Name: conducting concurrent electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy recordings with a flanker task
Uploaded: 2020-05-24T12:30:00
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Diese Arbeiten wurden zum Teil im High Performance Computing Cluster (HPCC) durchgeführt, der vom Informations- und Kommunikationstechnologiebüro (ICTO) der Universität Macau unterstützt wird. Diese Studie wurde von MYRG2019-00082-FHS und MYRG 2018-00081-FHS Stipendien der University of Macau in Macau unterstützt und auch vom Science and Technology Development Fund, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 und FDCT 025/2015/A1) finanziert.

Vor den Experimentellen Tests unterzeichneten alle Teilnehmer Einwilligungsdokumente in Kenntnis der Sachlage. Das Protokoll für diese Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Macau genehmigt.
1. Hardware- und Softwareeinstellung für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen
<ol><li>Erstellen Sie eine Kopfkappe für gleichzeitige EEG-fNIRS-Aufnahmen.<ol>
<li>Wählen Sie die entsprechende Kappengröße entsprechend dem Kopfumfang der Teilnehmer aus. Verwenden Sie in dieser Studie ...

<ol>
	<li>Kennan, R. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+recording+of+event-related+auditory+oddball+response+using+transcranial+near+infrared+optical+topography+and+surface+EEG.">Simultaneous recording of event-related auditory oddball response using transcranial near infrared optical topography and surface EEG.</a> NeuroImage. 16 (3), 587-592 (2002).</li><li>Horovitz, S. G., Gore, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+event-related+potential+and+near-infrared+spectroscopic+studies+of+semantic+processing.">Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing.</a> Human Brain Mapping. 22 (2), 110-115 (2004).</li><li>Yuan, Z., Ye, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fusion+of+fNIRS+and+fMRI+data:+identifying+when+and+where+hemodynamic+signals+are+changing+in+human+brains.">Fusion of fNIRS and fMRI data: identifying when and where hemodynamic signals are changing in human brains.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 7, 676 (2013).</li><li>Lin, X., Sai, L., Yuan, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+Concealed+Information+with+Fused+Electroencephalography+and+Functional+Near-infrared+Spectroscopy.">Detecting Concealed Information with Fused Electroencephalography and Functional Near-infrared Spectroscopy.</a> Neuroscience. 386, 284-294 (2018).</li><li>Ieong, H. F., Yuan, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emotion+recognition+and+its+relation+to+prefrontal+function+and+network+in+heroin+plus+nicotine+dependence:+a+pilot+study.">Emotion recognition and its relation to prefrontal function and network in heroin plus nicotine dependence: a pilot study.</a> Neurophotonics. 5 (02), 1 (2018).</li><li>Hu, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Mapping+of+Brain+Activation+and+Connectivity+in+Occipitotemporal+Cortex+During+Chinese+Character+Recognition.">Optical Mapping of Brain Activation and Connectivity in Occipitotemporal Cortex During Chinese Character Recognition.</a> Brain Topography. 31 (6), 1014-1028 (2018).</li><li>Wang, M. -. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concurrent+mapping+of+brain+activation+from+multiple+subjects+during+social+interaction+by+hyperscanning:+a+mini-review.">Concurrent mapping of brain activation from multiple subjects during social interaction by hyperscanning: a mini-review.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 8 (8), 819-837 (2018).</li><li>Scholkmann, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+continuous+wave+functional+near-infrared+spectroscopy+and+imaging+instrumentation+and+methodology.">A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology.</a> NeuroImage. 85, 6-27 (2014).</li><li>Wan, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+neural+basis+of+the+hemodynamic+response+nonlinearity+in+human+primary+visual+cortex:+Implications+for+neurovascular+coupling+mechanism.">The neural basis of the hemodynamic response nonlinearity in human primary visual cortex: Implications for neurovascular coupling mechanism.</a> NeuroImage. 32 (2), 616-625 (2006).</li><li>Miller, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+prefontral+cortex+and+cognitive+control.">The prefontral cortex and cognitive control.