的fNIRS功能磁共振成像测量验证过程中一个自然主义任务

此前参与，所有受试者提供按照机构准则知情同意。在这种情况下，该协议被批准，从明治大学（日本神奈川县），哥伦比亚大学医学中心（转移到耶鲁大学医学院进行数据分析），和长岛大学布鲁克林校区这项研究机构的人力保障计划。 1.软件和硬件改造和发展功能神经影像成像（fMRI和fNIRS） 通过编辑使用DDR，Stepmania，开源克隆改时机，图形和音乐的功能磁共振成像使用的研究感兴趣区域的配置文件（.SM）的细节之前，fNIRS成像修改游戏热舞革命 （DDR） 。 在.SM文件中指定的变量：背景，音乐，偏移量（启动音乐扫描时间），samplestart，samplelength，BPMS和bgchanges。指定箭头PATTERNS每项措施在.SM文件通过定义每小节的箭头作为值“1”，“0”，或“M”。定义左，上，下，右按键为每个度量。用“1”的箭头，用“0”为空，并用“M”表示在静止时期地雷。 使用游戏歌曲“ 蝴蝶 ”（最初由Smile.dk进行，可在原跳舞机3 次混合游戏光盘索尼的PlayStation上），让受试者利用内置的游戏机制交替块设计，以发挥在修改该.SM配置文件。备用30秒游戏次与背景图形指示到播放器时，播放（绿），当放松30秒休息时间（红色; 图1）。 无花果URE 1：范式设计（ 一 ）DDR图形用户界面。箭头在屏幕的底部移向屏幕的顶部。这些箭头表示科目按哪个按钮。当箭头到达山顶行动区域（在屏幕的顶部灰色箭头），受试者的反应是按正确按钮。播放时间显示一个绿色的背景。其余的时间由表示红色背景。在休息时间，箭被换成“炸弹”的动画。这些有关于游戏性或得分无功能，但被用来作为在休息时期占位。 （ 二）用于扫描的块设计由一共有5分钟的比赛和休息时期。预扫描为10秒的长度，然后交替30秒的发挥和休息块。 请点击此处查看该图的放大版本。 <ol s挞=“3”> 重复交替间隔五次每次运行，以确保特异性休息和活跃期之间的对比。 在功能磁共振成像数据收集的情况下，限制动作，左，右箭头按键使用脚按键功能磁共振成像录音。按钮按压的总数目应保持相等的这两个任务（ 图2）。 前向扫描过程，解说比赛的雏形受试者，允许受试者在成像之前几个实践中运行。指示受试者按与他们的脚尽可能接近在移动箭头的路径的顶部概述的完美的时间相应的箭头按钮，而是以最小化尽可能头部运动。 图2：实验装置的功能磁共振成像（A）受试者躺在核磁共振成像扫描仪，而observi纳克使用安装在头部线圈主体上方的镜面投影互动环境。图2B。一种改进的脚平台包括允许受试者在游戏中进行实时左或右脚尖水龙头回应两个按钮。 请点击此处查看该图的放大版本。 2.功能磁共振成像测试和分析获得结构图像的每一个前受游戏体验三维宠坏梯度回波序列（SPGR）（124片，256×256，视野=220毫米场），以10分38秒的总扫描时间。 使用扫描以下设置平面回波（EPI）T2 *加权梯度回波序列中获得功能性磁共振图像：回波时间= 51毫秒，重复时间= 3秒，翻转角= 83°。取得脑的27个连续的轴向切片图像的尺寸如下：192×192毫米的视野的视图中，带有128×128网格的1.56 x1.56毫米一个总分辨率为4.5毫米的z轴分辨率。 指导患者使用上面的范例，但只用左，右箭头，以减少运动伪影玩游戏。 执行功能磁共振成像BOLD信号分析使用SPM8 5，在MATLAB 7.0中实现。 丢弃前10秒EPI系列，以尽量减少T2 *放松神器，功能数据是通过运动最小二乘6，参数“刚体空间变换纠正。 正常化的重新调整的EPI扫描到MNI（蒙特利尔神经学研究所）模板具有2毫米3决议随后空间平滑为8毫米全宽度半最大值（FWHM）的高斯核。 执行主体级使用一般线性模型（GLM）用于比较所述活动状态中（DDR）相比较，其余条件创建统计参数图。统计分析</ LI> 执行组分析，使用标准的统计参数映射（SPM）个人成绩第二级随机效应的做法。以P <100像素0.01和簇大小阈值的阈值获得的基于组的分析结果感兴趣区域。 定义感兴趣的区域作为功能簇和优越和颞中回的解剖掩模之间的结合，从WFU PickAtlas工具13,14获得 3. fNIRS设置和数据采集采用22通道fNIRS地形系统，​​记录从排列成一个3×5阵列光极数据。间光极的距离为每个源-检测器对为3cm（ 图3A，B）。 东方含光学传感器阵列，以便它排队从左侧前额叶皮层到左颞叶弹性帽（ 图3A，B）。保证在最低行的光极在最前位置是居中国际10-10系统15对FPZ。光极并联的劣势排与解剖标志FPZ和T7之间的线对齐。 拧紧光学探针阵列被摄物体的头部，并保证它使用肩带和下巴肩带连接牢固。应注意，从头部表面光极的位移，使得源-检测器对是紧到头部但不舒服向受试者（ 图3C）。 样品原料模拟光极源 – 检测器对光线数据输入电脑，在7.9赫兹使用电脑的图形用户界面。 图3：光极设置为NIRS记录（A）中该盖由装有的可弯曲的塑料的弹性片的耦合到和豪lding3厘米间隔光极持有人。肩带​​装配到帽，以允许它被紧紧地装配到所述头部。帽是较大，并且允许比3×5阵列（黄色示出）用于该研究的更多光极，但有必要可靠地将其固定到受试者的磁头。 （B）中的光极帽和定位在左前额到颞叶。关于3×5阵列的主题提供覆盖的头的光极帽在左前额区域向左侧颞叶的例子。 （C）光极安置在固定头上有收紧带和南极帽帽显示。 请点击此处查看该图的放大版本。 使用由记录之前的制造商提供的系统控制软件测试校准和信号强度和信噪比。在高噪声的情况下被检测到，Remove光极和使用LED通道出现干扰头发发亮的塑料棒（ 图4）。 图4：光极信号优化头发从使用照明工具塑料取代头发从信道中心，以保证最佳的信号品质的每一个通道搬到请点击此处查看该图的放大版本。 使用一个三维数字化笔，以确定在弹性帽的每个信道的源和检测器光极的位置的空间值。使用数字化仪立即收集数据和玩游戏（ 图5）之前，以确定每个受试者的鼻根，INION，耳廓和锆石的空间坐标。保存文本文件与源和检测或地点others.txt和解剖坐标origin.txt文件。 图5：光极的位置校准磁数字化工具来确定的10-20标志上的光极道头的位置放置请 ​​点击此处查看该图的放大版本。 处理使用在近红外-SPM 16,17内的MATLAB 7.0（ 图6）的注册选项捕获三维坐标。从SPM的主菜单，挑选独立空间的注册。在下一屏幕上，选择“带三维扫描仪”，并使用相应的对话框中选择之前保存的其他和起源的文本文件。从软件的对话框中，选择“配准N（使用NFRI功能）“，确定空间表征 图6：对近红外光谱校准数据样本输出数字化数据被用来确定在大脑的特定区域的每个信道的概率。第22频道在这一主题表现出0.4129的颞中回和0.47419于颞上回的概率。该通道是由发射器和检测器对之间的区域限定。各地图中的通道22的圆圈代表促成从这个主题的光极对记录信号的区域的近似。 请点击此处查看该图的放大版本。 当所有光极频道位置都被数字化，并且每个通道提供关于S在由制造商提供的软件界面的GUI表示ufficient信号强度，要求受试者站立和DDR测试做准备（ 图7A，B）。 图7：在舞蹈游戏fNIRS数据收集 （ 一 ）主题站到使用块模式在游戏中扮演一个标准的舞蹈游戏垫，同时被拴在NIRS机。 （B）显示在收集来自受实时背景画面的原始数据收集数据的另一种观点。 请点击此处查看该图的放大版本。 4. fNIRS数据收集在此之前建立记录光极的fNIRS，提供科目一简要介绍以游戏和让实践熟悉游戏在功能磁共振成像检测。 对于fNIRS测试，使用相同的范例该功能磁共振成像测试中，并添加相对于用于fMRI的仅左箭头和右箭头的向上/向下箭头的。确保箭头压力机的总数是相同的fMRI和fNIRS任务之间，只有图案不同。 在fNIRS测试（ 图7A）使用一个标准的4键地板垫按钮响应系统进行游戏。 一旦舒适的游戏的基本知识，指导患者打30秒的比赛时间有30秒的休息时间，如步骤1.2。每个科目重复这个5分钟的比赛两次。 责成专门科目不碰自己的脸或鼻子，尤其是他们的头发或头部附近的光极。指导患者尽量减少在游戏过程中其头部的转动，YAWL或俯仰运动。 5. fNIRS数据分析<ol> 使用一种改进的比尔-朗伯方法18中的计算分别反映了氧化血红蛋白（氧血红蛋白），脱氧血红蛋白（脱氧血红蛋白），和总血红蛋白（总血红蛋白）的浓度变化ΔoxyHb，ΔdeoxyHb和ΔtotalHb相对信号使用以下公式任意单位（μM厘米）： ΔoxyHb= -1.4887×780ΔABS+ 0.5970×805ΔABS+ 1.4847×830ΔABS ΔdeoxyHb= 1.8545×780ΔABS+（-0.2394）×805ΔABS+（-1.0947）×830ΔABS ΔtotalHb=ΔoxyHb+ΔdeoxyHb; 其中，ΔABS表示在对应的波长光线吸收的变化。 从个体血液动力学信号通过25 阶 Savitzky-Golay滤波低通滤波器的原始数据和平均19。 与发病设置为零申请基线校正的平均数据。 通过由信号的标准偏差除以平均值正常化血液动力学信号振幅记录前的任务10秒。 基于三维数字化仪的信息进行分析选择频​​道。这里，使用一个信道，根据登记过程的输出，以利用用于分析具有在中东和颞上回80％或更多的注册的概率）。 功能磁共振成像和fNIRS信号6.比较使用在SPM8结果在功能T> 2.6或相应的P值<0.01，以确定超阈值像素。使用重叠超阈值的体素以限定解剖区域的内侧的簇确定的感兴趣区域（ROI）的区域。 在这种情况下，使用定义包含在挑选WFU阿特拉斯AAL地图集优越，颞中回。在THI案，将所得簇具有572 2×2×2mm的位于颞中回具有峰体素在坐标（-66，-24，0）和峰值T = 5.73 fNIRS体素。 确定兴趣fNIRS数据使用3D其中使用NIRS-SPM坐标上面的步骤3.5.1转换为数字化MNI坐标通道。在这种情况下，在大多数受试者通道22有活性的，在步骤6.1中定义的投资回报率的概率最高。 确定平均，事件触发的投资回报率在功能磁共振成像对fNIRS的60秒块（活动和休息，结合）的响应时间和相应的通道。 对于每个受试者，在群集内平均的血氧水平依赖（BOLD）的原料为所述体素信号，以生成fMRI的事件触发的平均数据。 比较功能磁共振成像和fNIRS通过缩放功能磁共振成像数据来优化使用线性回归使用fNIRS = B *功能磁共振成像，那里的回归方法获得B值，以便塔匹配fNIRS数据T中的根平均fNIRS -b * fMRI的平方值最小。 由两组相关比较fNIRS与fMRI信号。