuite، في وقت واحد وقت متزامن وقد أخذت مقاييس fNIR باستخدام المحمولة متوفرة تجاريا، fNIR موجة مستمرة النظام (تصوير 1000، fNIR الأجهزة، LLC) وكوبي ستوديو البرمجيات 15. fNIR سابقا ثبت أنها آمنة وفعالة موسع الدماغ أداة رصد في المرافق الصحية، والمختبرات والطبيعية لدراسة نشاط المخ 7،11 ويستخدم في هذه الدراسة للتحقيق الاستجابات المعرفية المرتبطة السياقية تدخل من المهام أثناء التنقل المكاني.

لدراسة آثار التدخل أجل ممارسة السياقية، وقدمت شخصا مع التدخل إما منخفضة (BLK) أو التدخل عالية (RND) أمر الواقع. واستخدمت هذه الجداول ممارسة متميزة لاختبار تأثير التعلم متعددةPLE الظاهري متاهة الملاحة المهام المكانية عبر الاختبارات والاحتفاظ بها ونقلها. النتائج السلوكية تشير إلى أن لكل من أوامر الممارسة، هناك اتجاه خفض رتيب في الوقت الإجمالي اللازم لإكمال المتاهة، مما يوحي بأن كممارسة المواضيع، وأنها أنجزت كل متاهة في فترات زمنية أقصر. وبالإضافة إلى ذلك، فإن متوسط ​​السرعة التي أبحر المواضيع المتاهة (سرعة المتاهة) زادت مع الممارسة. ومن المتوقع أن هذه التحسينات في التدابير السلوكية عبر الزمن الاستدلالات من التعلم. يعني تغييرات تركيز الأوكسجين أثناء المحاكمات-HB الممارسة تشير إلى أن الممارسة المطلوبة BLK أعلى نشاط المخ بالمقارنة مع النظام الممارسة RND.

ممارسة RND أسفرت أسرع وقت الانتهاء وأطوال مسار أقصر بالمقارنة مع النظام الممارسة BLK لكل من الاحتفاظ بها ونقلها، على التوالي. وهناك اتجاه لوحظ في خفض HB-BLK أوكسي سيلة لممارسة RND وعبر التجارب تشير إلى الاحتفاظ ميلان خفضtivity في PFC. ومن المتوقع هذا الاستنتاج والأبحاث السابقة قد اقترحت أن هناك انخفاض في النشاط من خلال PFC مراحل لاحقة من التعلم 12،26.

وعلاوة على ذلك، والملاحة في متاهات جديدة خلال المرحلة المطلوبة نقل أعلى نشاط المخ لممارسة الموضوع BLK مقارنة لممارسة RND الموضوع. قد بالنظر إلى أن النظام كان مختلفا عن ممارسة المهام تعلمت بالفعل (أي maze1، maze2، وmaze3)، وهذا أمر طبقية عشوائية الممارسة لهذا الموضوع أن تعلم المهام في ترتيب (BLK الممارسة) متتابعة كانت الرواية بما فيه الكفاية ليتطلب إضافية الجهد والموارد المعرفية لأداء المهام 12،26. ومع ذلك، لممارسة RND، كانت المرحلة نقل التنشيط العصبي لا يتجاوز المرحلة الاحتفاظ بهم. هذه النتائج ثبيت هذه النتائج مع PET الملاحة المكانية من الدهاليز التي أبلغت عنها الظاهري فان هورن وزملاؤه 12.

في summآرى، صفنا استخدام MazeSuite بالاشتراك مع استوديو كوبي لإجراء دراسة عن آثار التدخل السياقية المتعلقة أجل ممارسة المهام الملاحية عندما تعلم المكانية. لا تقتصر أساليب fNIR مناقشتها هنا للمهام الملاحة المكانية، ويمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من المهام في دراسات التصوير العصبي الأخرى. وأوضح تصميم وتنفيذ جمع البيانات، وتحليل مراحل الدراسة مع نية لتقديم التوجيهي للدراسات المستقبلية.

Disclosures

أجهزة fNIR، LLC تصنع تصوير الدماغ أدوات بصرية والمرخص IP والدراية من جامعة دريكسيل. وشارك H. عياض، Izzetoglu M.، K. Izzetoglu وOnaral B. في تطوير التكنولوجيا والتي أتيحت لها بذلك على حصة بسيطة في بدء تشغيل جديد الأجهزة fNIR شركة، LLC.