</a> Nature Reviews Neuroscience. 1 (1), 59-65 (2000).</li><li>Miller, E. K., Cohen, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+integrative+theory+of+prefrontal+cortex+function.">An integrative theory of prefrontal cortex function.</a> Annual review of Neuroscience. 24 (1), 167-202 (2001).</li><li>Mansouri, F. A., Tanaka, K., Buckley, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conflict-induced+behavioural+adjustment:+a+clue+to+the+executive+functions+of+the+prefrontal+cortex.">Conflict-induced behavioural adjustment: a clue to the executive functions of the prefrontal cortex.</a> Nature Reviews Neuroscience. 10 (2), 141-152 (2009).</li><li>Wood, J. N., Grafman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+prefrontal+cortex:+processing+and+representational+perspectives.">Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives.</a> Nature Reviews Neuroscience. 4 (2), 139-147 (2003).</li><li>Wallis, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Orbitofrontal+Cortex+and+Its+Contribution+to+Decision-Making.">Orbitofrontal Cortex and Its Contribution to Decision-Making.</a> Annual Review of Neuroscience. 30 (1), 31-56 (2007).</li><li>Forbes, C. E., Grafman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Role+of+the+Human+Prefrontal+Cortex+in+Social+Cognition+and+Moral+Judgment.">The Role of the Human Prefrontal Cortex in Social Cognition and Moral Judgment.</a> Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 299-324 (2010).</li><li>Nguyen, D. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-invasive+continuous+EEG-fNIRS+recording+of+temporal+lobe+seizures.">Non-invasive continuous EEG-fNIRS recording of temporal lobe seizures.</a> Epilepsy Research. 99 (1-2), 112-126 (2012).</li><li>Peng, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=fNIRS-EEG+study+of+focal+interictal+epileptiform+discharges.">fNIRS-EEG study of focal interictal epileptiform discharges.</a> Epilepsy Research. 108 (3), 491-505 (2014).</li><li>Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multisubject+"learning"+for+mental+workload+classification+using+concurrent+EEG,+fNIRS,+and+physiological+measures.">Multisubject "learning" for mental workload classification using concurrent EEG, fNIRS, and physiological measures.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).</li><li>Aghajani, H., Garbey, M., Omurtag, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+mental+workload+with+EEG+fNIRS.">Measuring mental workload with EEG+fNIRS.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).</li><li>Balconi, M., Vanutelli, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hemodynamic+(fNIRS)+and+EEG+(N200)+correlates+of+emotional+inter-species+interactions+modulated+by+visual+and+auditory+stimulation.">Hemodynamic (fNIRS) and EEG (N200) correlates of emotional inter-species interactions modulated by visual and auditory stimulation.</a> Scientific Reports. 6, (2016).</li><li>Donohue, S. E., Appelbaum, L. G., McKay, C. C., Woldorff, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+neural+dynamics+of+stimulus+and+response+conflict+processing+as+a+function+of+response+complexity+and+task+demands.">The neural dynamics of stimulus and response conflict processing as a function of response complexity and task demands.</a> Neuropsychologia. 84, 14-28 (2016).</li><li>Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mental+workload+classification+with+concurrent+electroencephalography+and+functional+near-infrared+spectroscopy.">Mental workload classification with concurrent electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy.</a> Brain-Computer Interfaces. 4 (3), 175-185 (2017).</li><li>Fazli, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+performance+by+a+hybrid+NIRS-EEG+brain+computer+interface.">Enhanced performance by a hybrid NIRS-EEG brain computer interface.</a> NeuroImage. 59 (1), 519-529 (2012).</li><li>Putze, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+fNIRS-EEG+based+classification+of+auditory+and+visual+perception+processes.">Hybrid fNIRS-EEG based classification of auditory and visual perception processes.</a> Frontiers in Neuroscience. 8, 373 (2014).</li><li>Horovitz, S. G., Gore, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+event-related+potential+and+near-infrared+spectroscopic+studies+of+semantic+processing.">Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing.</a> Human Brain Mapping. 22 (2), 110-115 (2004).</li><li>Lin, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+the+small-world+properties+of+brain+networks+in+Chinese+to+English+simultaneous+interpreting+by+using+functional+near-infrared+spectroscopy.">Mapping the small-world properties of brain networks in Chinese to English simultaneous interpreting by using functional near-infrared spectroscopy.</a> Journal of Innovative Optical Health Sciences. 11 (03), 1840001 (2018).</li><li>Folstein, J. R., Van Petten, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+cognitive+control+and+mismatch+on+the+N2+component+of+the+ERP:+A+review.">Influence of cognitive control and mismatch on the N2 component of the ERP: A review.</a> Psychophysiology. 45 (1), 152 (2008).</li><li>Patel, S. H., Azzam, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+N200+and+P300:+Selected+studies+of+the+Event-Related+Potential.">Characterization of N200 and P300: Selected studies of the Event-Related Potential.</a> International Journal of Medical Sciences. 2 (4), 147-154 (2005).</li><li>Suzuki, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+relationship+between+the+superior+frontal+cortex+and+alpha+oscillation+in+a+flanker+task:+Simultaneous+recording+of+electroencephalogram+(EEG)+and+near+infrared+spectroscopy+(NIRS).">The relationship between the superior frontal cortex and alpha oscillation in a flanker task: Simultaneous recording of electroencephalogram (EEG) and near infrared spectroscopy (NIRS).</a> Neuroscience Research. 131, 30-35 (2018).</li><li>Keles, H. O., Barbour, R. L., Omurtag, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hemodynamic+correlates+of+spontaneous+neural+activity+measured+by+human+whole-head+resting+state+EEG+++fNIRS.">Hemodynamic correlates of spontaneous neural activity measured by human whole-head resting state EEG + fNIRS.</a> NeuroImage. 138, 76-87 (2016).</li><li>Eriksen, B. A., Eriksen, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+noise+letters+upon+the+identification+of+a+target+letter+in+a+nonsearch+task.">Effects of noise letters upon the identification of a target letter in a nonsearch task.</a> Perception &amp; Psychophysics. 16 (1), 143-149 (1974).</li><li>Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HomER:+a+review+of+time-series+analysis+methods+for+near-infrared+spectroscopy+of+the+brain.">HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain.</a> Applied optics. 48 (10), 280-289 (2009).</li><li>Kocsis, L., Herman, P., Eke, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+modified+Beer-Lambert+law+revisited.">The modified Beer-Lambert law revisited.</a> Physics in Medicine and Biology. 51 (5), (2006).</li><li>Herold, F., Wiegel, P., Scholkmann, F., M&#252;ller, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+Functional+Near-Infrared+Spectroscopy+(fNIRS)+Neuroimaging+in+Exercise-Cognition+Science:+A+Systematic,+Methodology-Focused+Review.">Applications of Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) Neuroimaging in Exercise-Cognition Science: A Systematic, Methodology-Focused Review.</a> Journal of Clinical Medicine. 7 (12), 466 (2018).</li><li>Duncan, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+pathlength+measurements+on+adult+head,+calf+and+forearm+and+the+head+of+the+newborn+infant+using+phase+resolved+optical+spectroscopy.">Optical pathlength measurements on adult head, calf and forearm and the head of the newborn infant using phase resolved optical spectroscopy.</a> Physics in Medicine and Biology. 40 (2), 295-304 (1995).</li><li>Brigadoi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+artifacts+in+functional+near-infrared+spectroscopy:+A+comparison+of+motion+correction+techniques+applied+to+real+cognitive+data.">Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: A comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data.</a> NeuroImage. 85, 181-191 (2014).</li><li>Lopez-Calderon, J., Luck, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ERPLAB:+an+open-source+toolbox+for+the+analysis+of+event-related+potentials.">ERPLAB: an open-source toolbox for the analysis of event-related potentials.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 8, 213 (2014).</li></ol>

In diesem Protokoll wurden kombinierte EEG- und fNIRS-Aufnahmen durchgeführt, um die Gehirnaktivierungsmuster mit einem ereignisbezogenen Flanker-Paradigma zu untersuchen, indem die neuronalen Signale des gesamten Gehirns und gleichzeitige hämodynamische Reaktionen des präfrontalen Kortex aufgezeichnet wurden. Die ERP-Ergebnisse zeigten, dass N200 bei Fz in der Lage war, die kongruenten und inkongruenten Bedingungen signifikant zu unterscheiden (P=0,037). In der Zwischenzeit zeigten die HbO-Signale in SFC (Kanäle 21)...

Diese Studie zielt darauf ab, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das neuronale Aktivierungsmuster aufzudecken, das der Flanker-Aufgabe zugrunde liegt, indem verschmelzende EEG- und fNIRS-Neuroimaging-Techniken verwendet werden. Interessanterweise ermöglichen die gleichzeitigen fNIRS-EEG-Aufnahmen die Untersuchung der Beziehung zwischen den hämodynamischen Signalen im präfrontalen Kortex und verschiedenen ereignisbezogenen Potentialkomponenten (ERP) des gesamten Gehirns, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind.
Die Integration verschiedener nichtinvasiver neuroimagingrischer Modalitäten, einschließlich der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), der Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), ist wesentlich, um das Verständnis zu verbessern, wo und wann die Informationsverarbeitung im Gehirn stattfindet1,2,3. Zusätzlich besteht das Potenzial, fNIRS und EEG zu kombinieren, um die Beziehung zwischen lokaler neuronaler Aktivität und nachfolgenden Veränderungen der hämodynamischen Reaktionen zu untersuchen, bei denen EEG und fNIRS sich ergänzen können, wenn es darum geht, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Funktion des menschlichen Gehirns zu offenbaren. fNIRS ist eine vaskuläre funktionelle Neuroimaging-Technik, die auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. fNIRS misst die relativen Oxyhämoglobin - und Deoxyhämoglobin (HbR) Konzentrationsänderungen in der Großhirnrinde, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung3,4,5,6,7spielt. Gemäß dem neurovaskulären und neurometabolischen Kopplungsmechanismus8wird die Veränderung der lokalen neuronalen Aktivität im Zusammenhang mit der kognitiven Verarbeitung in der Regel von nachfolgenden Veränderungen des lokalen Blutflusses und des Blutsauerstoffs mit einer Verzögerung von 4-7 Sekunden begleitet. Es wird gezeigt, dass die neurovaskuläre Kopplung wahrscheinlich ein Leistungswandler ist, der die schnelle Dynamik der neuronalen Aktivität in den vaskulären Input der langsamen Hämodynamik9integriert. Insbesondere wird fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet, insbesondere des präfrontalen Kortex, der für hohe kognitive Funktionen verantwortlich ist, wie Executive Functions10,11,12, Argumentation und Planung13, Entscheidungsfindung14, und soziale Kognition und moralisches Urteilsvermögen15. Die hämodynamischen Reaktionen, die mit fNIRS gemessen werden, erfassen jedoch nur indirekt die neuronale Aktivität mit einer geringen zeitlichen Auflösung, während EEG zeitlich feine und direkte Messungen neuronaler Aktivitäten bieten kann. Folglich kann die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufzeichnung mehr Merkmale identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns aufdecken.
Noch wichtiger ist, dass die multimodale Erfassung von EEG- und fNIRS-Signalen durchgeführt wurde, um die Gehirnaktivierung zu untersuchen, die verschiedenen kognitiven Aufgaben zugrunde liegt16,17,18,19,20,21,22 oder Gehirn-Computer-Schnittstelle23,24. Insbesondere wurden gleichzeitige ERP- (ereignisbezogenes Potential) und fNIRS-Aufnahmen auf Basis des ereignisbezogenen auditorischen Oddball-Paradigmas1durchgeführt, bei dem fNIRS die hämodynamischen Veränderungen im frontotemporalen Kortex einige Sekunden nach dem Auftreten der P300-Komponente identifizieren kann. Horovitz et al. demonstrierten auch die gleichzeitigen Messungen von fNIRS-Signalen und der P300-Komponente während einer semantischen Verarbeitungsaufgabe25. Interessanterweise zeigten frühere Studien, die auf simultanen EEG- und fNIRS-Aufnahmen basierten, dass P300 während Oddball-Stimuli eine signifikante Korrelation mit fNIRS-Signalen26aufwiesen. Es wurde entdeckt, dass die multimodalen Maßnahmen das Potenzial haben, den umfassenden kognitiven neuronalen Mechanismus auf der Grundlage des ereignisbezogenen Paradigmas26zu enthüllen. Neben der Oddball-Aufgabe ist die Flanker-Aufgabe im Zusammenhang mit der ERP-Komponente N200 auch ein wichtiges Paradigma, das für die Untersuchung der Erkennung kognitiver Fähigkeiten und der Bewertung mit gesunden Kontrollen und Patienten mit verschiedenen Störungen verwendet werden kann. Insbesondere war N200 eine negative Komponente, die 200-350 ms vom vorderen zerkäuterten Kortex frontal27 und dem überlegenen temporalen Kortex28erreicht. Obwohl frühere Studien die Beziehung zwischen dem überlegenen frontalen Kortex und der Alpha-Oszillation in der Flanker-Aufgabe29untersuchten, wurde die Korrelation zwischen der N200-Amplitude und den hämodynamischen Reaktionen während der Flanker-Aufgabe nicht untersucht.
In diesem Protokoll wurde ein hausgemachter EEG/fNIRS-Patch auf Basis der Standard-EEG-Kappe für die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Aufnahmen verwendet. Die Anordnung von Optoden/Elektroden mit Unterstützung wurde durch die Platzierung von fNIRS-Optoden erreicht, die in die EEG-Kappe verschmolzen sind. Die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Datenerfassungen wurden mit den gleichen Reizaufgaben der E-prime-Software durchgeführt. Wir gehen davon aus, dass ERP-Komponenten, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind, eine signifikante Korrelation mit den hämodynamischen Reaktionen im präfrontalen Kortex aufweisen können. In der Zwischenzeit können die kombinierten ERP- und fNIRS-Aufnahmen mehrere Signalindikatoren extrahieren, um die Aktivierungsmuster des Gehirns mit erhöhter Genauigkeit zu identifizieren. Um die Hypothese zu testen, wurden das fNIRS-Setup und die EEG-Maschine integriert, um den komplexen neuronalen Kognitionsmechanismus aufzudecken, der der ereignisbezogenen Flanker-Aufgabe entspricht.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:605px;" width="606">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">EEG cap</td>
			<td style="width:104px;">EASYCAP GmbH</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td style="width:167px;">-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">EEG system</td>
			<td style="width:104px;">BioSemi</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">fNIRS system</td>
			<td style="width:104px;">TechEn</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td>CW6 System</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

conducting concurrent electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy recordings with a flanker task

Gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen bieten eine ausgezeichnete Gelegenheit, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Verarbeitung vollständig zu verstehen, indem die Beziehung zwischen den neuronalen und hämodynamischen Signalen untersucht wird. EEG ist eine elektrophysiologische Technologie, die die schnelle neuronale Aktivität des Kortex messen kann, während fNIRS auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. Die Kombination von EEG und fNIRS Neuroimaging-Techniken können mehr Funktionen identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns offenbaren. In diesem Protokoll wurden verschmolzene EEG-fNIRS-Messungen für gleichzeitige Aufnahmen evoziert-elektrischer Potentiale und hämodynamischer Reaktionen während einer Flanker-Aufgabe durchgeführt. Darüber hinaus wurden die entscheidenden Schritte zum Aufbau des Hard- und Softwaresystems sowie die Verfahren zur Datenerfassung und -analyse detailliert zur Verfügung gestellt und diskutiert. Es wird erwartet, dass das vorliegende Protokoll einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses der neuronalen Mechanismen ebnen kann, die verschiedenen kognitiven Prozessen zugrunde liegen, indem die EEG- und fNIRS-Signale verwendet werden.

Abbildung 2 zeigt die HbO-Signale für alle Kanäle, während in Abbildung 3 die ERPs bei Fz und FCz für die beiden Bedingungen der Flanker-Aufgabe angezeigt werden. Figure 4 veranschaulichte die Pearson-Korrelationsanalyseergebnisse zeigten, dass die fNIRS-Signale in SFC eine signifikante Korrelation mit der ERP-N200-Komponente bei Fz für den inkongruenten Zustand aufwiesen (P<0.05). Dies ist jedoch...

