Name: using fiberless, wearable fnirs to monitor brain activity in real-world cognitive tasks
Uploaded: 2015-12-02T16:00:00
Duration: 10 min 7 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks at JoVE.com

The authors would like to acknowledge funding from the Wellcome Trust (088429/Z/09/Z, 104580/Z/14/Z support to IT).

The authors declare that they have no competing financial interests.

Отклонение от нормы функции в префронтальной коре, и особенно самой передней подраздел (ростральной префронтальной коре, или BA10) является общим в диапазоне развития, психиатрических и неврологических условий. Это вызывает выраженные нарушения в решении проблем, памяти и способности к вниманию в повседневной жизни, что очень инвалидности 1,2. Тем не менее, эти виды проблем трудно диагностировать в лаборатории или клинике. Это потому, что психические процессы, которые ВА 10 опоры, участвующие в работе с новыми, открытых ситуациях, где поведение является собственной инициативе 3. Такие ситуации трудно успешно воссоздать в лаборатории, так как формальное, искусственное и жестко ограничен ситуация участник, как правило, сталкивается с в лаборатории могут изменить свое поведение и способ, которым они подходят задачу. Это может значительно сократить срок действия измерения для любых клинических или исследовательских целей, с сильным риском под диагностики 4 &lt;/ SUP&gt;. Одним из когнитивных способностей, поддерживаемых лобных долей, где это наиболее очевидно является перспективным памяти (т.е. способность помнить, чтобы провести будущие действия), где она уже давно было известно, что там может быть значительные разногласия между измерениями, принятых в день жизнь и лаборатория 5. Эти методологические вопросы могут быть в значительной степени обойти, если исследователи и клиницисты следственные префронтальной коры функцию, в том числе перспективного памяти, могут сделать это путем принятия их измерения в &quot;реальном мире&quot; ситуациях. В то время как методы нейровизуализации представляют собой мощный инструмент для исследования функции мозга в неинвазивной и объективно, большинство из этих методов навязать физические ограничения на эту тему, и, таким образом, не подходит для использования в повседневной жизненных ситуациях (например,., Функциональной магнитного резонанса ( МРТ), магнитоэнцефалографии (МЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)). С учетом необходимости довестифункциональные инструменты визуализации за пределами лаборатории и учитывая последние технологические усовершенствования, портативный и удобный для ношения, электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональные ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) были разработаны системы 6-11. Одним из основных преимуществ fNIRS более ЭЭГ является высокое пространственное разрешение. Кроме того, он менее чувствителен к артефактам движения, мигает и движений глаз 12. Переносные fNIRS, таким образом, лучше всего подходит для использования в день жизненных ситуациях, а это накладывает меньше ограничений, чем физических ЭЭГ и позволяет свободное движение в более естественной среде. fNIRS неинвазивным облучает голову ближней инфракрасной (650-900 света нм). Как биологическую ткань является относительно прозрачным в этом диапазоне длин волн, свет может достигать мозг и получить поглощается гемоглобином. fNIRS, таким образом, измеряет изменения концентрации обоих оксигемоглобина (HBO 2) и (дезоксигемоглобином HHB) дает информацию о оксигенации и гемодинамики чанГЭС, связанные с деятельностью головного мозга. Более конкретно, функциональную активность мозга определяется как одновременного увеличения HBO 2 и уменьшению HHB 13. Тем не менее, глубина проникновения света означает, что сигнал может быть восстановлен только с поверхности коры. Когда свет рассеивается высоко в ткани, это не возможно, чтобы получить высокую пространственно структурную информацию о мозге 14. Обычные системы fNIRS использовать оптические волокна, соединенные с головы до направления света через кожу головы и собрать обратно-рассеянного света. Хотя эти инструменты являются компактный, портативный и хорошо подходит для лабораторных условиях, оптические волокна и пучки их вес ограничения движения участника и, если не хорошо стабилизировалась, их смещения приводят к артефакт движения загрязнения 7. Новое поколение миниатюрных и fiberless систем fNIRS предлагает возможность исследовать активность мозга в реальных ситуациях на свободно движущихся участникас и без значительных физических ограничений. Реальные ситуации особенно ценно при изучении человека исполнительных функций и систем fiberless fNIRS может обеспечить уникальную возможность заглянуть в функции мозга человека. Первые системы fiberless были оборудованы только с небольшим количеством каналов (например., Одного канала 15 и 2 каналов 16), ограничивающих исследование к небольших участков. Совсем недавно, многоканальные беспроводные и носимых fNIRS устройства были разработаны 6,7, 17-20 давая возможность контролировать большие порции головы на свободно движущихся участников. В этом исследовании, новый многоканальный носки и fiberless fNIRS система была использована для мониторинга и карту префронтальная кора активность во время реальной перспективной памяти (ПМ) задач. FNIRS система в основном состоит из блока гибкий зонд (гарнитуры), что охватывает как Дорзолатеральные и ростральной префронтальной коры (рис 1),который соединен с блоком обработки (портативное устройство), который носили на талии участника (рис 1D). Гарнитура состоит из 6 излучающих поверхность лазерные диоды с длиной волны двух (705 нм и 830 нм) и 6 кремния фотодиодов. Отсутствие оптических волокон снижает вес и большую часть зонда, будучи более удобным и надежным в отношении артефактов движения. В optodes расположены в чередующемся геометрии (фиг.1А) с разделением между optode 3 см, создавая 16 комбинаций источника детектора (например., 16 измерительных каналов) 6. Для того, чтобы оградить гарнитуры от окружающего света, затенения колпачок снабжен (рис 1D). Целью данного исследования было изучение префронтальной коры функцию, во время предполагаемого задачи памяти в реальном мире. Во время перспективных задач памяти, участников просят помнить, чтобы ответить на нерегулярной кия (например., Знакомаялицо или стоянки) во время выполнения другой сложная задача, известный как &quot;текущей задачи&quot;. В двух разных блоков задачи, социальные перспективные сигналы памяти (лицо) противопоставляются несоциальными перспективных сигналов памяти (стоянки). Этот контраст был выбран потому, что он представляет собой важную различие между разными формами кия в основе событий задач перспективным памяти и поэтому экспериментальная парадигма может быть близко к &quot;реальной жизни&quot; ситуация 21. В то время как Б. 10, как известно, чувствительны к обработке социальной сравнению с не-социальной информации в некоторых ситуациях (например,., Гилберт и др., 2007 22), последние данные свидетельствуют о том, что гемодинамические изменения в BA 10, связанные с перспективных задач памяти относительно нечувствительные перемотать различия (см Берджесс и др., 2011 23 для обзора). Таким образом, это открытым вопрос о социальной сравнению с не-социальные сигналы влияет BA 10 деятельности в контексте предполагаемого парадигмой памяти, Цель данного исследования заключается в оценке возможности использования системы fNIRS контролировать префронтальная кора гемодинамики и оксигенации изменения, вызванные реальной познавательной задачи. Здесь мы сообщаем один пример (один здоровый взрослый участник, 24 лет) на использование устройства fNIRS во время предполагаемого задачи памяти, проводимых за пределами в типичном Лондоне улице месте и подражая требования повседневной жизни. В частности, может ли быть записаны гемодинамические изменения в ответ на сигналы социальных и несоциальными PM исследуется.

<table border="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Wearable Optical Topography</td>
			<td>Hitachi Medical Corporation</td>
			<td></td>
			<td>fNIRS system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Patriot</td>
			<td>Polhemus</td>
			<td></td>
			<td>3D magnetic digitizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ActionCam</td>
			<td>Mobius</td>
			<td></td>
			<td>Subject&#39;s Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hero3</td>
			<td>GoPro</td>
			<td></td>
			<td>Experimenter&#39;s Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Panasonic HC-V720</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td></td>
			<td>Experimenter&#39;s Camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Platform for Optical Topography Analysis Tools (POTATo) software</td>
			<td>Hitachi Medical Corporation</td>
			<td></td>
			<td>http://www.hitachi.co.jp/products/ot/analyze/kaiseki_en.html</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using fiberless, wearable fnirs to monitor brain activity in real-world cognitive tasks

Функциональный ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) представляет собой метод, который использует нейровизуализация ближнего инфракрасного света для контроля активности мозга. Основываясь на сосудисто-нервного связи, fNIRS способен измерять концентрацию гемоглобина изменяет вторичной нейронной активности. По сравнению с другими методами нейровизуализации, fNIRS представляет собой хороший компромисс с точки зрения пространственного и временного разрешения. Кроме того, это портативный, легкий, менее чувствительны к артефактам движения и не накладывает значительные физические ограничения. Поэтому целесообразно, чтобы контролировать широкий спектр познавательных задач (например, слуховые, анализ походки, социального взаимодействия) и различных групп населения возраста (например, новорожденных, взрослых, пожилых людей). Недавнее развитие fiberless fNIRS устройств открыло путь к новым приложениям в области нейронаук. Это представляет собой уникальную возможность для изучения функциональной активности во время реальных тестов, которые могут быть более чувствительными и точными в задницуэссинга когнитивные функции и дисфункции, чем лабораторных тестов на основе. Это исследование исследовали использование fiberless fNIRS контролировать деятельность мозга во время реальной задачи перспективным памяти. Этот протокол выполняется вне лаборатории и мозг гемоглобина изменения концентрации постоянно измеряется по префронтальной коре в то время как предметом ходит для того, чтобы выполнить несколько различных задач.

Рисунок 3 показывает пример HBO 2 и HHB ООН-обработанных сигналов (канал 8), записанные во время жизни на основе ПМ эксперимента в этом исследовании (рис 3а) и соответствующие сигналы (рис 3C) после того, как предварительно обрабатывается (3В ). Рисунок 4 показывает вейвлет спектр мощности канала HBO 8 2 и сигналов HHB, в котором прямоугольник указывает частотный диапазон сохранившийся с полосового фильтра. Учитывая тот факт, что участник шел вне на всем протяжении эксперимента и повернул голову, чтобы выполнить задачу, система fNIRS был устойчив к артефактов движения и солнечного света. На самом деле, HBO 2 приращения и HHB уменьшает можно найти в переписке с не-социальные (рис 3D) и социальные (рис 3E) перспективных мероприятий памяти. Эти тенденции, как правило, обозначают функциональную активность головного мозга 13, 35. ВФактически, когда область мозга активируется, метаболический спрос нейронов, для кислородных увеличивается с последующим увеличением регионального мозгового кровотока. Поскольку большая часть кислорода поступает к клеткам через гемоглобина, приращения HBO 2 и снижение концентраций HHB наблюдаются в функциональной активности головного мозга 9. Регионы в пределах префронтальной коре, что обладают эти тенденции могут быть оценены пространственного распределения HBO 2 и HHB значений концентрации, отображенных на лоб (рис 5, VIDEO 1, VIDEO 2). Пример того, как ответы мозга на социальные мероприятия PM распределены по всем каналам показано на рисунке 5. Отчет 5В 5А и, соответственно, пространственное распределение по лбу HBO 2 и HHB к социальной акции PM (т = 2 455 с), а на рис 5C и 5D Рис отчета respectiv<html> Эли пространственное распределение HBO 2 и HHB к не-социальные мероприятия PM (т = 1744 лет). Рисунок 5 показывает региональные местоположения (каналы), где увеличение HBO 2 (красный, 5А-C) и уменьшение HHB (синий, 5В-D) явно наблюдается, что свидетельствует о зависимости увеличение мозга. Пример того, как префронтальная кора деятельности в социальной PM и событий несоциальными ТЧ и его распространения по изменению каналов в течение времени представлен в видео 1 и видео 2. Кроме того, 6 и 7 приводятся данные из всех каналов, соответствующих временные окна включены в видео 1 и видео 2, соответственно. Прогулка связанных гемодинамический и изменения оксигенации можно наблюдать на фиг.3А. Кажущейся увеличивается HHB и HBO 2 уменьшается происходят во время ходьбы и условия их удаляют после предварительной обработки. <html> ontent &quot;FO: держать-together.within-страницу =&quot; всегда &quot;&gt; <img alt="фигура 1" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig1.jpg" /> Рисунок 1. Конфигурация fNIRS размещение и каналы гарнитура. Расположение Optodes в зонде fNIRS показано на панели А. Красные круги указывают точки впрыска (источники), желтые круги пункты сбора (детекторы) и зеленые круги по каналам измерения. Зонд помещается на лоб (B, C, D) с каналом 9 в соответствии с точки и каналы FPZ 8-9 в соответствие с средней линии Насьон-ИНИОН. Оцифрованные каналы расположение преобразуются в MNI системе координат и перекрываются на коре головного мозга (E). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 6 / 53336fig2.jpg &quot;/&gt; Рисунок 2. Система 10-20 анатомические ссылки. Выделенные круги указывают выбранные опорные точки, чтобы быть отмечены на голове участника (Nz = Насьон, Iz = ИНИОН, МПУ = Левый Предварительно ушных, РПА = правый Предварительно ушной). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 3" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig3.jpg" /> Рисунок 3. Сигнал предварительной обработки потока. (А) HBO 2 и HHB сырье сигналы, принятые от представительного канала (канал 8). Черные линии отмечают начало и конец каждой экспериментальной состоянии. Зеленый и пурпурный линии отмечают без социальных и социальные потенциальных хитов памяти. Звездочки указывают ходили условия. (R1 = 1 Отдых, R2 = 2 Отдых, B = Базовый; ОГУ = Текущая незагрязненных; PMNS = не-социальная Предполагаемый памяти; Премьеры = социальная Предполагаемый памяти; ОГК = Текущая загрязненных). (Б) Эта панель показывает предварительная обработка блок-схема применяется к канал 8 необработанные сигналы. (С) В результате предварительно обработанных сигналов представлены. (D, E) HBO 2 увеличивается и уменьшается HHB возникать в ответ на выбранной без социальной (D) и социальных (E) потенциальными хитами памяти. Это гемодинамики тенденция, как правило, связана с функциональным активации. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 4" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig4.jpg" /> Рисунок 4. Спектры мощности импульса. (А, В) вейвлет-спектры мощности канала 8 HBO 2 и HHB необработанные сигналы представлены в панели А и В, соответственно. Черные линии отмечают начало и конец каждой экспериментальной состоянии. Звездочки указывают ходили условия. (R1 = 1 Отдых, R2 = 2 Отдых, B = Базовый; ОГУ = Текущая незагрязненных; PMNS = не-социального Предполагаемый памяти; премьеры = социальная Предполагаемый памяти; ОГК = Текущая загрязненных). Черный прямоугольник выделяет частотный диапазон сохранившийся через полосовой фильтр (0.008-0.2 Гц). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 5" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig5.jpg" /> Рисунок 5. Пространственное распределение корковой активности на события PM. HBO 2 и HHB изменения концентрации отображаются на коре головного мозга, чтобы найти функциональную активность в ответ на события социальных PM (АВ) и мероприятий несоциальными PM (CD). HBO 2и значения HHB принимаются при Т = 2455 сек для социальной акции PM (AB) и т = 1,744 сек для не-социальные мероприятия PM (CD). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 6" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig6.jpg" /> Рисунок 6. оксигемоглобина и дезоксигемоглобина сигналы для всех каналов в ответ на события несоциальными PM. Зеленые линии показывают события, не социальные вечера (т = 1,744 сек и т = 1,792 сек). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию из этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 7" src="/files/ftp_upload/53336/53336fig7.jpg" /> Рисунок 7. оксигемоглобина и дезоксигемоглобин сигналы для всех каналов в ответ на социальные мероприятия PM. пурпурной линии указывает на социальное событие вечера (т = 2,455 сек). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/53336fig7large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> <img alt="Рисунок 7" src="/files/ftp_upload/53336/53336mov1.jpg" /> Видео 1. HBO 2 и HHB концентрации изменения событий социальной PM. На видео видно, как HBO 2 (слева) и HHB (правая панель) развиваться с течением времени, а участник приближается к цели социальной PM. Видео камеры, прикрепленной к груди экспериментатора синхронизируется. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/Video2_new.mp4" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы смотреть это видео.</a> <img alt="Рисунок 7" src= &quot;/ файлы / ftp_upload / 53336 / 53336mov2.jpg&quot; /&gt; Видео 2. HBO 2 и концентрации HHB изменения событий несоциальными PM. На видео видно, как HBO 2 (слева) и HHB (правая панель) развиваться с течением времени, а участник приближается к цели, не социальной PM. Видео камеры, прикрепленной к груди экспериментатора синхронизируется. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53336/Video1_new.mp4" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы смотреть это видео.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks at JoVE.com

Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks

Мониторинг активности мозга вне лаборатории без физических ограничений методических проблем. Fiberless, носки функциональная система ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) был использован для измерения активности мозга во время экологической перспективного задачи памяти. Было показано, что эта система может быть использована для контроля активности мозга в ходе экспериментов не-лаборатории на основе.

