Name: qualitative and comparative cortical activity data analyses from a functional near-infrared spectroscopy experiment applying block design
Uploaded: 2020-12-03T15:00:00
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Diese Arbeit wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Grant-in-Aid for Scientific Research (C) 18K08956 und einem Fonds des Central Research Institute der Fukuoka University (Nr. 201045) unterstützt.

Diese Studie wurde vom Institutional Review Board (IRB) der Fukuoka University, Japan (IRB Nr. 2017M017) genehmigt. Vor der Teilnahme gaben alle Patienten eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung ab.
1. Vorbereitung des fNIRS-Experiments
HINWEIS: Für dieses Experiment wurde ein mehrkanaliges, laserbasiertes NIRS-System mit kontinuierlicher Welle verwendet. Die Wellenlängen des Nahinfrarotlichts betrugen 780 nm, 805 nm und 830 nm, und die Abtastrate wurde auf ...

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	<li>Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Pugnetti, L., Baselli, G., Baglio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systematic+review+of+cerebral+functional+near-infrared+spectroscopy+in+chronic+neurological+diseases-actual+applications+and+future+perspectives.">A systematic review of cerebral functional near-infrared spectroscopy in chronic neurological diseases-actual applications and future perspectives.</a> Diagnostics (Basel). 10 (8), (2020).</li><li>Mihara, M., Miyai, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+functional+near-infrared+spectroscopy+in+neurorehabilitation.">Review of functional near-infrared spectroscopy in neurorehabilitation.</a> Neurophotonics. 3 (3), 031414 (2016).</li><li>Yang, M., Yang, Z., Yuan, T., Feng, W., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systemic+review+of+functional+near-infrared+spectroscopy+for+stroke:+Current+application+and+future+directions.">A systemic review of functional near-infrared spectroscopy for stroke: Current application and future directions.</a> Frontiers in Neurology. 10, 58 (2019).</li><li>Pinti, 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=The+present+and+future+use+of+functional+near-infrared+spectroscopy+(fNIRS)+for+cognitive+neuroscience.">The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience.</a> Annals of the New York Academy of Sciences. 1464 (1), 5-29 (2020).</li><li>Obrig, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIRS+in+clinical+neurology+-+a+'promising'+tool.">NIRS in clinical neurology - a 'promising' tool.</a> Neuroimage. 85, 535-546 (2014).</li><li>Fujimoto, H., 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=Cortical+changes+underlying+balance+recovery+in+patients+with+hemiplegic+stroke.">Cortical changes underlying balance recovery in patients with hemiplegic stroke.</a> Neuroimage. 85, 547-554 (2014).</li><li>Herold, 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=Functional+near-infrared+spectroscopy+in+movement+science:+a+systematic+review+on+cortical+activity+in+postural+and+walking+tasks.">Functional near-infrared spectroscopy in movement science: a systematic review on cortical activity in postural and walking tasks.</a> Neurophotonics. 4 (4), 041403 (2017).</li><li>Leff, D. R., 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=Assessment+of+the+cerebral+cortex+during+motor+task+behaviours+in+adults:+a+systematic+review+of+functional+near+infrared+spectroscopy+(fNIRS)+studies.">Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: a systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies.</a> Neuroimage. 54 (4), 2922-2936 (2011).</li><li>Morishita, T., 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=Changes+in+motor-related+cortical+activity+following+deep+brain+stimulation+for+parkinson's+Disease+detected+by+functional+near+infrared+spectroscopy:+A+pilot+study.">Changes in motor-related cortical activity following deep brain stimulation for parkinson's Disease detected by functional near infrared spectroscopy: A pilot study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 10, 629 (2016).</li><li>Lee, S. H., Jin, S. H., An, 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+difference+in+cortical+activation+pattern+for+complex+motor+skills:+A+functional+near-+infrared+spectroscopy+study.">The difference in cortical activation pattern for complex motor skills: A functional near- infrared spectroscopy study.</a> Science Reports. 9 (1), 14066 (2019).</li><li>Hatakenaka, M., Miyai, I., Mihara, M., Sakoda, S., Kubota, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frontal+regions+involved+in+learning+of+motor+skill--A+functional+NIRS+study.">Frontal regions involved in learning of motor skill--A functional NIRS study.</a> Neuroimage. 34 (1), 109-116 (2007).</li><li>Saita, 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=Combined+therapy+using+botulinum+toxin+A+and+single-joint+hybrid+assistive+limb+for+upper-limb+disability+due+to+spastic+hemiplegia.">Combined therapy using botulinum toxin A and single-joint hybrid assistive limb for upper-limb disability due to spastic hemiplegia.</a> Journal of the Neurological Sciences. 373, 182-187 (2017).</li><li>Chang, P. H., 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+cortical+activation+pattern+by+a+rehabilitation+robotic+hand:+a+functional+NIRS+study.">The cortical activation pattern by a rehabilitation robotic hand: a functional NIRS study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 8, 49 (2014).</li><li>Bae, S. J., Jang, S. H., Seo, J. P., Chang, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+optimal+speed+for+cortical+activation+of+passive+wrist+movements+performed+by+a+rehabilitation+robot:+A+functional+NIRS+study.">The optimal speed for cortical activation of passive wrist movements performed by a rehabilitation robot: A functional NIRS study.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 11, 194 (2017).</li><li>Saita, 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=Biofeedback+effect+of+hybrid+assistive+limb+in+stroke+rehabilitation:+A+proof+of+concept+study+using+functional+near+infrared+spectroscopy.">Biofeedback effect of hybrid assistive limb in stroke rehabilitation: A proof of concept study using functional near infrared spectroscopy.</a> PLoS One. 13 (1), 0191361 (2018).</li><li>Mihara, M., 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=Near-infrared+spectroscopy-mediated+neurofeedback+enhances+efficacy+of+motor+imagery-based+training+in+poststroke+victims:+a+pilot+study.">Near-infrared spectroscopy-mediated neurofeedback enhances efficacy of motor imagery-based training in poststroke victims: a pilot study.</a> Stroke. 44 (4), 1091-1098 (2013).</li><li>Naseer, N., Hong, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=fNIRS-based+brain-computer+interfaces:+a+review.">fNIRS-based brain-computer interfaces: a review.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 9, 3 (2015).</li><li>Mihara, M., 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=Neurofeedback+using+real-time+near-infrared+spectroscopy+enhances+motor+imagery+related+cortical+activation.">Neurofeedback using real-time near-infrared spectroscopy enhances motor imagery related cortical activation.</a> PLoS One. 7 (3), 32234 (2012).</li><li>Tak, S., Jang, J., Lee, K., Ye, 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=Quantification+of+CMRO(2)+without+hypercapnia+using+simultaneous+near-infrared+spectroscopy+and+fMRI+measurements.">Quantification of CMRO(2) without hypercapnia using simultaneous near-infrared spectroscopy and fMRI measurements.</a> Physics in Medicine and Biology. 55 (11), 3249-3269 (2010).</li><li>Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., 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=A+quantitative+comparison+of+simultaneous+BOLD+fMRI+and+NIRS+recordings+during+functional+brain+activation.">A quantitative comparison of simultaneous BOLD fMRI and NIRS recordings during functional brain activation.</a> Neuroimage. 17 (2), 719-731 (2002).</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>Delpy, D. T., 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=Estimation+of+optical+pathlength+through+tissue+from+direct+time+of+flight+measurement.">Estimation of optical pathlength through tissue from direct time of flight measurement.</a> Physics in Medicine and Biology. 33 (12), 1433-1442 (1988).</li><li>Tachtsidis, I., Scholkmann, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=False+positives+and+false+negatives+in+functional+near-infrared+spectroscopy:+issues,+challenges,+and+the+way+forward.">False positives and false negatives in functional near-infrared spectroscopy: issues, challenges, and the way forward.</a> Neurophotonics. 3 (3), 031405 (2016).</li><li>Jang, K. E., 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=Wavelet+minimum+description+length+detrending+for+near-infrared+spectroscopy.">Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034004 (2009).</li><li>Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NIRS-SPM:+statistical+parametric+mapping+for+near-infrared+spectroscopy.">NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy.</a> Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).</li><li>Orihuela-Espina, F., Leff, D. R., James, D. R., Darzi, A. W., Yang, G. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quality+control+and+assurance+in+functional+near+infrared+spectroscopy+(fNIRS)+experimentation.">Quality control and assurance in functional near infrared spectroscopy (fNIRS) experimentation.</a> Physics in Medicine and Biology. 55 (13), 3701-3724 (2010).</li><li>Benjamini, Y., Hochberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+false+discovery+rate:+a+practical+and+powerful+approach+to+multiple+testing.">Controlling the false discovery rate: a practical and powerful approach to multiple testing.</a> Journal of the Royal Statistical Society Series B. 57 (1), 289-300 (1995).</li><li>Herold, F., Wiegel, P., Scholkmann, F., Muller, N. G. <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 Clinial Medicine. 7 (12), (2018).</li><li>Boden, 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=The+oxygenation+response+to+functional+stimulation:+is+there+a+physiological+meaning+to+the+lag+between+parameters.">The oxygenation response to functional stimulation: is there a physiological meaning to the lag between parameters.</a> Neuroimage. 36 (1), 100-107 (2007).</li><li>Pinti, P., Scholkmann, F., Hamilton, A., Burgess, P., Tachtsidis, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+status+and+issues+regarding+pre-processing+of+fNIRS+neuroimaging+data:+An+investigation+of+diverse+signal+filtering+Methods+within+a+general+linear+model+Framework.">Current status and issues regarding pre-processing of fNIRS neuroimaging data: An investigation of diverse signal filtering Methods within a general linear model Framework.</a> Frontiers in Human Neuroscience. 12, 505 (2018).</li><li>Udina, C., 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=Functional+near-infrared+spectroscopy+to+study+cerebral+hemodynamics+in+older+adults+during+cognitive+and+motor+tasks:+a+review.">Functional near-infrared spectroscopy to study cerebral hemodynamics in older adults during cognitive and motor tasks: a review.</a> Frontiers in Aging Neuroscience. 11, 367 (2019).</li><li>Verghese, J., Wang, C., Ayers, E., Izzetoglu, M., Holtzer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+activation+in+high-functioning+older+adults+and+falls:+Prospective+cohort+study.">Brain activation in high-functioning older adults and falls: Prospective cohort study.</a> Neurology. 88 (2), 191-197 (2017).</li><li>Yucel, M. 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=Short+separation+regression+improves+statistical+significance+and+better+localizes+the+hemodynamic+response+obtained+by+near-infrared+spectroscopy+for+tasks+with+differing+autonomic+responses.">Short separation regression improves statistical significance and better localizes the hemodynamic response obtained by near-infrared spectroscopy for tasks with differing autonomic responses.</a> Neurophotonics. 2 (3), 035005 (2015).</li><li>Torricelli, 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=Time+domain+functional+NIRS+imaging+for+human+brain+mapping.">Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping.</a> Neuroimage. 85, 28-50 (2014).</li><li>Giacalone, G., 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=Time-domain+near-infrared+spectroscopy+in+acute+ischemic+stroke+patients.">Time-domain near-infrared spectroscopy in acute ischemic stroke patients.</a> Neurophotonics. 6 (1), 015003 (2019).</li><li>Saita, 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=Contralateral+cerebral+hypometabolism+after+cerebellar+stroke:+a+functional+near-infrared+spectroscopy+study.">Contralateral cerebral hypometabolism after cerebellar stroke: a functional near-infrared spectroscopy study.</a> Journal of Stroke and Cerebrovascular Diseases. 26 (4), 69-71 (2017).</li></ol>

In unserer Gruppe analytische Methoden für fNIRS haben wir neben der Durchführung einer bildgebenden Analysemethode durch qualitative t-statistischeMappings auch Pre- vs. Post-Intervention (robotergestützte Übung) mit der vergleichenden Mehrkanalanalyse verglichen. Für die qualitative Analyse verwendeten wir die NIRS-SPM-Software als massenunivariaten Ansatz auf Basis des verallgemeinerten linearen Modells. Die NIRS-SPM-Analyse zeigt qualitative Ergebnisse jeder Sitzung, indem der aktivierte Bereich währen...

Die Neurorehabilitation spielt eine wichtige Rolle bei der funktionellen Erholung nach sensomotorischen Störungen. Um die Mechanismen der neuroplastizitätsassoziierten funktionellen Erholung zu klären, wurden verschiedene Neuroimaging-Technologien wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), die Positronenemissionstomographie (PET), die Elektroenzephalographie (EEG) und die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) eingesetzt. Unterschiedliche Bildgebungsmodalitäten haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Obwohl die fMRT das typischste Gerät ist, wird sie von Magnetfeldern beeinflusst, hat hohe Kosten, hohe physikalische Einschränkungen und begrenzte sensomotorische Aufgaben1,2,3,4. Das fNIRS-Gerät zeichnet sich als nichtinvasives optisches Neuroimaging aus und hat eine relativ geringere räumliche Auflösung, aber es hat eine bessere zeitliche Auflösung als fMRI4. fNIRS eignet sich zur Überprüfung von Behandlungseffekten, da es die Effekte vor und nach der Intervention vergleicht, dynamische motorische Aufgaben hat, tragbar ist und in natürlichen Umgebungen besser funktioniert als fMRT1,2,4. Es wurde berichtet, dass NIRS in den Bereichen zerebrovaskuläre Erkrankungen, epileptische Störungen, schwere Hirnverletzungen, Parkinson-Krankheit und kognitive Beeinträchtigung besser geeignet ist1,5. In Bezug auf sensomotorische Aufgaben ist es weit verbreitet in Gang und Stehbalance6,7,8, Funktion der oberen Gliedmaßen (Handgreifen, Fingerklopfen)8,9, komplexes motorisches Training10,11, Robotik12,13,14,15und Gehirn-Computer-Schnittstelle16,17,18. Das fNIRS basiert auf den Prinzipien der optischen Neurobildgebung und der neurovaskulären Kopplung, die kortikale Stoffwechselaktivität, erhöhten Blutfluss und folglich kortikale Aktivität als sekundäre Signale messen19. Es wurde berichtet, dass fNIRS-Signale starke Korrelationen mit Signalen der blutsauerstoffgehaltsabhängigen fMRTaufweisen 20. Ein kontinuierlicher fNIRS verwendet das modifizierte Beer-Lambert-Gesetz, um die Veränderungen der kortikalen Konzentrationen von sauerstoffreichem Hämoglobin (HbO2) und desoxygeniertem Hämoglobin (HHb) basierend auf gemessenen Änderungen der breitbandigen Nahinfrarot-Lichtdämpfung21,22zu bestimmen. Da es nicht möglich war, den differentiellen Weglängenfaktor (DPF) mit dem kontinuierlichen NIRS-System zu messen,nahmenwir an, dass der DPF konstant war und dass Hämoglobinsignaländerungen in beliebigen Einheiten von Millimolmillimeter (mM x mm)2,18bezeichnet wurden.
Die fNIRS-Experimente müssen die am besten geeigneten Methoden auswählen, einschließlich der Sondeneinstellungen, der Versuchsdesigns und der Analysemethoden. In Bezug auf die Sondeneinstellung ist die internationale 10-20-Methode, die in der EEG-Messung verwendet wird, der Von vielen Forschern in der Neuroimaging verwendet wird. In den letzten Jahren wurden Koordinateneinstellungen basierend auf dem Standardgehirn auf der Grundlage von Koordinaten des Montreal Neurological Institute (MNI) verwendet. Das Experiment verwendet ein Blockdesign, das im Allgemeinen für sensomotorische Aufgaben verwendet wird, und ein ereignisbezogenes Design. Dies ist eine Methode zum Vergleich von Veränderungen der Hämoglobinkonzentration in Ruhe und während der Aufgaben; DieHbO2-Konzentration steigt und die HHb-Konzentration nimmt mit Veränderungen des zerebralen Blutflusses ab, die mit aufgabenabhängiger kortikaler Aktivität verbunden sind. Obwohl es verschiedene Analysemethoden gibt, ermöglicht die freie Software NIRS-SPM eine Analyse ähnlich dem statistischen parametrischen Mapping (SPM) der fMRT. Die Behandlung von NIRS-Daten verwendet einen massenunivariariaten Ansatz, der auf dem allgemeinen linearen Modell (GLM) basiert. Bei der Durchführung einer aufgabenabhängigen Gehirnaktivitätsanalyse können die fNIRS-Messungen durch evozierte oder nicht evozierte neuronale Aktivität und systemische physiologische Interferenzen (Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz und Aktivität des autonomen Nervensystems) im zerebralen und extrazerebralen Kompartiment beeinflusst werden23. Daher sind Voranalyseverarbeitung, Filterung, Wavelet-Konvertierung und Hauptkomponentenanalyse nützlich23. In Bezug auf Filterung und Artefakte der Datenverarbeitung mit dem NIRS-SPM wurden Tiefpassfilterung9 und die Wavelet-Beschreibungslänge (Wavelet-MDL)24 Detrending verwendet, um die Bewegung oder andere Rausch-/Artefaktquellen zu überwinden. Einzelheiten zu dieser Analysemethode finden Sie im Bericht von Ye et al.25. Obwohl es Berichte gibt, die nur SPM verwenden, handelt es sich nur um einen qualitativen Index durch Bildanalyse, und aufgrund der geringen räumlichen Auflösung von NIRS ist bei der Gruppenanalyse äußerste Vorsicht geboten. Darüber hinaus sollten bei konstantem DPF keine numerischen Vergleiche zwischen Kanälen und Individuen durchgeführt werden, sondern der Unterschied in den Änderungen in jedem Kanal kann überprüft werden. Basierend auf den oben genannten Bedingungen haben wir zur Ergänzung der NIRS-SPM-Gruppenanalyseergebnisse die ursprüngliche Analysemethode für die Mehrkanalanalyse verwendet, nachdem wir die Genauigkeit der räumlichen Registrierung verbessert haben. Diese Mehrkanalanalyse verglich die Amplitude der Änderung derHbO2- und HHb-Spiegel zwischen den Ruhe- und On-Task-Perioden an jedem Kanal vor und unmittelbar nach der Behandlung unter Verwendung hierarchischer Mischmodelle mit festen Interventionen (vor oder nach), festen Perioden (Ruhe oder On-Task) und zufälligen individuellen Effekten.
Auf diese Weise gibt es mehrere fNIRS-Mess- und Analysemethoden; es wurde jedoch keine Standardmethode festgelegt. In diesem Artikel stellen wir unsere Methoden vor, qualitative GLM-basierte statistische parametrische Kartierung und das vergleichende mehrstufige hierarchische Mischmodell, um Daten aus einem Mehrkanal-fNIRS-Experiment von Vor- vs. Post-Intervention unter Verwendung eines Blockdesigns mit sensomotorischen Aufgaben zu analysieren.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D-digitizer software</td>
			<td>TOPCON</td>
			<td>-</td>
			<td>NS-1000 software ver.1.50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIRS system</td>
			<td>Shimadzu</td>
			<td>-</td>
			<td>FOIRE-3000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Robot</td>
			<td>CYBERDYNE</td>
			<td>-</td>
			<td>Single-joint type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

qualitative and comparative cortical activity data analyses from a functional near-infrared spectroscopy experiment applying block design

Neuroimaging-Studien spielen eine zentrale Rolle bei der Beurteilung von prä- vs. postinterventionellen neurologischen Erkrankungen wie rehabilitation und chirurgischer Behandlung. Unter den vielen Neuroimaging-Technologien, die zur Messung der Gehirnaktivität verwendet werden, ermöglicht die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) die Bewertung dynamischer kortikaler Aktivitäten durch Messung der lokalen Hämoglobinspiegel ähnlich der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT). Aufgrund der geringeren körperlichen Einschränkung in fNIRS können auch mehrere Varianten sensomotorischer Aufgaben bewertet werden. Viele Labore haben verschiedene Methoden zur fNIRS-Datenanalyse entwickelt; Trotz der Tatsache, dass die allgemeinen Prinzipien die gleichen sind, gibt es keine universell standardisierte Methode. Hier stellen wir die qualitativen und vergleichenden Analysemethoden von Daten aus einem Mehrkanal-fNIRS-Experiment unter Verwendung eines Blockdesigns vor. Für die qualitative Analyse verwendeten wir eine Software für NIRS als massenunivariariaten Ansatz, der auf dem verallgemeinerten linearen Modell basiert. Die NIRS-SPM-Analyse zeigt qualitative Ergebnisse für jede Sitzung, indem der aktivierte Bereich während der Aufgabe visualisiert wird. Darüber hinaus kann der nicht-invasive dreidimensionale Digitizer verwendet werden, um die fNIRS-Kanalpositionen relativ zum Gehirn abzuschätzen. Um die NIRS-SPM-Ergebnisse zu bestätigen, kann die Amplitude der durch die sensomotorische Aufgabe induzierten Veränderungen des Hämoglobinspiegels statistisch analysiert werden, indem die Daten aus zwei verschiedenen Sitzungen (vor und nach der Intervention) desselben Studienteilnehmers mit einem mehrkanaligen hierarchischen Mischmodell verglichen werden. Mit unseren Methoden kann die Prä- vs. Post-Interventionsanalyse bei einer Vielzahl von neurologischen Störungen wie Bewegungsstörungen, zerebrovaskulären Erkrankungen und neuropsychiatrischen Störungen gemessen werden.

Hier stellen wir die roboterassistierte Rehabilitation vor, an der unsere Gruppe derzeit arbeitet: die Biofeedback-Effekte auf das motorische Defizit der oberen Extremitäten bei Patienten mit akutem Schlaganfall. Wir schlossen 10 zustimmende Schlaganfallpatienten (Durchschnittsalter: 66,8 ± 12,0 Jahre; zwei Frauen und acht Männer) ein, die in unser Krankenhaus eingeliefert wurden. Im subakuten Schlaganfallstadium, mehr als 2 Wochen nach Beginn, bewerteten wir die motorische kortikale A...

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

Wir beschreiben die Analyse eines kontinuierlichen funktionellen Nahinfrarot-Spektroskopie-Experiments mit einem Blockdesign mit einer sensomotorischen Aufgabe. Um die Zuverlässigkeit der Datenanalyse zu erhöhen, verwendeten wir das qualitative allgemeine lineare modellbasierte statistische parametrische Mapping und die vergleichenden hierarchischen Mischmodelle für Mehrkanalmodelle.

Qualitative und vergleichende kortikale Aktivitätsdatenanalysen aus einem funktionellen Nahinfrarot-Spektroskopie-Experiment unter Anwendung des Blockdesigns

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

Research

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

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Recording Human Electrocorticographic (ECoG) Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Recording Human Electrocorticographic ECoG Signals for Neuroscientific Research and Real-time Functional Cortical Mapping

Aufnahme Menschliche Electrocorticographic (ECoG) Signale für neurowissenschaftliche Forschung und Real-time Funktionelle kortikale Mapping

Neuroimaging studies of human cognitive, sensory, and motor processes are usually based on noninvasive techniques such as electroencephalography (EEG), ...

Simultaneous Electroencephalography, Real-time Measurement of Lactate Concentration and Optogenetic Manipulation of Neuronal Activity in the Rodent Cerebral Cortex

Gleichzeitige Elektroenzephalographie, Real-time Messung der Laktat-Konzentration und optogenetische Manipulation der neuronalen Aktivität in der Nagetier Cerebral Cortex

Although the brain represents less than 5% of the body  by mass, it utilizes approximately one quarter of the glucose used by the body  at rest1. The ...

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

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

Neuroimaging Feldmethoden mit funktionalen in der Nähe von Infrarot-Spektroskopie (NIRS) Neuroimaging, globale Kindesentwicklung zu studieren: ländliche Subsahara-Afrika

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

Hyperscanning Experimente mit funktionalen Nah-Infrarot-Spektroskopie

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

Einsatz von Infrarot-Fluoreszenz und hochauflösendem Scannen zur Messung des Protein-Expression im Rodentrains

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

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 ...

Combined In Vivo Anatomical and Functional Tracing of Ventral Tegmental Area Glutamate Terminals in the Hippocampus

Kombinierte in vivo anatomische und funktionelle Spurensuche von ventralen Tegmentalflächen-Glutamat-Terminals im Hippocampus

Optogenetic modulation of neuron sub-populations in the brain has allowed researchers to dissect neural circuits in vivo and ex vivo. This provides a ...

Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Zuverlässige Erfassung von Elektroenzephalographiedaten während der simultanen Elektroenzephalographie und funktionellen MRT

Simultaneous electroencephalography (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI), EEG-fMRI, combines the complementary properties of scalp EEG ...