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

Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufzeichnungen durchgeführt werden und wie die Beziehung zwischen eEG- und fNIRS-Daten überprüft wird.

Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe

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

Ziel dieser Studie war es, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das Neuroaktivierungsmuster aufzudecken, die Flankeraufgabe durch die Verwendung von eEG- und fNIRS-Neuro-Bildgebungstechnik zu unterstreichen. Die gleichzeitigen fNIRS EEG-Aufnahmen ermöglichen die Untersuchung der Beziehung zwischen dem präfrontalen Kortex und verschiedenen Ereignissen im Zusammenhang mit den potenziellen Komponenten des gesamten Gehirns. fNIRS in der Großhirnrinde, die ziemlich wichtige Gesetz in der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung.Wir wissen, dass fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet wird. ist mit hohen kognitiven Funktionen des Gehirns verbunden. Die hämodynamische Reaktion von fNIRS kann jedoch nur die Aktivitäten mit geringer zeitlicher Auflösung lesen, aber EEG kann vorübergehende Fund- und direkte Messungen von Neuroaktivitäten bieten.Die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufnahmen ist in der Lage, mehr Funktionen zu identifizieren und mehr Informationen zu den Gehirnfunktionen aufzudecken. In dieser Studie verwenden Sie die EEG fNIRS Techniken wurden für die gleichzeitige Aufzeichnung von ERP-Komponenten und hämodynamische Reaktion mit einer Flanker-Aufgabe verwendet. Es ist rational anzunehmen, dass ERP-Komponenten, die mit der Flankeraufgabe assoziiert werden, eine signifikante Korrelation mit der hämodynamischen Reaktion aufweisen können.Um diese Annahme zu treffen, wurden die eingerichtete fNIRS und die EEG-Maschine zusammengeführt, um den komplexen Neurokognitionsmetismus zu enthüllen, der dem Ereignis mit Flankeraufgabe entspricht. Vor dem Experimenttest unterzeichneten alle Teilnehmer Informierteeinwilligdokumente. Die Studie wurde von der Ethikkommission der Universität Macau genehmigt.Nummer eins, Hardware- und Softwareeinstellung für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen. Konstruieren Sie eine machbare Kopfkappe für gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen. Wählen Sie die richtige Kappengröße entsprechend dem Kopfumfang der Teilnehmer aus.In dieser Studie wird eine mittelgroße Kappe verwendet, da sie für die meisten jugendlichen oder erwachsenen Teilnehmer geeignet ist. Zeichnen Sie das Layout entsprechend dem Experimententwurf in der Literatur. Graben Sie 22 Löcher in der EEG-Kappe, um fNIRS-Optoden in Übereinstimmung mit einem speziell ausdemierten frontalen Kortex zu halten.Platzieren Sie 21 oder 71 EEG-Elektroden entlang der Oberfläche der EEG-Kappe nach dem internationalen System 10-20 und montieren Sie die Gitter für die Optoden. Legen Sie den Abstand zwischen den einzelnen Quelldetektorpaaren auf drei Zentimeter fest, und fixieren Sie dann die Optoden. In jedem sind die blauen Optoden Detektoren, während die roten Laserquellen sind.Einstellen des EEG- und fNIRS-Ports in der Software. Stellen Sie den Parallelanschluss, Beispiel H378, in dieser Studie für das EEG-System ein. Legen Sie die seriellen Ports fest, Beispiel 600 in dieser Studie für das fNIRS-System.Der Porttyp und die Nummer sollten in Bezug auf verschiedene EEG- und fNIRS-Setups geändert werden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die Hersteller. Vorbereitung vor dem Experiment.Erwärmen Sie das fNIRS-System mit Lasern. Schalten Sie es für 30 Minuten ein. Stellen Sie alle notwendigen Betriebserplauder für das fNIRS-Messsystem ein.Sollte der Aufbau, einschließlich der EEG- und fNIRS-Messsysteme, zum Teilnehmer. Messen und markieren Sie den CZ-Punkt nach dem internationalen System 10-20. Identifizieren Sie die Elektrodenposition von CZ in der Hälfte des Abstands zwischen der und der Hälfte des Abstands zwischen dem linken und rechten interorbitalen Einzug.Legen Sie zuerst den vorderen Teil der Kappe entlang der Stirn der Teilnehmer und ziehen Sie dann die hintere Sitzung der Kappe in Richtung Desnacken nach unten. Validierung der Positionen. Hinweis, es wird dringend empfohlen, eEG-Elektroden zuerst und anschließend die nächsten Optoden einzustellen.Wenn EEG leitfähiges Gel die Löcher für die Platzierung der nächstgelegenen Optoden bedeckt, sollte es sauber sein, um die Kontamination von Optoden zu verhindern. Vorbereitung der EEG-Aufnahmen. Füllen Sie leitfähiges Gel, indem Sie eine stumpfe Nadel durch die Löcher von EEG-Elektrodenrost einsetzen.Legen Sie alle Elektroden entsprechend den Pegeln in das EEG-Elektrodengitter. Öffnen Sie die EEG-Software und prüfen Sie die Signalqualität der Elektroden. Elektroden durch Nachfüllen leitfähiges Gel nachjustieren, wenn die Signalqualität die Anforderungen nicht erfüllen kann.Vorbereitung für die fNIRS-Aufnahmen. Vorsicht setzen die Teilnehmer augennicht direkt dem Laserstrahl der Quelle aus. Platzieren Sie die optischen Fasern entlang der Halterarme, die am fNIRS-Messsystem und zusätzlichem Halter befestigt sind.Stellen Sie sicher, dass die Fasern ordentlich und ordentlich sind. Setzen Sie die optische Quelle und detektoren entsprechend dem Layout in die Löcher ein. Testen Sie die Signalqualität.Wenn ein Kanal kein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Beispiel, wenn der Kanal gelb markiert ist, tauschen Sie das Haar der Teilnehmer, das die optischen Sonden umgibt, sanft, um sicherzustellen, dass zwischen der optischen Sonde und dem Schädel nichts existiert. Wenn Schritt 2.8.3 die Signalqualität nicht verbessern kann, wird die Signalintensität erhöht.Wenn es zu viel Signal gibt. Beispiel, wenn der Kanal rot markiert ist, schalten Sie die Signalintensität herunter. Führen Sie das Experiment aus.Starten Sie das Experiment, wenn die Signale mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis stabil sind und die Teilnehmer mit den Experimentanweisungen vertraut sind. Speichern und exportieren Sie die Daten nach dem Experiment aus dem EEG fNIRS. Entfernen Sie EEG-Elektroden und fNIRS optische Sonden sorgfältig.Messung dreidimensionaler, 3D MNI-Koordinaten von fNIRS-Optoden mit 3D-Digitalisierer. Lassen Sie die Teilnehmer auf einem Stuhl sitzen und die Brille mit einem Sensor tragen. Öffnen Sie die Digitizer-Software auf dem Computer.Stellen Sie sicher, dass das 3D-Digitalisierersystem über einen entsprechenden COM-Port mit dem Computer in Verbindung steht. Laden Sie das Layout von Optoden, die in einer Datei festgelegt sind. Verschieben Sie die 3D-Digitalisiererstile, die den Schlüsselpositionen entsprechen.NZ, LZ, linkes Ohr, rechtes Ohr, CZ entlang des Bildschirms und drücken Sie die Taste auf dem Stift. Lokalisieren Sie optische Quellen und Detektoren. Exportieren Sie die 3D-Koordinatendatei.Datenanalyse. fNIRS-Datenanalyse. Verarbeiten Sie die 3D MNI-Koordinatendatei mithilfe der Registrierungsoption in fNIRS SPM mit MetLife 2019.Wählen Sie eigenständige Sonderregistrierung mit 3D-Digitalisierung aus. Wählen Sie die vorherige, speichern Sie es andere und Ursprung Textdatei. Registrierung. Vorverarbeitet fNIRS Signale mit Homer2 Software nach den folgenden Schritten.Die Anwendung der modifizierten Motion-Artefaktkorrektur. Übergeben Sie dann die