Acknowledgements

وقدمت التمويل لهذا العمل في جزء من رابطة ولاية بنسلفانيا # 4100037709 # 240468 الباطن وجامعة دريكسيل الباطن # 280773.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Maze Suite
fNIR Imager 1000

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ayaz, H., Allen, S. L., Platek, S. M., Onaral, B. Maze Suite 1.0: a complete set of tools to prepare, present, and analyze navigational and spatial cognitive neuroscience experiments. Behav. Res Methods. 40, 353-359 (2008).
  2. Chance, B., Zhuang, Z., UnAh, C., Alter, C., Lipton, L. Cognition-activated low-frequency modulation of light absorption in human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90, 3770-3774 (1993).
  3. Villringer, A., Planck, J., Hock, C., Schleinkofer, L., Dirnagl, U. Near infrared spectroscopy (NIRS): a new tool to study hemodynamic changes during activation of brain function in human adults. Neuroscience letters. 154, 101-104 (1993).
  4. Hoshi, Y. Non-synchronous behavior of neuronal activity, oxidative metabolism and blood supply during mental tasks in man. Neuroscience letters. 172, 129-133 (1994).
  5. Strangman, G., Boas, D. A., Sutton, J. P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light. Biological psychiatry. 52, 679-693 (2002).
  6. Coyle, S., Ward, T. E., Markham, C. M. Brain-computer interface using a simplified functional near-infrared spectroscopy system. Journal of neural engineering. 4, 219-226 (2007).
  7. Ayaz, H. Optical brain monitoring for operator training and mental workload assessment. Neuroimage. (2011).
  8. Izzetoglu, M. Functional near-infrared neuroimaging. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 13, 153-159 (2005).
  9. Izzetoglu, M., Bunce, S. C., Izzetoglu, K., Onaral, B., Pourrezaei, K. Functional brain imaging using near-infrared technology. IEEE Eng Med Biol Mag. 26, 38-46 (2007).
  10. Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (29), e1268-e1268 (2009).
  11. Izzetoglu, K. The evolution of field deployable fNIR spectroscopy from bench to clinical settings. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 4, 1-12 (2011).
  12. Van Horn, J. D. Changing patterns of brain activation during maze learning. Brain Res. 793, 29-38 (1998).
  13. Shewokis, P. A. Memory consolidation and contextual interference effects with computer games. Perc Motor Skills. 97, 581-589 (2003).
  14. Magill, R. A., Hall, K. G. A review of the contextual interference effect in motor skill acquisition. Human Movement Science. 9, 241-289 (1990).
  15. Ayaz, H., Onaral, B. Analytical software and stimulus-presentation platform to utilize, visualize and analyze near-infrared spectroscopy measures Masters Degree thesis [dissertation]. Drexel University. (2005).
  16. Ayaz, H. Advances in Understanding Human Performance: Neuroergonomics, Human Factors Design, and Special Populations. Marek, T., Karwowski, W., Rice, V. 3, CRC Press Taylor & Francis Group. 21-31 (2010).
  17. Izzetoglu, M., Chitrapu, P., Bunce, S., Onaral, B. Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using discrete Kalman filtering. Biomedical engineering online. 9, 16-16 (2010).
  18. Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48, 280-298 (2009).
  19. Zhang, Q., Strangman, G., Ganis, G. Adaptive filtering to reduce global interference in non-invasive NIRS measures of brain activation: How well and when does it work? Neuroimage. 45, 788-794 (2009).
  20. Izzetoglu, M., Devaraj, A., Bunce, S., Onaral, B. Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using Wiener filtering. IEEE Trans Biomed Eng. 52, 934-938 (2005).
  21. Cope, M. The development of a near infrared spectroscopy system and its application for non invasive monitoring of cerebral blood and tissue oxygenation in the newborn infant. University College London. London. (1991).
  22. Elwell, C. Quantification of adult cerebral hemodynamics by near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology. 77, 2753-2753 (1994).
  23. Wyatt, J. Quantitation of cerebral blood volume in human infants by near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology. 68, 1086-1086 (1990).
  24. Ayaz, H. Functional Near Infrared Spectroscopy based Brain Computer Interface PhD thesis [dissertation]. Drexel University. (2010).
  25. Wood, J. N., Grafman, J. Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives. Nat Rev Neurosci. 4, 139-147 (2003).
  26. Shadmehr, R., Holcomb, H. H. Neural correlates of motor memory consolidation. Science. 277, 821-825 (1997).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics