JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

We present a method to compare functional brain activity recorded during a naturalistic task using fNIRS with activity recorded during fMRI.

Abstract

We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced version of the task using fMRI (functional magnetic resonance imaging). Recently, it has been shown that fNIRS can accurately record functional brain activities equivalent to those concurrently recorded with functional magnetic resonance imaging for classic psychophysical tasks and simple finger tapping paradigms. However, an often quoted benefit of fNIRS is that the technique allows for studying neural mechanisms of complex, naturalistic behaviors that are not possible using the constrained environment of fMRI. Our goal was to extend the findings of previous studies that have shown high correlation between concurrently recorded fNIRS and fMRI signals to compare neural recordings obtained in fMRI procedures to those separately obtained in naturalistic fNIRS experiments. Specifically, we developed a modified version of the dance video game Dance Dance Revolution (DDR) to be compatible with both fMRI and fNIRS imaging procedures. In this methodology we explain the modifications to the software and hardware for compatibility with each technique as well as the scanning and calibration procedures used to obtain representative results. The results of the study show a task-related increase in oxyhemoglobin in both modalities and demonstrate that it is possible to replicate the findings of fMRI using fNIRS in a naturalistic task. This technique represents a methodology to compare fMRI imaging paradigms which utilize a reduced-world environment to fNIRS in closer approximation to naturalistic, full-body activities and behaviors. Further development of this technique may apply to neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease, late states of dementia, or those with magnetic susceptibility which are contraindicated for fMRI scanning.

Introduction

وكان الهدف من الأساليب المذكورة هنا لوضع بروتوكول عمل لمقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي (التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي) وfNIRS (ظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة) إشارات في مهام متعددة الوسائط مماثلة. نحن على وجه التحديد التي تهدف إلى تطوير إجراء التصوير الوظيفي للاستخدام مع الأفراد بطلان لاجراء الفحوصات التقليدية الرنين المغناطيسي الوظيفي بسبب الزلزال، خلل الحركة، أو الأجهزة المزروعة متعددة. ورغم وجود العديد من البرامج التدريبية وتأهيل فعالة للأفراد المعرضين لخطر السقوط، وليس هناك أي تأكيد من الآليات العصبية الكامنة وراء فعالية هذه البرامج. في كثير من الأحيان، والأفراد المشاركين في هذه البرامج التدريبية هي مضاد استطباب للأسباب المذكورة. وكان لدينا الأساس المنطقي لهذه الدراسة لتحديد مدى فعالية وظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) لتحديد أنماط نشاط المخ المرتبطة مهمة المحركات الطبيعية التي تنطوي على حركات الجسم كله. وتشمل الأهداف الطويلة الأجل تطوير أداة لمسمارذ ليس فقط نماذج التعلم الحركي ولكن تعمل أيضا على تأكيد مدى ملاءمة fNIRS لمجموعة متنوعة من المهام التي لا يمكن أن تؤدي بطريقة طبيعية باستخدام الطرق التقليدية.

وقد سبق أن أظهرت النشاط fNIRS لتكون مرتبطة إلى حد كبير (ص = 0،77-0،94) للمناطق متماثلة مع (تعتمد مستوى الأوكسجين في الدم) التسجيلات إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي بولد في الدراسات المحدودة التي تقاس fNIRS المتزامنة والرنين المغناطيسي الوظيفي النشاط الوظيفي باستخدام إصبع النفسي وبسيطة الكلاسيكية التنصت نماذج 1-3. نتائج هذه الدراسات تؤكد fNIRS هي صحيحة وموثوقة لتحديد النشاط القشرية المرتبطة مهمة البيئية تخفيض متوافقة مع الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك، fNIRS له مزايا عديدة على الرنين المغناطيسي الوظيفي كوسيلة من وسائل التصوير العصبي. fNIRS، والأهم، هو إلى حد أقل حساسية للقطعة أثرية الحركة من الرنين المغناطيسي الوظيفي، ويسمح الموضوعات التي تتصرف كما لو كانوا في بيئة طبيعية بدلا من دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي التي تقيد paradig السياراتمللي 4. دقة الزمنية المرتبطة fNIRS تسمح لتحديد التغيرات في وظائف الاستجابة العصبية مع زيادة تحبب نظرا لزيادة تردد أخذ العينات. وأخيرا، فإن تكلفة fNIRS أقل من الرنين المغناطيسي الوظيفي المسح الضوئي وتسمح لإجراء دراسات بتكلفة أقل. ومع ذلك، هناك عيوب fNIRS مقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي بما في ذلك عمق محدود من الاختراق، التحليل المكاني المحدود، ومؤخرا فقد تبين أن بعض الظواهر الفسيولوجية مثل ارتفاع ضغط الدم ومعدل ضربات القلب، وفروة الرأس آثار تدفق الدم يمكن أن يعرض ايجابيات كاذبة ل القشرية إشارة الدورة الدموية 5-9. في حين يجري حاليا تطوير عدد من المنهجيات والتطورات أجهزة معينة لتقارير قوائم الجرد الوطنية، بما في ذلك معالجة الإشارات والأجهزة لتوفير عالية الكثافة التدرجات optode، فإنه لا يزال من المهم لتطوير منهجيات المختلطة التي تسمح الرنين المغناطيسي الوظيفي والإجراءات fNIRS ليكمل كل منهما الآخر.

