Financiamento para este trabalho foi fornecida em parte pelo Estado da Pensilvânia # 4100037709 # 240468 subcontratação e da Universidade de Drexel subcontratar # 280773.

Maze Suite-consiste em três aplicações principais: um programa de edição para construir ambientes de labirinto (MazeMaker), um módulo de visualização / renderização (MazeWalker) e, finalmente, uma análise e uma ferramenta de caminho de visualização (MazeAnalyzer). As seções seguintes descrevem o uso de MazeSuite e mais detalhes estão disponíveis em três vídeos complementares, um para cada módulo MazeSuite. 1. Labirintos projetar A aplicação MazeMaker dentro Maze Suite-, permite a criação de três dimensões (3D) ambientes, simplesmente desenhando-os em uma tela bidimensional (2D) de ver um dos pássaros olho. Paredes e pisos podem ser tiradas por cliques do mouse para indicar as coordenadas, e os usuários podem importar arquivos objeto 3D ou editar propriedades de itens dentro do labirinto, tais como posição, orientação, cor, textura e luzes. Regiões começam labirinto e no final pode ser atribuído, além de outros critérios de saída, como um período de tempo. Mensagens de texto em separado também podem ser exibidos para informar um participante para cada condição de saída. Durante a fase de design, labirintos podem ser testados usando a função &quot;corrida rápida&quot; dentro MazeMaker. Para estudos de imagem funcional, os participantes são geralmente convidados a executar uma série de tarefas com ensaios repetidos. Para facilitar este teste de ensaios repetidos, MazeMaker pode criar arquivos de labirinto lista, que são classificados listas de labirintos e mensagens de texto para uma sessão experimental. É fundamental que o arquivo da lista labirinto para o experimento é preparado e bem-piloto testado antes do dia do experimento. Um tutorial superficial para o uso e desenvolvimento de ambientes com MazeMaker é fornecido em &#39;Suplementar vídeo II - MazeMaker&#39;. 2. Setup fNIR e colocar o sensor de fNIR-pad Preparar o Box fNIR <ol><li> Existem dois conectores do cabo atrás da caixa fNIR. Um dos slots é para conexão USB ea conexão outro é para o cabo de alimentação. </li><li> Conecte o caixa do dispositivo fNIR através do cabo USB a um PC ou laptop que será utilizado para aquisição de dados. </li><li> Conecte o adaptador de energia para o dispositivo e ligue o interruptor. </li><li> O cabo de fita é usada para conectar o pad sensor com a caixa fNIR. <ol class="lalpha"><li> O sensor pad fonte de luz casas (LEDs) e detectores de fotos. </li><li> Os LEDs emitem luz infravermelha em comprimentos de onda 730nm e 850nm que são absorvidos principalmente por desoxigenado e oxigenado-hemoglobina, respectivamente e, portanto, podem penetrar através do tecido biológico. </li></ol></li></ol> Colocar o Sensor-pad <ol class="lalpha"><li> Peça ao participante para levantar seu cabelo fora da testa antes da colocação do sensor. Colocar a tira de sensor logo acima das sobrancelhas. Coincidir com o centro do sensor com o eixo vertical de simetria que passa também pelo nariz </li><li> Pressione a tecla do sensor de firmeza contra a testa e usar um clipe para prender os cabos junto à parte de trás da cabeça. Embora não seja estritamente necessário, cabeça-wrap ou bandana de tênis é recomendado para proteger o bloco de sensor. </li><li> Ao colocar o bloco sensor na testa, prenda as duas extremidades do cabo de fita para a caixa de fNIR. Os cabos de fita deve ser presa por correspondência o &quot;eu&quot; e os lados &quot;II&quot; do cabo de fita com o correspondente &#39;I&#39; e &#39;II&#39; conectores no dispositivo. </li></ol> Iniciando o Software Studio COBI para coleta de dados <ol><li> Clique no Cognitiva Cérebro Optical Imaging (COBI) Studio13 ícone no desktop para abrir a janela principal. </li><li> O programa virá com certas configurações pré-definidos para a recolha de dados e visualização. </li><li> É importante verificar e confirmar os parâmetros de aquisição de dados e acionamento (sincronização marcador) na caixa de diálogo Configurações do dispositivo, se necessário. </li><li> COBI Studio pode nomear automaticamente todos os arquivos de dados se o &quot;Modo Experiment&quot; é ativado, usando o &quot;New Experiment&quot; assistente. </li><li> Na pasta de dados, 3 tipos de arquivos serão criados: (*. nir) para dados fNIR, (*. MRK) para dados marcador e (*. txt) de um log da sessão experimento. </li></ol> 3. Execução do experimento: Prestação dos labirintos Dispositivo de partida e de aquisição de dados fNIR <ol><li> Atual Unidade LED define quão brilhante brilha cada LED. O valor padrão para atual Unidade LED é 20mA. Este valor pode ter que mudar com base na pigmentação da pele e outras características do participante. Intervalo sugerido para o atual LED está entre 5 mA a 20 mA </li><li> O valor padrão para ganho inicial para todos os canais é de 20. Valores sugeridos para ganho são 1,5,10,15,20. </li><li> Clique no link &quot;Iniciar dispositivo atual&quot;, e examinar a qualidade do sinal. Se os valores de intensidade primas mostrado na abordagem COBI 4000 ou estão abaixo de 1000, clique em &quot;Dispositivo Stop &#39;, e ajustar a unidade de LED atual e DispositivoGanho até valores adequados são obtidos. Em circunstâncias de sinal baixo, aumente Unidade LED atual antes de Ganho de dispositivos cada vez maior. Em circunstâncias sinal saturado reduzir o ganho do dispositivo antes de reduzir a atual unidade LED. Uma vez que a qualidade do sinal é aceitável, continue para a Etapa 4. </li><li> Iniciar Linha de Base. Isto irá recolher 10 segundos de dados e usá-lo como base em uma equação modificada Beer-Lambert set para calcular as mudanças de concentração para oxi e desoxi-hemoglobina 8. </li><li> Deixe a linha de base completo (pode levar de 10-20 segundos) </li><li> &quot;Comece a gravar &#39;clique. Isso vai começar a salvar todos os dados. Protocolo de experimento deve começar depois