Filterung 0,015 Hertz auf 0,2 Hertz. Normalisieren Sie eine dynamischere Signalamplitude, indem Sie die Durchschnittswerte dividieren.Generieren Sie die fNIRS-Daten für jeden Kanal auf der Grundlage einer 3D-digitalisierten Information. Wählen Sie die Kanäle mit einer Registrierungswahrscheinlichkeit von 100 % oder mehr in SFC gemäß der Regressionsberechnung des fNIRS SPM für die weitere Analyse aus. Exportieren Sie die Spitzenwerte von HbO.EEG-Datenverarbeitung. Laden Sie den unformatierten EEG-Datenordner mithilfe der Plugins in das EEG-Labor. Wählen Sie in dieser Studie das BOC-Plugin für die BDF-Datei aus.Bitte wählen Sie das passende Plugin nach dem EEG-Datendateiformat aus. Legen Sie die Kanalstandortinformationen für EEG lab fest. Laden Sie die entsprechende Speicherortdatei der Kappe.Wir verweisen auf Elektroden im ERP-Labor, das ein Plugin des EEG-Labors ist. Wählen Sie die Kanäle, legen Sie sie als referenzierte Elektroden in den Massenspeicher. Extrahieren Sie EEG-Daten basierend auf den Ereignis- und Bin-Dateien im ERP-Labor.Filtern Sie das EEG-Datensegment im ERP-Labor mit dem IIR-Filter. Durch Filtern der tiefen Frequenzen mit einem Cutoff von 30 Hertz und durch Filtern der hohen Frequenzen mit einer Kurve von 0,1 Hertz. Entfernen Sie okuläre EEG-Artefakte in der Bendon-Komponentenanalyse im EEG-Labor.Ablehnen Sie das EEG-Datensegment mit Amplitudenwerten, die den Bereich von positiven 100 bis zu den negativen 100 Mikrovolt an jedem Kanal im ERP-Labor überschreiten. EEG-Datensegment im ERP-Labor. Beachten Sie, dass dies die allgemein verwendete Datenanalysemethode und die Software zur Vorverarbeitung von EEG- und fNIRS-Daten sind.Es stehen zahlreiche Verarbeitungssoftware und -methoden zur Verfügung. Korrelationsberechnung. Generieren Sie die Beziehung zwischen fNIRS- und EEG-Aufzeichnungen mit der Pearson-Korrelationsanalyse.Repräsentative Ergebnisse. fNIRS Headset Platzierung und Kanalkonfiguration. Das digitalisierte Optodeslayout wird in das MNI-Koordinatensystem konvertiert und entlang des Hirnrindens überlappt.HbO-Signal für alle Kanäle, die mit der Flankeraufgabe verbunden sind. Die rosa Kurven bezeichnen den kongruenten Zustand, während die grünen den kongruenten Zustand angeben. ERP-Signal für FZ- und FCZ-Elektroden.Die schwarzen Kurven definieren die inkongruente Bedingung, während die roten die kongruente Bedingung bezeichnen. Korrelation zwischen dem ERP N200 und fNIRS Signal entlang der SFC für die inkongruente Bedingung. Zusammenfassend kombiniert die EEG und fNIRS Neuro-Bildgebung wurde durchgeführt, um die Gehirnaktivierung beteiligt flankiert durch die Aufzeichnung der Neurosignale des gesamten Gehirns und hämodynamische Reaktion des präfrontalen Kortex zugeordnet.Die EEG- und fNIRS-Daten haben wir erfolgreich mit einer Flankeraufgabe erworben. Unser Befund zeigte, dass die fNIRS hämodynamische Reaktion und ERP N200 Komponenten sind signifikant korreliert, die unterschiedliche Perspektive der kognitiven Mechanismus mit der Flanker-Aufgabe verbunden zeigen. Unsere multimodalen Neuro-Bildgebungsergebnisse unterstützen eine wesentliche Rolle der Kombination der EEG- und fNIRS-Technik bei der Entwicklung des Gehirns, was einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses des Neuromechanismus verschiedener kognitiver Verarbeitung ebnet.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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Forschung

Neurowissenschaften

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Group Synchronization During Collaborative Drawing Using Functional Near-Infrared Spectroscopy

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