تخدم هذه الدراسة إلى اختبارطريقة fNIRS لتحديد الآليات العصبية تعمل خلال طبيعية مهمة الرقص لعبة فيديو. وكان الهدف من هذه الدراسة هو مقارنة النشاط في مركز التكامل من الدماغ (التلفيف الصدغي العلوي والمتوسطة) بين مجموعة من الأفراد تصويرها باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لمجموعة أخرى من المواد تستخدم إصدار طبيعي المهمة تصويرها باستخدام fNIRS. مجموعتنا والتحقيق من قبل هذا المجال باستخدام نماذج مماثلة لعبة تفاعلية وأظهرت النشاط في الفص الصدغي يستجيب إلى كل من حاملات الأكسجين وإزالة oxyHb وفقا التنشيط القشرية 10. ونحن أيضا حاولت مسبقا للسيطرة على القطع الأثرية النظامية سابقا من خلال إظهار استجابات في هذا المجال التضمين في السعة فيما يتعلق الحمل القشرية المهمة وليس ردود النظامية المتعلقة بالنشاط نفسه 11. التلفيف الصدغي العلوي والمتوسطة لم يعرف النشاط المرتبط التكامل من المحفزات الحسية المتعددة الوسائط ودينا سابقايظهر هذا المجال أن تكون نشطة في الرقص الرقص الثورة (DDR) اللعب في الدراسات الرائدة الرنين المغناطيسي الوظيفي، بالإضافة إلى لدينا fNIRS المنشورات 10-12. كان لدينا فرضية الدراسة الحالية أن النشاط الوظيفي في هذا المجال كما هو مسجل باستخدام fNIRS سوف يرتبط بشكل كبير مع نشاط وظيفي المسجلة باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي في بروتوكول عبة الرقص مماثل ولكن محدود.

بروتوكول الموصوفة هنا يتضمن كيفية تعديل لعبة فيديو رقص لاستخدامها كنموذج التصوير العصبي في كل fNIRS والبروتوكولات الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك الإجراء العام ليست محددة لنموذج لعبة فيديو اللعب، ويمكن أن تكون مناسبة لأي عدد من المهام التي ليست ممكنة لأداء في قيود بروتوكول الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك المهام اللغوية والحركي. ويحدد هذا البروتوكول كذلك الإجراء لاستخدام خصوصية التشريحية للالرنين المغناطيسي الوظيفي لتطوير مناطق معينة من الفائدة (ROI) والتي يمكن مزيد من الدراسة خلال المهام العالم الحقيقي الحقيقي باستخدام fNIRS.

Protocol

قبل المشاركة، توفر جميع المواد الموافقة المسبقة وفقا للمبادئ التوجيهية المؤسسية. في هذه الحالة، وتمت الموافقة على البروتوكول برنامج حماية الإنسان المؤسسي من جامعة ميجي (كاناغاوا، اليابان)، المركز الطبي لجامعة كولومبيا (نقل إلى مدرسة ييل للطب لتحليل البيانات)، وجامعة لونغ آيلند وبروكلين الحرم الجامعي لهذه الدراسة.

1. البرمجيات وتعديل أجهزة والتنمية لتصوير الأعصاب وظيفية (الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS)

  1. تعديل عبة الرقص الرقص الثورة (DDR) عن طريق تحرير تفاصيل من ملفات التكوين (.sm) باستخدام نسخة مفتوحة المصدر من DDR، مكسات، لتغيير توقيت والرسومات والموسيقى لمنطقة دراسات الاهتمام باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي قبل التصوير fNIRS .
    1. في ملف .sm تحديد المتغيرات: الخلفية، والموسيقى، ويقابل (تبدأ الموسيقى في وقت الفحص)، samplestart، samplelength، BPMS، وbgchanges. تحديد بات السهمerns لكل التدبير في ملف .sm من خلال تحديد السهام في تدبير كقيمة من "1"، "0"، أو "M". تعريف اليسار، إلى أعلى أو أسفل، أو الضغط على الزر الأيمن للكل تدبير. استخدام "1" سهم، استخدم "0" فارغة، واستخدام "M" لمنجم في الحقب بقية.
  2. باستخدام لعبة أغنية "الفراشة" (أنجزت في الأصل من قبل Smile.dk والمتاحة على الرقص الرقص الثورة 3 الثالثة ميكس CD اللعبة الأصلي لسوني بلاي ستيشن)، والسماح موضوعات للعب باستخدام تصميم القطاعات بالتناوب في صلب الميكانيكا اللعبة كما تم تعديله في ملف التكوين .sm. مرات بديلة لعبة 30 ثانية مع فترات راحة 30 ثانية مع رسومات الخلفية تشير إلى لاعب عندما للعب (الأخضر)، وعندما الاسترخاء (الأحمر، الشكل 1).

figure-protocol-1945
تين لدى عودتهم 1: بارادايم تصميم واجهة المستخدم (A) DDR الجرافيك. تحركت الأسهم الموجودة في الجزء السفلي من الشاشة نحو الجزء العلوي من الشاشة. هذه السهام وأشارت إلى موضوعات الزر الذي الضغط. عندما وصلت الأسهم في مجال العمل العليا (السهام الرمادية في الجزء العلوي من الشاشة)، وردت المواضيع عن طريق الضغط على الزر الصحيح. وأشير وقت اللعب مع خلفية خضراء. وأشير وقت الراحة التي كتبها خلفية حمراء. أثناء وقت الراحة، تم استبدال الأسهم مع الرسوم المتحركة "قنبلة". كان هؤلاء أي وظيفة مع الاحترام لهذه اللعبة أو النتيجة، ولكن تم استخدامها لتكون بمثابة حامل مكان خلال العهود الراحة. (B) تصميم كتلة تستخدم للمسح الضوئي يتكون من ما مجموعه 5 دقائق من اللعب والراحة العهود. كان قبل المسح 10 ثانية في الطول، تليها بالتناوب 30 ثانية اللعب والراحة الكتل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

    لاذع = "3">
  1. تكرار الفاصلة بالتناوب خمس مرات في التشغيل لضمان الدقة في التناقض بين الراحة وفترات نشطة.
  2. في حالة جمع البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي، وتقييد الحركات إلى اليسار واليمين السهم يضغط زر في تسجيلات الرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام أزرار القدم. وينبغي أن يظل العدد الإجمالي للتضغط على زر المساواة في المهمتين (الشكل 2).
  3. قبل إجراء المسح، وشرح اساسيات اللعبة لمواضيع والسماح المواضيع ممارسة قليل من يعمل قبل التصوير. تعليمات موضوعات للضغط على زر السهم المقابلة مع أقدامهم أقرب إلى الوقت المثالي المبينة في الجزء العلوي من مسار السهم يتحرك، ولكن لتقليل حركة الرأس قدر الإمكان.

figure-protocol-3870
الشكل 2: الإعداد التجريبي لالرنين المغناطيسي الوظيفي (A) الموضوعات تكمن في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي في حين observiنانوغرام بيئة تفاعلية المتوقعة باستخدام مرآة شنت على لفائف الرأس فوق الموضوع. الشكل 2B. منصة القدم تعديل تتألف من اثنين من الأزرار يسمح الموضوعات التي تستجيب مع اليمين أو اليسار الصنابير اصبع القدم في الوقت الحقيقي أثناء اللعب. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. الرنين المغناطيسي الوظيفي اختبار وتحليل

  1. الحصول على صورة الهيكلية لكل موضوع سابق لهذه اللعبة مع 3D مدلل التدرج تسلسل صدى (SPGR) (124 شرائح، 256 × 256، مجال الرؤية = 220 مم)، ويبلغ مجموع وقت الفحص 10 دقيقة 38 ثانية.
  2. الحصول على صور الرنين المغناطيسي الوظيفية خلال المسح الضوئي باستخدام الإعدادات التالية لصدى مستو (EPI) T2 * التدرج -weighted تسلسل الصدى: صدى الوقت = 51 ميللي ثانية، والتكرار الوقت = 3 ثانية، وزاوية الوجه = 83 درجة. الحصول على 27 على التوالي الصور شريحة المحوري للدماغ مع الأبعاد التالية: 192 × 192 ملم الحقلنظر مع 128 × 128 شبكة لاستصدار قرار من إجمالي 1.56 X 1.56 ملم وقرار ض محور من 4.5 مم.
  3. تعليمات مواضيع للعب اللعبة باستخدام النموذج أعلاه ولكن باستخدام السهام فقط الأيمن والأيسر للحد من حركة القطع الأثرية.
  4. أداء الرنين المغناطيسي الوظيفي إشارة جريئة يحلل استخدام SPM8 5، الذي نفذ في MATLAB 7.0.
    1. تجاهل ثانية 10 الأول من سلسلة برنامج التحصين الموسع للحد من T2 * الاسترخاء قطعة أثرية، البيانات الوظيفية هي حركة تصحيح عن طريق المربعات 6-المعلمة "هيئة جامدة 'التحول المكاني.
    2. تطبيع بمسح برنامج التحصين الموسع لإعادة ترتيب MNI (معهد مونتريال العصبية) قالب الذي لديه القرار 2 مم 3 تليها تجانس المكاني مع نواة جاوس من 8 مم العرض الكامل في نصف كحد أقصى (FWHM).
    3. أداء على مستوى الموضوع التحليلات الإحصائية باستخدام النموذج الخطي العام (GLM) لإنشاء الخرائط الإحصائية المعلمية للمقارنة بين حالة نشطة (DDR) مقارنة ضد حالة الراحة.
    4. لتحليل مجموعة مع النتائج الفردية باستخدام الخرائط الإحصائية حدودي القياسي (SPM) الثانية على مستوى التأثيرات العشوائية النهج. الحصول منطقة الفائدة بناء على نتائج تحليل مجموعة مع عتبة p <0.01 وحجم الكتلة عتبة 100 voxels.
    5. تحديد المنطقة ذات الاهتمام باعتبارها بالتعاون بين الكتلة الوظيفية والتشريحية قناع متفوقة والمتوسطة التلفيف الصدغي، تم الحصول عليها من WFU PickAtlas أداة 13،14

3. إعداد fNIRS والحصول على البيانات

  1. استخدام 22 قناة fNIRS نظام التضاريس لتسجيل البيانات من optodes رتبت إلى 3 × 5 مجموعة. المسافة بين optode لكل زوج مصدر كاشف هو 3 سم (الشكل 3A، B).
    1. الشرق غطاء مرن يحتوي على مجموعة من أجهزة الاستشعار البصرية بحيث اصطف أنه حتى من قشرة الفص الجبهي الأيسر إلى الفص الصدغي الأيسر (الشكل 3A، B). ضمان optode في أدنى الصففي موقف أكثر الأمامي يتركز على FPZ من الدولي 10-10 النظام 15. محاذاة الصف السفلي من optodes بالتوازي مع الخط الفاصل بين المعالم التشريحية FPZ وT7.
  2. تشديد مجموعة التحقيق البصرية لرئيس هذا الموضوع، وأؤكد تعلق بشكل آمن باستخدام الأشرطة والذقن حزام. وينبغي إيلاء الانتباه إلى تشريد optodes من سطح الرأس بحيث أزواج مصدر للكشف عن ضيق على الرأس ولكن ليس غير مريحة لهذا الموضوع (الشكل 3C).
  3. عينة البيانات الخام الخفيفة التناظرية optode مصدر للكشف عن الزوج إلى الكمبيوتر عند 7.9 هرتز باستخدام الكمبيوتر واجهة المستخدم الرسومية.

figure-protocol-8247
الرقم 3: الإعداد Optode للتسجيلات تقارير قوائم الجرد الوطنية (A) ويتكون الغطاء من ورقة مرنة مزودة البلاستيك قابل للانحناء بالإضافة إلى وحوlding 3 سم متباعدة أصحاب optode. تم تركيب الأشرطة إلى الحد الأقصى لتمكينه من تركيبها بإحكام في الرأس. الحد الأقصى هو أكبر ويسمح لمزيد من optodes من 3 × 5 مجموعة (كما هو موضح باللون الأصفر) المستخدمة في هذه الدراسة، ولكن لا بد من تأمينها بشكل آمن لرؤوس الموضوعات. (B) غطاء optode وضعه فوق الفص الجبهي الأيسر إلى الفص الصدغي. مثال على الغطاء optode على رأس موضوع توفير تغطية 3 × 5 مجموعة فوق منطقة الفص الجبهي الأيسر إلى الفص الصدغي الأيسر. (C) Optode الإيداع في سقف تظهر غطاء تأمين لوجه مع الأشرطة تشديد وchinstrap. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. الاختبار والمعايرة وقوة الإشارة وإشارة إلى نسبة الضوضاء باستخدام برنامج حاسوبي لمراقبة النظام توفرها الشركة المصنعة قبل التسجيل. في حالة الضوضاء العالية أن يتم اكتشافها، صoptodes emove وأي شعر التدخل من القناة باستخدام LED مضاءة قضيب البلاستيك (الشكل 4).

figure-protocol-9656
الرقم 4: الأمثل للإشارات optode تم نقل الشعر من كل قناة باستخدام أداة بلاستيكية مضيئة لتهجير الشعر من مركز القناة لضمان الجودة إشارة الأمثل الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. استخدام التحويل الرقمي القلم 3D لتحديد القيمة المكانية للمواقع المصدر وكشف optode في كل قناة من سقف مرن. استخدام التحويل الرقمي لتحديد الإحداثيات المكانية للناسيون، inion، الأذين وتشيكوسلوفاكيا من كل موضوع على الفور قبل جمع البيانات وتلعب لعبة (الشكل 5). حفظ ملفات نصية مع مصدر وكشفأو مواقع لothers.txt والإحداثيات التشريحية لorigin.txt الملفات.

figure-protocol-10607
الرقم 5: معايرة موقف optode تم استخدام أداة رقمية المغناطيسي لتحديد موضع 10-20 معالم على رأسه وموقف القنوات optode الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. معالجة تنسق 3D استولت باستخدام خيار التسجيل في تقارير قوائم الجرد الوطنية-SPM 16،17 في MATLAB 7.0 (الشكل 6). من القائمة الرئيسية للSPM، واختيار قائمة بذاتها تسجيل المكاني. على الشاشة التالية، حدد "مع 3D محول الأرقام" واختيار آخرين المحفوظة مسبقا وملفات النص الأصلي باستخدام الحوار المقابلة. من مربع الحوار البرمجيات، واختيار "التسجيل!ن (استخدام وظيفة NFRI) "لتحديد التمثيل المكاني

figure-protocol-11579
الرقم 6: إخراج نموذج من بيانات المعايرة تقارير قوائم الجرد الوطنية استخدمت بيانات محول الأرقام لتحديد احتمال كل قناة في مناطق معينة من الدماغ. وعرضت قناة 22 في هذا الموضوع لاحتمال 0.4129 في الزمانية التلفيف الأوسط، و0.47419 في الزمانية التلفيف العليا. يتم تعريف القناة من المنطقة الواقعة بين الباعث وكشف أزواج. دائرة حول القناة 22 في الشكل تمثل تقريبي للمنطقة التي تسهم في إشارة المسجلة من أزواج optode في هذا الموضوع. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. عندما تكون جميع المناصب قناة optode هي رقمية، ويوفر كل قناة الصورةufficient قوة الإشارة كما هو مبين في واجهة المستخدم الرسومية واجهة البرامج المقدمة من قبل الشركة المصنعة، وطرح الموضوعات التي تقف والاستعداد لاختبار DDR (الشكل 7A، B).

figure-protocol-12699
الرقم 7: جمع البيانات fNIRS خلال لعبة الرقص مسرحية (A) الموضوعات تقف للعب اللعبة باستخدام نموذج كتلة على لعبة الرقص حصيرة القياسية في حين يجري المربوطة إلى الجهاز تقارير قوائم الجرد الوطنية. (B) وجهة نظر بديلة لجمع بيانات تظهر البيانات الأولية على الشاشة الخلفية التي تم جمعها في الوقت الحقيقي من الموضوع. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. fNIRS جمع البيانات