disso. </li><li> Experimentador pode optar por adicionar marcadores manuais durante toda a sessão experimental para designar determinados eventos, pressionando os botões de &quot;marcador manual de adicionar &#39;usando o menu marcador manual localizado no canto inferior esquerdo da tela. </li><li> Iniciar a Suite Maze apresentar estímulos visuais. </li></ol> Usando MazeWalker para tornar labirintos <ol><li> Executar MazeWalker a partir do menu Iniciar em&gt; Suite Maze&gt; MazeWalker </li><li> Ativar a sincronização marcador selecionando &#39;Ativar Porta Serial &quot;do no menu em Avançado&gt; Opções de porta serial. Garantir que o endereço da porta COM correta está selecionada. </li><li> Selecione o arquivo da lista de labirinto (que foi criado por MazeMaker), e também selecionar o nome para o novo arquivo de log para essa sessão. Nome ou número de participantes pode ser gravado dentro de campo andador. Opcionalmente, o autolog pode ser usado para gravar automaticamente para um arquivo de log com carimbo de tempo ao invés de especificar manualmente o arquivo de log. </li><li> Clique em &#39;Start&#39; para iniciar o processo. Dependendo das configurações de vídeo, o protocolo pode ser executado em tela cheia ou em modo janela. </li></ol> 4. Visualizando caminho do sujeito Usando MazeAnalyzer, o pesquisador pode visualizar o labirinto eo caminho do participante do labirinto e arquivos de log. Além disso, um relatório de síntese, incluindo comprimento total do caminho eo tempo para conclusão do labirinto cada são produzidos como superficial medidas comportamentais. Arquivos de log contêm informações em milissegundos resolução de tempo sobre o caminho que um sujeito viajado, bem como vector sujeito ver e interações com os objetos. Um vídeo tutorial é fornecido em &#39;Suplementar de vídeo I - MazeAnalyzer &quot;e descreve o uso de funcionalidades básicas MazeAnalyzer junto com métodos para produzir as métricas comportamentais descritos na seção de resultados. 5. Processamento dos dados e análise fNIR Remoção de ruído é o primeiro passo para o processamento dos dados. Fontes de ruído incluem: 1) Movimento Cabeça 2) sinais fisiológicos, como freqüência cardíaca e respiração e 3 Instrumento) e relacionadas com o ambiente de ruído. O movimento da cabeça pode causar os detectores fNIR a mudar e perder o contato com a pele, expondo-os: a luz ambiente 1), 2) a luz emitida diretamente das fontes fNIR; ou 3) a luz refletida da pele, ao invés de ser refletido a partir do tecido no córtex. Este tipo de artefato de movimento é facilmente identificável porque provoca repentina, grandes picos nos dados fNIR. Um artefato mais sutis de movimento da cabeça é devido aos efeitos da gravidade sobre o sangue cerebral. O movimento da cabeça rápida pode causar o sangue para se mover em direção (ou longe) a área que está sendo monitorado, aumentando rapidamente (ou diminuição) do volume sanguíneo com uma inclinação concomitante dos dados. Dado que a dinâmica deste tipo de artefato de movimento são mais lentos que LED &quot;pop&quot; podem ser confundidas com a verdadeira resposta hemodinâmica devido à ativação do cérebro. Assim, a remoção de artefatos de movimento a partir de dados fNIR é um passo importante e necessário se fNIR deve ser implementado como uma tecnologia de monitorização cerebral em ambientes naturais 16. Sinais fisiológicos, como freqüência cardíaca (acima de 0,5 Hz) e respiração (mais de 0,2 Hz) estão em faixas de freqüência maior do que as respostas hemodinâmicas, assim, eles podem ser eliminados usando um linear fase filtro passa-baixa FIR com a freqüência de corte entre 0,1 a 0,15 Hz 9. Instrumento e ruído ambiental pode ter origem devido à luz ambiente, como luz do dia (DC) e da luz ambiente (60Hz) ou a luz de um monitor de computador (60-75Hz). Sugere-se que a melhor maneira de eliminar este tipo de ruído é preparar o ambiente experimental e aquisição de dados em conformidade. Um passe analógico baixo do filtro (filtro anti-aliasing) foi implementado na caixa fNIR para eliminar dobrar de ruído de alta freqüência de amostragem em faixa de freqüência. Existem vários algoritmos de redução de ruído avançada disponíveis que utilizam diferentes características do sinal 17-20. No entanto, se um assunto ou sessão pode ser excluída se os dados é irrecuperável (isto é saturada). <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig1.jpg" /> Figura 1. </strong&gt; fNIR componentes de sinal Os sinais fNIR-primas são medições de intensidade de luz (veja a Figura 1). Ao medir a densidade óptica (OD) mudanças em dois comprimentos de onda, a variação relativa de oxi-Hb e desoxi-Hb versus tempo pode ser obtida usando o modificado Beer-Lambert Lei 21-23. OD no comprimento de onda de entrada específico (λ) é a razão logarítmica da intensidade da luz de entrada (I in) e saída (detectado) a intensidade da luz (I out). OD também está relacionado com a concentração (c) e coeficiente de extinção (e) de cromóforos, a distância corrigida (d) entre a fonte de luz e detector, além de um fator de atenuação constante (G). <img src="/files/ftp_upload/3443/3443eq1.jpg" alt="Equação 1" /> Eu tendo a mesma em dois momentos diferentes do tempo e intensidade de luz detectada durante a linha de base (resto eu) e durante a execução da tarefa (teste I), a diferença no comprimento de onda λ de OD é <img src="/files/ftp_upload/3443/3443eq2.jpg" alt="Equação 2" /> Medir o OD em dois diferentes comprimentos de onda dá <img src="/files/ftp_upload/3443/3443eq3.jpg" alt="Equação 3" /> Este conjunto de equações pode ser resolvido para as concentrações se a matriz 2x2 é não-singular. Tipicamente, os dois comprimentos de onda são escolhidos i) no prazo de 700-900nm, onde a absorção de oxi-Hb e desoxi-Hb são dominantes em relação aos cromóforos outros tecidos, e ii) abaixo e acima do ponto de isosbestic (~ 805nm, onde espectros de absorção de desoxi - e oxi-Hb cruzam) para focar as mudanças na absorção para qualquer desoxi-Hb ou oxi-Hb, respectivamente. O instrumento fNIR utilizados neste estudo emprega comprimentos de onda 730nm e 850nm. Finalmente, usando os marcadores (sinais de sincronização de tempo), os períodos de início / descansar e as tarefas são rotulados e selecionar os recursos a partir de dados de oxigenação são extraídos como min dizer, e os valores max. COBI Studio salva ambas as medições de luz crua intensidade e valores oxigenação calculado (usando uma versão modificada de cerveja lambert lei) para arquivos de texto com base, bem como a sincronização de tempo (marcador) arquivos. COBI Studio pode também ser usado para aplicar métodos de remoção de ruído, como resposta ao impulso finita low-pass ou band-pass filtros. Arquivos de saída podem ser exportados para o software de análise comuns, tais como (Matlab, Excel, SPSS e SPM) ou software de análise dedicada, como fnirSoft 24 para processamento posterior. 6. Resultados representante Sinal Exemplos fNIR Figuras 2-5 sinais fNIR pré-primas a partir de um local de medição única, com dois componentes de comprimento de onda (730nm e 850nm) apresentados separadamente. A Figura 2 representa uma época sinal válido e aceitável enquanto que a Figura 3 e 4 são inaceitáveis ​​e precisa ser descartado. A Figura 5 apresenta sinal bruto, que foi contaminado com artefato de movimento e precisa ser limpo ou descartado. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig2.jpg" alt="Figura 2" /> Figura 2. FNIR Um bom exemplo de sinal bruto <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig3.jpg" alt="Figura 3" /> Figura 3. FNIR Um mau exemplo de sinal bruto em canal de 850nm está saturado. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig4.jpg" alt="Figura 4" /> Figura 4. FNIR Um mau exemplo de sinal bruto, onde há problema de hardware ou problema de conectividade por cabo. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig5.jpg" alt="Figura 5" /> Figura 5. Um mau sinal bruto fNIR amostra onde existem artefatos de movimento. Protocolo de estudo Avaliações de aprendizagem são mais bem exemplificado pela retenção (ie, memória) e (ie, generalização) transferência de testes. Em nosso estudo, três labirintos (maze1, maze2 e maze3) eram praticados durante a fase de aquisição para um total de 105 ensaios em cada três dias. As duas condições; ordem prática aleatória (RND) e ordem prática bloqueado (BLK) estão resumidos na Figura 6. Dois assuntos como voluntários para o estudo de quatro dias. No 4 º dia, 10 ensaios de retenção foram conduzidos para cada labirinto e os labirintos foram apresentados em uma ordem aleatória. Dois labirintos romance (maze4 e maze5) foram criados corredores que tinham adicionais e diferentes pontos de início e fim do que os labirintos originalmente praticada. Indivíduos completaram dez ensaios para cada um dos dois novos labirintos. Estes labirintos constituíam uma fase de transferência, e foram apresentados em uma ordem aleatória para todos. Os labirintos fase de transferência foram usados ​​para determinar a extensão em que cada sujeito foi capaz de generalizar a sua aprendizagem e prática com labirintos de aquisição. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig6.jpg" alt="Figura 6" /> Figura 6. Esboço de protocolo Representante experimento. &lt;/ P&gt; Resultados do Estudo do Comportamento As figuras a seguir 7 a 9, exibir valores funcionalidade média (comprimento do caminho, o tempo total de conclusão, e velocidade) de indivíduos ao longo de cada dia. Em primeiro lugar, os resultados de maze1, maze2 e maze3 estão listadas tanto para RND e prática BLK. Em seguida, maze4 e maze5 resultados estão listados para comparar os resultados prática aleatória contra bloqueado. Todas as barras de erro são de erro padrão da média (SEM). <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig7.jpg" alt="Figura 7" /> Figura 7. RND prática resumo do desempenho comportamental para aquisição e retenção de tarefas, incluindo comprimento total do caminho, o tempo total de conclusão e velocidade média. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig8.jpg" alt="Figura 8" /> Figura 8. Prática BLK resumo do desempenho comportamental para aquisição e retenção de tarefas, incluindo comprimento total do caminho, o tempo total de conclusão e velocidade média. <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig9.jpg" alt="Figura 9" /> Figura 9. Comparação de desempenho comportamental de BLK vs RND prática para tarefas de transferência incluindo o comprimento total do caminho, o tempo total de conclusão e velocidade média. FNIR Resultados do Estudo Mudanças hemoglobina oxigenada de concentração da linha de base foram calculados sobre o curso de tempo de cada indivíduo labirinto usando dados marcador recebido MazeWalker (indica o início e final de cada labirinto). Mudanças maior concentração magnitude são tomadas para representar os níveis mais elevados de ativação cerebral regional. Um maior nível de ativação foi observada durante as tarefas tanto de retenção e transferência para a prática BLK comparação com RND prática. Durante as tarefas de transferência, um maior nível de ativação foi visto em prática BLK, em comparação com a prática RND (Veja figura 10). Para o sujeito praticar BLK, ensaios de transferência necessária maior ativação em relação aos ensaios de retenção. Para o sujeito praticar RND, nível de activação não diferiram para tarefas de transferência e retenção em oposição à prática sujeita BLK (Veja figura 11). <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig10.jpg" alt="Figura 10" /> Figura 10. Comparação da variação média oxi-Hb de concentração para BLK vs RND prática para ambas as tarefas de retenção (esquerda) e tarefas de transferência (à direita). <img src="/files/ftp_upload/3443/3443fig11.jpg" alt="Figura 11" /> Figura 11. Comparação da variação média oxi-Hb de concentração para a retenção versus transferir tarefas para os BLK (esquerda) e RND prática (à direita).

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Dispositivos fNIR, LLC fabrica o instrumento de imageamento óptico cérebro e IP licenciados e know-how da Drexel University. H. Ayaz, M. Izzetoglu, K. e B. Izzetoglu Onaral estavam envolvidos no desenvolvimento de tecnologia e, assim, ofereceu uma participação minoritária na nova empresa de dispositivos de inicialização fNIR, LLC.

O córtex pré-frontal (PFC) no cérebro humano facilita o controle cognitivo sobre a coordenação dos pensamentos e ações em relação às metas internas. Em particular, o PFC anterior / dorsolateral é conhecida por mediar funções cognitivas superiores, tais como gerenciamento de tarefas, planejamento e navegação espacial 25. fNIR é um portátil, ferramenta de monitoramento seguro e não invasivo do cérebro que tem sido utilizado em ambientes clínicos, laboratoriais e naturais para estudar a ativação cerebral. Este estudo exploratório demonstraram o uso de Suite Maze e fNIR para estudar aspectos neurocomportamentais da navegação espacial. Neste estudo exploratório, a plataforma MazeSuite é usado em conjunto com fNIR para estudar os aspectos neurocomportamentais de navegação espacial no PFC dorsolateral e demonstrar a combinação dessas duas ferramentas. MazeSuite é uma plataforma de apresentação de projeto e análise experimental. Ele permite a criação e aplicação de simples ambientes 3D com uma interface gráfica amigável e registra automaticamente as medidas comportamentais para dentro de assunto ou em comparações assunto. Durante a apresentação dos ambientes MazeSuite, simultânea sincronizado fNIR medições foram feitas usando um comercialmente disponível, portátil, sistema fNIR onda contínua (Imager 1000, Dispositivos fNIR, LLC) e COBI software Studio 15. fNIR anteriormente foi estabelecida como uma ferramenta de monitoramento seguro e eficaz em ambientes não-invasivos do cérebro clínicos, laboratoriais e naturais para o estudo da ativação cerebral 7,11 e é usado neste estudo para investigar as respostas cognitivas associadas com a interferência contextual durante tarefas de navegação espacial. Para examinar os efeitos de interferência prática ordem contextual, os indivíduos foram presenteados com um baixo ou interferência (BLK) ou interferência de alta (RND) ordem prática. Estes esquemas prática distintos foram utilizados para testar o efeito de aprendizagem múltiplas tarefas virtuais labirinto espacial navegação entre testes aquisição, retenção e transferência. Os resultados comportamentais indicam que, para as ordens de prática, há uma tendência monótona decrescente no tempo total necessário para completar labirinto, sugerindo que temas como a prática, eles completaram cada labirinto em curtos períodos de tempo. Além disso, a velocidade média com que os sujeitos navegou o labirinto (velocidade labirinto) aumentou com a prática. Estas melhorias em medidas comportamentais ao longo do tempo são esperados inferências de aprendizagem. Significa mudanças oxi-Hb concentração durante provas práticas indicam que a prática BLK requerida maior ativação cerebral quando comparado com RND ordem prática. RND prática resultou em menor tempo de conclusão e comprimentos de caminho mais curto quando comparado com a ordem prática BLK para a retenção e transferência, respectivamente. A tendência decrescente observada na média oxi-Hb para BLK e RND práticas em toda a retenção de ensaios, indicando atividade reduzida no PFC. Este achado é esperado como pesquisas anteriores sugerem que há uma redução na atividade do PFC durante os últimos estágios de aprendizagem 12,26. Além disso, a navegação em labirintos novos durante a fase de transferência necessária maior ativação do cérebro para BLK prática sujeita prática em comparação com RND assunto. Dado que a ordem prática foi diferente para as tarefas já aprendeu (ie, maze1, maze2 e maze3), nesta ordem prática aleatória estratificada para o sujeito que aprendeu as tarefas em uma ordem (BLK prática) seqüencial pode ter sido suficientemente diferentes para requerer esforço adicional e recursos cognitivos para realizar as tarefas 12,26. No entanto, para a prática RND, a fase de transferência da ativação neural não foi maior do que a fase de retenção. Estes achados corroboram os resultados de PET com navegação espacial dos labirintos virtuais relatado por Van Horn e seus colegas 12. Em resumo, descrevemos o uso de MazeSuite em combinação com COBI Studio para um estudo sobre os efeitos da interferência contextual relacionados à prática ordem quando aprendizado espacial tarefas de navegação. Os métodos fNIR discutido aqui não se limitam a tarefas de navegação espacial e pode ser usado para uma variedade de tarefas em outros estudos de neuroimagem. Design, implementação de aquisição de dados e análise fases do estudo foram explicados com a intenção de fornecer uma orientação para futuros estudos.

<ul><li> Maze Suíte www.mazesuite.com </li><li> fNIR Imager 1000 www.fnirdevices.com </li></ul>

using mazesuite and functional near infrared spectroscopy to study learning in spatial navigation

MazeSuite é um conjunto de ferramentas completo para se preparar, apresentar e analisar experiências de navegação e espacial 1. MazeSuite pode ser usado para projetar e editar adaptados ambientes virtuais 3D, pista de desempenho de um dos participantes de comportamento dentro do ambiente virtual e sincronizar com dispositivos externos de medidas fisiológicas e de neuroimagem, incluindo eletroencefalograma e rastreamento de olho. Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIR) é uma técnica de imagem óptico cérebro que permite o monitoramento contínuo, não-invasivo, portátil e de mudanças na oxigenação do sangue cerebral relacionadas com as funções do cérebro humano 2-7. Ao longo dos fNIR última década é usado para controlar eficazmente as tarefas cognitivas como atenção, memória de trabalho e resolução de problemas 7-11. fNIR pode ser implementado na forma de um dispositivo wearable e minimamente invasivo, tem a capacidade de monitorar a atividade cerebral em ambientes ecologicamente válido. Funções cognitivas avaliadas por meio do desempenho de tarefas envolvem padrões de ativação cerebral no córtex pré-frontal (PFC) que variam de o desempenho inicial romance tarefa, depois do treino e durante a retenção de 12. Utilizando tomografia por emissão de pósitrons (PET), Van Horn e seus colegas descobriram que o fluxo sanguíneo cerebral regional foi ativado no lobo frontal direito durante a codificação (ie, o desempenho ingênua inicial) da navegação espacial dos labirintos virtual enquanto houve pouca ou nenhuma ativação do regiões frontal depois do treino e durante os testes de retenção. Além disso, os efeitos da interferência contextual, um fenômeno de aprendizagem relacionadas com a organização da prática, são evidentes quando os indivíduos adquirem múltiplas tarefas em horários diferentes práticas 13,14. Alta interferência contextual (rotina de treino aleatório) é criado quando as tarefas a serem aprendidas são apresentados em uma ordem não seqüencial, imprevisível. Interferência contextual baixa (rotina de treino bloqueado) é criado quando as tarefas a serem aprendidas são apresentados em uma ordem previsível. Nosso objetivo aqui é dupla: primeiro a ilustrar o processo de design experimental protocolo eo uso de MazeSuite e, segundo, para demonstrar a instalação e implantação do sistema de monitoramento fNIR atividade cerebral usando Cognitiva Cérebro Optical Imaging (COBI) Studio software 15. Para ilustrar os nossos objectivos, uma subamostra de um estudo é relatado para mostrar a utilização de ambos MazeSuite e Studio COBI em um único experimento. O estudo envolve a avaliação da atividade cognitiva do PFC durante a aquisição e aprendizagem de tarefas labirinto computador para pedidos bloqueados e aleatório. Dois destros adultos (um macho e uma fêmea) realizaram 315 aquisição, retenção de 30 e 20 ensaios de transferência em quatro dias. Design, implementação de aquisição de dados e análise fases do estudo foram explicados com a intenção de fornecer uma orientação para futuros estudos.