Использование Fiberless, носимые fNIRS для мониторинга активности мозга в реальном мире познавательных задач

Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is a neuroimaging technique that uses near-infrared light to monitor brain activity. Based on neurovascular ...

Research

JoVE Journal

Behavior

How to Detect Amygdala Activity with Magnetoencephalography using Source Imaging

Как обнаружить активность миндалевидного магнитоэнцефалографии с использованием источника изображения

In trace fear conditioning a conditional  stimulus (CS) predicts the occurrence of the unconditional stimulus (UCS),  which is presented after a brief ...

A Method for Investigating Age-related Differences in the Functional Connectivity of Cognitive Control Networks Associated with Dimensional Change Card Sort Performance

Метод исследования, связанные с возрастом различия в функциональной связности когнитивный контроль сети, связанной с Изменение размеров карты Сортировать Performance

The ability to adjust behavior to sudden changes in the environment develops gradually in childhood and adolescence. For example, in the Dimensional ...

Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze

Автоматизированные Визуальные Задачи Когнитивные для записи нейронной активности с использованием этаж Проекция Maze

Neuropsychological tasks used in primates to investigate mechanisms of learning and memory are typically visually guided cognitive tasks. We have ...

Uncovering Beat Deafness: Detecting Rhythm Disorders with Synchronized Finger Tapping and Perceptual Timing Tasks

Раскрытие Удара Глухота: Обнаружение Нарушения ритма с синхронизацией палец нажатие и перцептивных синхронизации задач

A set of behavioral tasks for assessing perceptual and sensorimotor timing abilities in the general population (i.e., non-musicians) is presented here ...

Transferring Cognitive Tasks Between Brain Imaging Modalities: Implications for Task Design and Results Interpretation in fMRI Studies

Перенос познавательных задач между мозгом визуализации методах: последствия для дизайна целевой и интерпретации результатов в МРТ исследований

As cognitive neuroscience methods develop, established experimental tasks are used with emerging brain imaging modalities. Here transferring a paradigm ...

Practical Methodology of Cognitive Tasks Within a Navigational Assessment

Практическая методология когнитивной задачи в рамках навигационной оценки

This paper describes an approach for measuring navigation accuracy relative to cognitive skills. The methodology behind the assessment will thus be ...

Event-related Potentials During Target-response Tasks to Study Cognitive Processes of Upper Limb Use in Children with Unilateral Cerebral Palsy

Условия для проведения мероприятий, связанных с Потенциалы течение Задачи Целевая реагирования по изучению познавательных процессов верхних конечностей следует использовать в детей с церебральным параличом одностороннего

Unilateral Cerebral Palsy (CP) is a neurodevelopmental disorder that is a very common cause of disability in childhood. It is characterized by unilateral ...

Comparing the Frequency Effect Between the Lexical Decision and Naming Tasks in Chinese

Сравнение частот эффект между лексической решением и именование задач по-китайски

In psycholinguistic research, the frequency effect can be one of the indicators for eligible experimental tasks that examine the nature of lexical access. ...

A Real-world What-Where-When Memory Test

A Real-world What-Where-When Memory Test

Реальный мир<em&gt; Что-Где-Когда</em&gt; Тест памяти

Episodic memory is a complex memory system which allows recall and mental re-experience of previous episodes from one&#39;s own life. Real-life episodic ...

Automated, Long-term Behavioral Assay for Cognitive Functions in Multiple Genetic Models of Alzheimer's Disease, Using IntelliCage

Автоматизированное, долгосрочное поведенческое Assay для когнитивных функций в нескольких моделей Генетические болезни Альцгеймера, используя IntelliCage

Multiple factors&#8212;such as aging and genes&#8212;are frequently associated with cognitive decline. Genetically modified mouse models of cognitive ...