  1. قبل إنشاء fNIRS تسجيل optodes، وتوفير المواد بمقدمة موجزةلهذه اللعبة والسماح الممارسة لالألفة مع اللعبة كما في اختبار الرنين المغناطيسي الوظيفي.
  2. لfNIRS الاختبار، واستخدام نموذج مطابق لاختبار الرنين المغناطيسي الوظيفي مع إضافة السهمين لأعلى / لأسفل مقارنة السهام فقط اليسار واليمين المستخدمة في الرنين المغناطيسي الوظيفي. تأكد من أن العدد الإجمالي للالمطابع السهم متطابقة بين الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS المهام والتي فقط على نمط يختلف.
  3. استخدام زر 4 الكلمة حصيرة نظام الاستجابة زر القياسية لهذه اللعبة خلال fNIRS اختبار (الشكل 7A).
  4. مرة واحدة مريحة في أساسيات اللعبة، إرشاد موضوعات للعب 30 مرة لعبة ثانية مع فترات راحة 30 ثانية كما في الخطوة 1.2. تكرار هذه اللعبة 5 دقائق مرتين مع كل الموضوعات.
    1. تعليمات موضوعات خصيصا لتلمس الوجه أو الأنف وبشكل خاص على الشعر أو الرأس بالقرب من optodes. تعليمات مواضيع لتقليل دوران، القارب أو الملعب حركات رؤوسهم أثناء اللعب.

5. fNIRS تحليل البيانات

  1. استخدام نهج بير لامبرت تعديل 18 لحساب إشارات النسبية يعكس الهيموجلوبين المؤكسج (أوكسي الهيموغلوبين)، خضاب الدم غير المؤكسج (ديوكسي-الهيموجلوبين)، ومجموع الهيموجلوبين (خضاب الدم الكلي-) التغييرات التركيز كما ΔoxyHb، ΔdeoxyHb، وΔtotalHb على التوالي في وحدة التعسفية (ميكرومتر سم) باستخدام المعادلات التالية:
    ΔoxyHb = -1.4887 × Δabs 780 + 0.5970 × Δabs 805 + 1.4847 × Δabs 830
    ΔdeoxyHb = 1.8545 × Δabs 780 + (-0.2394) × Δabs 805 + (-1.0947) × Δabs 830
    ΔtotalHb = ΔoxyHb + ΔdeoxyHb.
    حيث يشير Δabs التغيرات في امتصاص الضوء في الطول الموجي المقابل.
  2. البيانات الأولية مرشح تمرير منخفض إشارات الدورة الدموية من فرد خلال 25 لكي عشر Savitzky-غولي تصفية والمتوسط ​​19.
  3. تطبيق التصحيح الأساسي للبيانات متوسط ​​مع بداية تعيين إلى صفر.
  4. تطبيع الدورة الدموية السعة إشارة بقسمة متوسط ​​القيم على الانحراف المعياري للإشارة سجلت 10 ثانية قبل هذه المهمة.
  5. اختيار القنوات ليتم تحليلها استنادا إلى معلومات التحويل الرقمي 3D. هنا، استخدام قناة للاستفادة من لتحليلها لديها احتمال تسجيل 80٪ أو أكثر في الشرق الأوسط ومتفوقة الزمني التلفيف) وفقا لإخراج عملية التسجيل.

6. مقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS إشارات

  1. استخدام وظيفة النتائج في SPM8 لتحديد voxels فائقة العتبة T> 2.6 أو قيمة P المقابلة <0.01. تحديد المنطقة ذات الاهتمام (ROI) باستخدام متداخلة voxels فائقة عتبة لتعريف مجموعة داخل منطقة التشريحية.
    1. في هذه الحالة، وتحديد التلفيف الصدغي العلوي والمتوسطة باستخدام الأطلس العال المدرجة في انتقاء WFU أطلس. في ثيالصورة الحالة، هذه الكتلة ناجمة ديها 572 2 × 2 × 2 مم voxels تقع في التلفيف الصدغي الأوسط مع ذروة فوكسل في تنسيق (-66، -24، 0) وذروة T = 5.73 fNIRS.
  2. تحديد قناة من الاهتمام من البيانات fNIRS باستخدام 3D الإحداثيات الرقمية التي يتم تحويلها إلى إحداثيات MNI باستخدام تقارير قوائم الجرد الوطنية-SPM في الخطوة 3.5.1 أعلاه. في هذه الحالة، كانت قناة 22 في معظم المواد أعلى احتمال النشاط في العائد على الاستثمار المحددة في الخطوة 6.1.
  3. تحديد متوسط، استجابة تشغيل الحدث في العائد على الاستثمار لالرنين المغناطيسي الوظيفي وقناة المقابلة في fNIRS لمدة 60 كتلة ثانية (نشط والراحة، مجتمعة).
  4. لكل مادة، متوسط ​​وتعتمد (غامق) إشارات الخام مستوى الأكسجين في الدم لvoxels داخل الكتلة لتوليد أثار الحدث الرنين المغناطيسي الوظيفي متوسط ​​البيانات.
  5. مقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS عن طريق التوسع البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي لمطابقة بيانات fNIRS بالشكل الأمثل باستخدام الانحدار الخطي باستخدام fNIRS = ب * الرنين المغناطيسي الوظيفي، حيث يحصل على أسلوب الانحدار قيمة ب حتى ثار جذر يعني يتم تصغير قيمة مربع من fNIRS -b * الرنين المغناطيسي الوظيفي.
  6. مقارنة fNIRS وإشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي من خلال الربط بين المجموعتين.