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Using MazeSuite and Functional Near Infrared Spectroscopy to Study Learning in Spatial Navigation

MazeSuite é um conjunto de ferramentas completo para se preparar, apresentar e analisar experiências de navegação e espacial. Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIR) é uma técnica de imagem óptico cérebro que possibilita o monitoramento não-invasivo e portátil de mudanças oxigenação cerebral sangue. Este artigo resume o uso coletivo de MazeSuite e fNIR dentro de um paradigma processamento cognitivo de aprendizagem.

Usando MazeSuite e Funcional espectroscopia no infravermelho próximo para o Estudo Aprendizagem em navegação espacial

MazeSuite is a complete toolset to prepare, present and analyze navigational and spatial experiments1. MazeSuite can be used to design and edit adapted ...

using-mazesuite-functional-near-infrared-spectroscopy-to-study

Research

JoVE Journal

Neuroscience

30.3K visualizações.  Drexel University. MazeSuite é um conjunto de ferramentas completo para se preparar, apresentar e analisar experiências de navegação e espacial. Espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIR) é uma técnica de imagem óptico cérebro que possibilita o monitoramento não-invasivo e portátil de mudanças oxigenação cerebral sangue. Este artigo resume o uso coletivo de MazeSuite e fNIR dentro de um paradigma processamento cognitivo de aprendizagem.

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Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

Neuroimagem Funcional Usando rompimento da barreira hemato-encefálica ultra-sônico e Manganês-RM

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Neurociência

Immunohistochemical Visualization of Hippocampal Neuron Activity After Spatial Learning in a Mouse Model of Neurodevelopmental Disorders

Induction of phosphorylated extracellular-regulated kinase (pERK) is a reliable molecular readout of learning-dependent neuronal activation. Here, we describe a pERK immunohistochemistry protocol to study the profile of hippocampal neuron activation following exposure to a spatial learning task in a mouse model characterized by cognitive deficits of neurodevelopmental origin. Specifically, we used pERK immunostaining to study neuronal activation following Morris water maze (MWM, a classical hippocampal-dependent learning task) in Engrailed-2 knockout (En2-/-) mice, a model of autism spectrum disorders (ASD). As compared to wild-type (WT) controls, En2-/- mice showed significant spatial learning deficits in the MWM. After MWM, significant differences in the number of pERK-positive neurons were detected in specific hippocampal subfields of En2-/- mice, as compared to WT animals. Thus, our protocol can robustly detect differences in pERK-positive neurons associated to hippocampal-dependent learning impairment in a mouse model of ASD. More generally, our protocol can be applied to investigate the profile of hippocampal neuron activation in both genetic or pharmacological mouse models characterized by cognitive deficits.

We describe an immunohistochemistry protocol to study the profile of hippocampal neuron activation following exposure to a spatial learning task in a mouse model characterized by cognitive deficits of neurodevelopmental origin. This protocol can be applied to both genetic or pharmacological mouse models characterized by cognitive deficits.

A visualização imuno-histoquímica de Hippocampal Neuron Atividade Após Spatial Aprendizagem em um rato modelo de desordens do desenvolvimento neurológico

Induction of phosphorylated extracellular-regulated kinase (pERK) is a reliable molecular readout of learning-dependent neuronal activation. Here, we ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method described here enables the investigator to measure long-lasting (from minutes to hours) high-quality intracellular responses from single Drosophila R1-R6 photoreceptors and Large Monopolar Cells (LMCs) to light stimuli. Because the recording system has low noise, it can be used to study variability among individual cells in the fly eye, and how their outputs reflect the physical properties of the visual environment. We outline all key steps in performing this technique. The basic steps in constructing an appropriate electrophysiology set-up for recording, such as design and selection of the experimental equipment are described. We also explain how to prepare for recording by making appropriate (sharp) recording and (blunt) reference electrodes. Details are given on how to fix an intact fly in a bespoke fly-holder, prepare a small window in its eye and insert a recording electrode through this hole with minimal damage. We explain how to localize the center of a cell's receptive field, dark- or light-adapt the studied cell, and to record its voltage responses to dynamic light stimuli. Finally, we describe the criteria for stable normal recordings, show characteristic high-quality voltage responses of individual cells to different light stimuli, and briefly define how to quantify their signaling performance. Many aspects of the method are technically challenging and require practice and patience to master. But once learned and optimized for the investigator's experimental objectives, it grants outstanding in vivo neurophysiological data.

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Sharp microelectrodes enable accurate electrophysiological characterization of photoreceptor and visual interneuron output in living Drosophila. Here we show how to use this method to record high-quality voltage responses of individual cells to controlled light stimulation. This method is ideal for studying neural information processing in insect compound eyes.

Método eletrofisiológico para respostas gravação intracelular de tensão<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotorreceptores e Interneurônios à luz Estímulos<em&gt; In Vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Assessing Spatial Learning and Memory in Small Squamate Reptiles

Clinical research has leveraged a variety of paradigms to assess cognitive decline, commonly targeting spatial learning and memory abilities. However, interest in the cognitive processes of nonmodel species, typically within an ecological context, has also become an emerging field of study. In particular, interest in the cognitive processes in reptiles is growing although experimental studies on reptilian cognition are sparse. The few reptilian studies that have experimentally tested for spatial learning and memory have used rodent paradigms modified for use in reptiles. However, ecologically important aspects of the physiology and behavior of this taxonomic group must be taken into account when testing for spatially based cognition. Here, we describe modifications of the dry land Barnes maze and associated testing protocol that can improve performance when probing for spatial learning and memory ability in small squamate reptiles. The described paradigm and procedures were successfully used with male side-blotched lizards (Uta stansburiana), demonstrating that spatial learning and memory can be assessed in this taxonomic group with an ecologically relevant apparatus and protocol.

This paper describes a modification of the Barnes maze, a standard rodent paradigm used to assess spatial memory and learning, for use in small squamate reptiles.

Avaliando a aprendizagem espacial e memória em pequenas Squamata Répteis

Clinical research has leveraged a variety of paradigms to assess cognitive decline, commonly targeting spatial learning and memory abilities. However, ...

Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa

Portable neuroimaging approaches provide new advances to the study of brain function and brain development with previously inaccessible populations and in remote locations. This paper shows the development of field functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) imaging to the study of child language, reading, and cognitive development in a rural village setting of C&#244;te d&#39;Ivoire. Innovation in methods and the development of culturally appropriate neuroimaging protocols allow&#160;a first-time look into the brain&#39;s development and children&#39;s learning outcomes in understudied environments. This paper demonstrates protocols for transporting and setting up a mobile laboratory, discusses considerations for field versus laboratory neuroimaging, and presents a guide for developing neuroimaging consent procedures and building meaningful long-term collaborations with local government and science partners. Portable neuroimaging methods can be used to study complex child development contexts, including the impact of significant poverty and adversity on brain development. The protocol presented here has been developed for use in C&#244;te d&#39;Ivoire, the world&#39;s primary source of cocoa, and where reports of child labor in the cocoa sector are common. Yet, little is known about the impact of child labor on brain development and learning. Field neuroimaging methods have the potential to yield new insights into such urgent issues, and the development of children globally.

Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy NIRS Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa

Portable neuroimaging approaches (functional Near Infrared Spectroscopy) provide advances to the study of the brain in previously inaccessible regions; here, rural C&#244;te d&#39;Ivoire. Innovation in methods and development of culturally-appropriate neuroimaging protocols permits novel study of the brain&#39;s development and children&#39;s learning outcomes in environments with significant poverty and adversity.

Métodos de neuro-imagem campo usando funcional perto de neuroimagem de espectroscopia de infravermelho (NIR) para estudar o Desenvolvimento Global da criança: Rural África subsahariana

Portable neuroimaging approaches provide new advances to the study of brain function and brain development with previously inaccessible populations and in ...

Conducting Hyperscanning Experiments with Functional Near-Infrared Spectroscopy

Concurrent brain recordings of two or more interacting persons, an approach termed hyperscanning, are gaining increasing importance for our understanding of the neurobiological underpinnings of social interactions, and possibly interpersonal relationships. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is well suited for conducting hyperscanning experiments because it measures local hemodynamic effects with a high sampling rate and, importantly, it can be applied in natural settings, not requiring strict motion restrictions. In this article, we present a protocol for conducting fNIRS hyperscanning experiments with parent-child dyads and for analyzing brain-to-brain synchrony. Furthermore, we discuss critical issues and future directions, regarding the experimental design, spatial registration of the fNIRS channels, physiological influences and data analysis methods. The described protocol is not specific to parent-child dyads, but can be applied to a variety of different dyadic constellations, such as adult strangers, romantic partners or siblings. To conclude, fNIRS hyperscanning has the potential to yield new insights into the dynamics of the ongoing social interaction, which possibly go beyond what can be studied by examining the activities of individual brains.

The present protocol describes how to conduct fNIRS hyperscanning experiments and analyze brain-to-brain synchrony. Further, we discuss challenges and possible solutions.

Hyperscanning experimentos com espectroscopia de infravermelho próximo funcional

Concurrent brain recordings of two or more interacting persons, an approach termed hyperscanning, are gaining increasing importance for our understanding ...

Using Near-infrared Fluorescence and High-resolution Scanning to Measure Protein Expression in the Rodent Brain

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study of neuroscience as cellular function is determined by the composition and activity of cellular proteins. In this article, we describe how immunocytochemistry can be combined with near-infrared high-resolution scanning to provide a semi-quantitative measure of protein expression in distinct brain regions. This technique can be used for single or double protein expression in the same brain region. Measuring proteins in this fashion can be used to obtain a relative change in protein expression with an experimental manipulation, molecular signature of learning and memory, activity in molecular pathways, and neural activity in multiple brain regions. Using the correct proteins and statistical analysis, functional connectivity among brain regions can be determined as well. Given the ease of implementing immunocytochemistry in a laboratory, using immunocytochemistry with near-infrared high-resolution scanning can expand the ability of the neuroscientist to examine neurobiological processes at a systems level.

Here, we present a protocol that uses near-infrared dyes in conjunction with immunohistochemistry and high-resolution scanning to assay proteins in brain regions.

Usando a fluorescência near-infrared e a exploração de alta resolução para medir a expressão da proteína no cérebro do roedor

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study ...

Conducting Concurrent Electroencephalography and Functional Near-Infrared Spectroscopy Recordings with a Flanker Task

Concurrent EEG and fNIRS recordings offer an excellent opportunity to gain a full understanding of the neural mechanism of cognitive processing by inspecting the relationship between the neural and hemodynamic signals. EEG is an electrophysiological technology that can measure the rapid neuronal activity of the cortex, whereas fNIRS relies on the hemodynamic responses to infer brain activation. The combination of EEG and fNIRS neuroimaging techniques can identify more features and reveal more information associated with the functioning of the brain. In this protocol, fused EEG-fNIRS measurements were performed for concurrent recordings of evoked-electrical potentials and hemodynamic responses during a Flanker task. In addition, the critical steps for setting up the hardware and software system as well as the procedures for data acquisition and analysis were provided and discussed in detail. It is expected that the present protocol can pave a new avenue for improving the understanding of the neural mechanisms underlying various cognitive processes by using the EEG and fNIRS signals.

The present protocol describes how to perform concurrent EEG and fNIRS recordings and how to inspect the relationship between the EEG and fNIRS data.&#160;

Realização de Eletroencefalografia simultânea e gravações de espectroscopia quase infravermelha funcional com uma tarefa flanker

Concurrent EEG and fNIRS recordings offer an excellent opportunity to gain a full understanding of the neural mechanism of cognitive processing by ...

Qualitative and Comparative Cortical Activity Data Analyses from a Functional Near-Infrared Spectroscopy Experiment Applying Block Design

Neuroimaging studies play a pivotal role in the evaluation of pre- vs. post-interventional neurological conditions such as in rehabilitation and surgical treatment. Among the many neuroimaging technologies used to measure brain activity, functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) enables the evaluation of dynamic cortical activities by measuring the local hemoglobin levels similar to functional magnetic resonance imaging (fMRI). Also, due to lesser physical restriction in fNIRS, multiple variants of sensorimotor tasks can be evaluated. Many laboratories have developed several methods for fNIRS data analysis; however, despite the fact that the general principles are the same, there is no universally standardized method. Here, we present the qualitative and comparative analytic methods of data obtained from a multi-channel fNIRS experiment using a block design. For qualitative analysis, we used a software for NIRS as a mass-univariate approach based on the generalized linear model. The NIRS-SPM analysis shows qualitative results for each session by visualizing the activated area during the task. In addition, the non-invasive three-dimensional digitizer can be used to estimate the fNIRS channel locations relative to the brain. To corroborate the NIRS-SPM findings, the amplitude of the changes in hemoglobin levels induced by the sensorimotor task can be statistically analyzed by comparing the data obtained from two different sessions (before and after intervention) of the same study subject using a multi-channel hierarchical mixed model. Our methods can be used to measure the pre- vs. post-intervention analysis in a variety of neurological disorders such as movement disorders, cerebrovascular diseases, and neuropsychiatric disorders.

We describe the analysis of continuous-wave functional near-infrared spectroscopy experiment using a block design with a sensorimotor task. To increase the reliability of the data analysis, we used the qualitative general linear model-based statistical parametric mapping and the comparative hierarchical mixed models for multi-channels.

Análises de dados de atividade cortical qualitativa e comparativa de um experimento funcional de espectroscopia infravermelha aplicando design de bloco

Neuroimaging studies play a pivotal role in the evaluation of pre- vs. post-interventional neurological conditions such as in rehabilitation and surgical ...

Inter-Brain Synchrony in Open-Ended Collaborative Learning: An fNIRS-Hyperscanning Study

fNIRS hyperscanning is widely used to detect the neurobiological underpinnings of social interaction. With this technique, researchers qualify the concurrent brain activity of two or more interactive individuals with a novel index called inter-brain synchrony (IBS) (i.e., phase and/or amplitude alignment of the neuronal or hemodynamic signals across time). A protocol for conducting fNIRS hyperscanning experiments on collaborative learning dyads in a naturalistic learning environment is presented here. Further, a pipeline of analyzing IBS of oxygenated hemoglobin (Oxy-Hb) signal is explained. Specifically, the experimental design, the process of NIRS data recording, data analysis methods, and future directions are all discussed. Overall, implementing a standardized fNIRS hyperscanning pipeline is a fundamental part of second-person neuroscience. Also, this is in line with the call for open-science to aid the reproducibility of research.

The protocol for conducting fNIRS hyperscanning experiments on collaborative learning dyads in a naturalistic learning environment is outlined. Further, a pipeline to analyze the Inter-Brain Synchrony (IBS) of oxygenated hemoglobin (Oxy-Hb) signals is presented.