النتائج

نتائج التجربة تشير إلى النشاط تم الحصول عليها من مراكز الاندماج في تلافيف الزمنية العالية والمتوسطة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) لديها ارتباط وثيق لوظيفية الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) إشارات تشكل نفس المنطقة في الإصدار طبيعي المهمة ويبين الشكل 8 البيانات الخام تطبيع وبلغ متوسط ​​من 16 شخصا من إجراء الرنين المغناطيسي الوظيفي المسح الضوئي (تتبع الأزرق) و26 شخصا من بروتوكول fNIRS (تتبع الأحمر). كانت البيانات يعلق في وقت 0 واستغرق المرحلة النشطة للتفاعل اللعبة تجري في 30 ثانية الأولى من الرسم البياني (مهمة المسمى). خط متقطع العمودي يشير إلى الانتقال من الأخضر إلى خلفية حمراء في مهمة وبداية مرحلة الراحة (المشار إليها كما بقية) على حد سواء تظهر مجموعات البيانات الزيادات في الردود في مرحلة نشطة وانخفاض في مرحلة الراحة مع زيادة تقلب ينظر في إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي. تم إجراء مقارنات بين آثار التي ريج الأولressing إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي للحد من جذر يعني الفرق مربع بين آثار اثنين. وكان معامل الارتباط الناتجة بين الإشارتين 0.78 وكانت قيمة ص لارتباط 0.03.

يمثل الرقم 9 في الدماغ وجعلها في مواقع قناة فرضه من موضوع واحد. متوسط ​​تظهر آثار من القنوات 1 و 22 مع خطوط الصلبة تمثل إشارات الأوكسي هيموغلوبين والخطوط المتقطعة تمثل إشارات ديوكسي هيموغلوبين. الأحمر والأزرق آثار تمثل شكلان على اللعب والموسيقى وغير الموسيقى، على التوالي. إشارات من قناة 1 بمثابة مثال السيطرة للمقارنة مع المنطقة من الفائدة. إشارات في هاتين المنطقتين تختلف فيما يتعلق مهمة للاستجابة.

figure-results-1687
الرقم 8: العلاقة بين fNIRS وإشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي من الشرق الزمني التلفيف وfNIRS(الأحمر) والرنين المغناطيسي الوظيفي ترد (الأزرق) إشارات لكل مجموعة ± SEM ممثلة من الحواف المظللة. معامل الانحدار بين الاثنين هو 0.78. ع = 0.03. يظهر إدراج جعل من ROI تحديد من النشاط في الرنين المغناطيسي الوظيفي مع النشاط ذروته عند MNI تنسيق (-66، -24، 0) مع حجم الكتلة = 571، ر = 5.73 الذروة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2409
الرقم 9: الاختلافات في إشارات في الزمانية وأمامي فصوص الوقت بالطبع من ΔoxyHb (خط الصلبة) وΔdeoxyHb (الخط المنقط) ردود موضوع واحد من تجربتين واحدة من لعبة الرقص تظهر شرطين "مع الموسيقى (الحمراء). "و" أي الموسيقى (الأزرق) "الظروف. تم تعديل هذا الرقم من أونو وآخرون. 10.

Discussion

fNIRS هو الدماغ تقنية التصوير وظيفية لديها وعد بالسماح للدراسة يرتبط العصبية من الأنشطة الطبيعية. تطوير تلك التقنيات هي اتجاه البحث النشطة. نحن الخطوط العريضة هنا منهجية التي كانت فعالة لتسجيل نشاط المخ وظيفية في منطقة واحدة من الفوائد المرتبطة بالمشاركة في لعبة رقص.

وقد زاد عدد المطبوعات التحقيق نماذج التعلم الحركي مع fNIRS سريعا في السنوات الأخيرة مع استحداث وحدات fNIRS متعددة القنوات من شركة هيتاشي وشيمادزو (فضلا عن غيرها) قادرة على تسجيل أنشطة وظيفية في مناطق متعددة من الدماغ بالتزامن 20،21 . لقد أظهرنا سابقا أنه من الممكن لتحديد خصوصية التشريحية للإشارات fNIRS فضلا عن استخدام اشارات لتحديد الكيفية التي تسهم الاختلافات في توقيت والسعة من إشارات إلى الأداء السلوكي للالمهام الحركية 11. وركزت القضية الاستثنائية الأخيرة للمجلة Neuroimage على التطبيقات الحالية للتكنولوجيا تقارير قوائم الجرد الوطنية وشملت عددا من الدراسات محددة لالتعلم الحركي 22. حتى مع هذا الاهتمام متعاظم في تكنولوجيا تقارير قوائم الجرد الوطنية، وقد ركزت بعض الدراسات على الآليات العصبية من السلوكيات الطبيعية التصديق عليها من قبل الرنين المغناطيسي الوظيفي. في حين أن هذا العدد الخاص والعديد من المنشورات الأخرى 23-26 الخطوط العريضة بوضوح الدور المستقبلي للfNIRS في دراسة السلوكيات الحركية، هو موضح هنا تم وضع بروتوكول للتحقق من صحة منهجية موحدة لمقارنة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS من السلوكيات الطبيعية.

وتشير النتائج إلى وجود علاقة قوية بين مجموعات لfNIRS وإشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في منطقة التكامل بين الفص الصدغي والترابط بين الإشارات وتماشيا مع ذلك تظهر من قبل في المتزامنة الرنين المغناطيسي الوظيفي / fNIRS الدراسات 3 الشكل 9 يشير إلى أن النشاط fNIRS في الفص الصدغي هو ليس فقط القشرية في الطرافة الطبيعةح الفرق الأكسجين وdeoxyHb chromofore الامتصاصية، ولكن أيضا أن النشاط في الفص الصدغي يختلف تماما عن تلك التي شوهدت في الفص الجبهي لا ترتبط مع النشاط الرنين المغناطيسي الوظيفي في الفص الصدغي. نؤكد على بعض الجوانب الهامة للدراسة التي تسمح بمقارنة البيانات بين الطريقتين. لأول مرة، وقد ورد معايرة المواقع optode كاستراتيجية رئيسية في تأكيد تشريح القشرية وتفسير النتائج. التعديلات التي قطعناها على أنفسنا للبرمجيات وسمحت الأجهزة لنا لمزامنة نموذج لدينا مع بروتوكول تصميم كتلة الأمثل لتسفر عن ردود القشرية قوية في كل الإجراءات. نحن أيضا الخطوط العريضة الاستراتيجيات الرئيسية لضمان إشارة إلى ارتفاع نسبة الضوضاء (إزالة الشعر من سطح optode) والحد من القطع الأثرية بما في ذلك الحركة والتحفيز الوجه (صدرت تعليمات الموضوعات على وجه التحديد عدم لمس رؤوسهم أو الوجه).

هذه النتائج ونتائج الدراسات السابقة التحقيق fNIRS المتزامنة / FMوتؤكد الإجراءات التصوير RI علاقة ارتباط قوية بين الإشارات توقعت كما نظريا 1-3. القيد واحدة لتفسير البيانات المقدمة هنا هو أننا لم نتمكن من الاستفادة من التقنيات الحديثة في الاستفادة المثلى من تسجيل تقارير قوائم الجرد الوطنية التي تظهر أنه من الممكن زيادة دقة البيانات قناة الفردية باستخدام تسجيلات عالية الكثافة. كما تم استخدام هذه التقنية عالية الكثافة لفصل مكونات سطحية من تقارير قوائم الجرد الوطنية القشرية يشير 27 بالإضافة إلى غيرها من التقنيات التي إزالة القطع الأثرية من ضغط الدم ومعدل ضربات القلب والمتغيرات جهازية أخرى 6،7،28. وقد تبين أيضا أن وضع التحقيق وchromaphore خيار يمكن استخدامها للسيطرة على ايجابيات كاذبة 29 والتصفية على التكيف إشارات تقارير قوائم الجرد الوطنية يمكن استخدامها بشكل فعال في حالة إشارة إلى ارتفاع نسبة الضوضاء. المهمة التي نحن قد استخدمت هنا وسابقا باستخدام أنظمة تقارير قوائم الجرد الوطنية التجارية مع النماذج المعروضة في تصميم كتلة 10،11وقد أنتجت البيانات مع إشارات كبيرة ولم تتطلب مزيدا من تقنيات التحليل أو الأجهزة لإظهار أوجه الشبه بين الإشارات. ومع ذلك، فمن الممكن أن البيانات المقدمة هنا يمكن تحسينها من خلال استخدام هذه التقنيات وغيرها في تقارير قوائم الجرد الوطنية معالجة الإشارات.

والمنهجيات الحالية في ظيفية تقارير قوائم الجرد الوطنية لا تحل محل الحاجة الرنين المغناطيسي الوظيفي المسح الضوئي. بدلا من ذلك، كما نقترح هنا، وإجراءات التصوير اثنين (بالإضافة إلى EEG وغيرها) يمكن أن تستخدم ليكمل كل منهما الآخر. في حالة وجود مجموعة من الأفراد التي يتم بطلان لالرنين المغناطيسي الوظيفي المسح، قد fNIRS تثبت هذه التقنية قابلة للتطبيق فقط للتأكد من فوائد برنامج التدريب مثل برامج الوقاية من المخاطر الخريف للأفراد مع مرض الشلل الرعاش. وعلاوة على ذلك، fNIRS لديها عدد من الاتجاهات المستقبلية التي يمكن أن تستخدم أيضا لإضافة المعلومات إلى التفاصيل التشريحية المقدمة من خلال MR المسح. سوف عالية الكثافة وضع optode وزيادة optodes عائدات أعلىالقرار الزماني التي يمكن استخدامها للاتصال والمبدأ تحليل المكونات فضلا عن زيادة دقة النمذجة إشارة BOLD.

Disclosures

وترعى رسوم النشر لهذا المقال من قبل S himadzu.

Acknowledgements

وأيد هذا البحث في جزء من مصادر التمويل التالية: JSPS غرانت في والمعونة للبحوث العلمية (C) 25350642 (AT)، منحة بحثية من مؤسسة هاياو ناكاياما للعلوم والتكنولوجيا والثقافة (SS & YO)، و منح ألعاب بحوث الصحية من مؤسسة روبرت وود جونسون (المنحة # 66729) (SB وJAN).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Equipment
Shimadzu OMM-3000figure-materials-180 ShimadzuThe OMM-3000 used in this study has been replaced by the LABNIRS
Polhemus Patriot 3D Digitizerfigure-materials-448 Polhemus
GE Twin-Speed 1.5T MRI scannerfigure-materials-674 General ElectricThe Twin-Speed 1.5 T scanner has been retired. A number of new scanners are available to replicate this procedure
Software
Stepmaniafigure-materials-985 Stepmania
Matlabfigure-materials-1135 MathWorks
NIRS-SPMfigure-materials-1301 BISPL
WFU Pick Atlasfigure-materials-1471 ANSIR

References

  1. Heinzel, S., et al. Variability of (functional) hemodynamics as measured with simultaneous fNIRS and fMRI during intertemporal choice. NeuroImage. 71, 125-134 (2013).
  2. Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54, 2808-2821 (2011).
  3. Sato, H., et al. A NIRS–fMRI investigation of prefrontal cortex activity during a working memory task. Neuroimage. 83, 158-173 (2013).
  4. Piper, S. K., et al. A wearable multi-channel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects. NeuroImage. 85 (Part 1), 64-71 (2014).
  5. Funane, T., et al. Quantitative evaluation of deep and shallow tissue layers' contribution to fNIRS signal using multi-distance optodes and independent component analysis). NeuroImage. 85 (Part 1), 150-165 (2014).
  6. Tachtsidis, I., et al. Ch. 46. Oxygen Transport to Tissue XXX Vol. 645 Advances in Experimental Medicine and Biology. Liss, P., Hansell, P., Bruley, D. F., Harrison, D. K. , Springer. New York, NY. 307-314 (2009).
  7. Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage. 85 (Part 1), 6-27 (2014).
  8. Saager, R., Berger, A. Measurement of layer-like hemodynamic trends in scalp and cortex: implications for physiological baseline suppression in functional near-infrared spectroscopy). Journal Of Biomedical Optics. 13 (3), 034017-034017 (2008).
  9. Takahashi, T., et al. Influence of skin blood flow on near-infrared spectroscopy signals measured on the forehead during a verbal fluency task. Neuroimage. 57, 991-1002 (2011).
  10. Ono, Y., et al. Frontotemporal oxyhemoglobin dynamics predict performance accuracy of dance simulation gameplay: Temporal characteristics of top-down and bottom-up cortical activities. NeuroImage. 85, 461-470 (2014).
  11. Tachibana, A., Noah, J. A., Bronner, S., Ono, Y., Onozuka, M. Parietal and temporal activity during a multimodal dance video game: an fNIRS study. Neuroscience Letters. 503 (2), 125-130 (2011).
  12. Annual Society for Neuroscience Conference. Noah, J., Tachibana, A., Bronner, S. 2010 Nov 13-17, San Diego, CA, , (2010).
  13. Maldjian, J. A., Laurienti, P. J., Burdette, J. H. Precentral gyrus discrepancy in electronic versions of the Talairach atlas. Neuroimage. 21, 450-455 (2004).
  14. Maldjian, J. A., Laurienti, P. J., Kraft, R. A., Burdette, J. H. An automated method for neuroanatomic and cytoarchitectonic atlas-based interrogation of fMRI data sets. Neuroimage. 19, 1233-1239 (2003).
  15. Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Ten percent electrode system for topographic studies of spontaneous and evoked EEG activity. Am J EEG Technol. 25, 83-92 (1985).
  16. Okamoto, M., Dan, I. Automated cortical projection of head-surface locations for transcranial functional brain mapping. Neuroimage. 26, 18-28 (2005).
  17. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44, 428-447 (2009).
  18. Cope, M., Delpy, D. System for long-term measurement of cerebral blood and tissue oxygenation on newborn infants by near infra-red transillumination. Medical and Biological Engineering and Computing. 26 (3), 289-294 (1988).
  19. Savitzky, A., Golay, M. J. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Analytical Chemistry. 36 (8), 1627-1639 (1964).
  20. Okamoto, M., et al. Multimodal assessment of cortical activation during apple peeling by NIRS and fMRI. NeuroImage. 21, 1275-1288 (2004).
  21. Suzuki, M., et al. Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study. Neuroimage. 23, 1020-1026 (2004).
  22. Boas, D. A., Elwell, C. E., Ferrari, M., Taga, G. Twenty years of functional near-infrared spectroscopy: introduction for the special issue. NeuroImage. 85, 1-5 (2014).
  23. Holtzer, R., et al. fNIRS study of walking and walking while talking in young and old individuals. The Journals of Gerontology Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 66 (8), 879-887 (2011).
  24. Suzuki, M., Miyai, I., Ono, T., Kubota, K. Activities in the frontal cortex and gait performance are modulated by preparation. An fNIRS study. Neuroimage. 39, 600-607 (2008).
  25. Shimada, S., Hiraki, K., Oda, I. The parietal role in the sense of self-ownership with temporal discrepancy between visual and proprioceptive feedbacks. Neuroimage. 24, 1225-1232 (2005).
  26. Matsuda, G., Hiraki, K. Sustained decrease in oxygenated hemoglobin during video games in the dorsal prefrontal cortex: a NIRS study of children. Neuroimage. 29, 706-711 (2006).
  27. Gregg, N. M., White, B. R., Zeff, B. W., Berger, A. J., Culver, J. P. Brain specificity of diffuse optical imaging: improvements from superficial signal regression and tomography. Frontiers in Neuroenergetics. 2, 14(2010).
  28. Kirilina, E., et al. The physiological origin of task-evoked systemic artefacts in functional near infrared spectroscopy. Neuroimage. 61, 70-81 (2012).
  29. Strangman, G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. Factors affecting the accuracy of near-infrared spectroscopy concentration calculations for focal changes in oxygenation parameters. NeuroImage. 18, 865-879 (2003).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

100 fNIRS frontopolar

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved