자연주의 작업하는 동안 fNIRS 측정의 fMRI 검증
概要
We present a method to compare functional brain activity recorded during a naturalistic task using fNIRS with activity recorded during fMRI.
Abstract
We present a method to compare brain activity recorded with near-infrared spectroscopy (fNIRS) in a dance video game task to that recorded in a reduced version of the task using fMRI (functional magnetic resonance imaging). Recently, it has been shown that fNIRS can accurately record functional brain activities equivalent to those concurrently recorded with functional magnetic resonance imaging for classic psychophysical tasks and simple finger tapping paradigms. However, an often quoted benefit of fNIRS is that the technique allows for studying neural mechanisms of complex, naturalistic behaviors that are not possible using the constrained environment of fMRI. Our goal was to extend the findings of previous studies that have shown high correlation between concurrently recorded fNIRS and fMRI signals to compare neural recordings obtained in fMRI procedures to those separately obtained in naturalistic fNIRS experiments. Specifically, we developed a modified version of the dance video game Dance Dance Revolution (DDR) to be compatible with both fMRI and fNIRS imaging procedures. In this methodology we explain the modifications to the software and hardware for compatibility with each technique as well as the scanning and calibration procedures used to obtain representative results. The results of the study show a task-related increase in oxyhemoglobin in both modalities and demonstrate that it is possible to replicate the findings of fMRI using fNIRS in a naturalistic task. This technique represents a methodology to compare fMRI imaging paradigms which utilize a reduced-world environment to fNIRS in closer approximation to naturalistic, full-body activities and behaviors. Further development of this technique may apply to neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease, late states of dementia, or those with magnetic susceptibility which are contraindicated for fMRI scanning.
Introduction
여기에 기술 된 방법의 목적은 fMRI와 fNIRS 및 (기능 근적외선 분광법)와 유사한 멀티 모달 작업에서 신호를 비교하는 작업 프로토콜을 개발하는 것이었다. 구체적으로 우리는 전통적인 자기 공명 진동에 의한 검사, 운동 장애, 또는 다중 주입 장치에 대한 금기 개인들과 사용하기위한 기능적인 이미징 방법을 개발하는 것을 목표로. 많은 효과적인 교육 및 재활 프로그램이 떨어지는 위험에 개인을 위해 존재하지만, 이러한 프로그램의 효과를 기본 신경 메커니즘을 더 확인이 없습니다. 종종, 이러한 교육 프로그램에 참여하는 개인은 금기 인용 된 이유입니다. 본 연구에 대한 이론적 근거는 우리 몸 전체의 움직임을 수반하는 자연 모터 작업과 관련된 뇌 활동의 패턴을 결정하는 기능, 근적외선 분광법 (fNIRS)의 효능을 결정 하였다. 장기 목표는 스터드 도구의 개발을 포함Y뿐만 아니라 운동 학습 패러다임하지만 전통적인 방법을 사용하여 자연 방식으로 수행 할 수없는 작업의 폭 넓은 다양한 fNIRS의 적합성을 확인하는 역할을한다.
fNIRS 활동은 이전에 고도의 패러다임을 눌러 고전 심리적, 간단한 손가락을 사용하여 동시 fNIRS과의 fMRI 기능 활동을 측정 제한된 연구에서의 fMRI BOLD (혈액의 산소 수준에 따라 다름) 신호 녹음과 상동 지역에 대한 (R = 0.77-0.94) 상관 관계가 밝혀졌다 1-3. 이러한 연구 결과는 fNIRS의 fMRI 호환 환원 환경 태스크와 관련된 대뇌 피질의 활성을 측정하기 유효하고 신뢰성 확인. 그러나, fNIRS는 뇌 영상 방법으로의 fMRI에 비해 많은 장점이 있습니다. fNIRS는 중요한의 fMRI보다 동 잡음에 덜 민감하고 그들이 자연 환경에서 모터 paradig를 제한의 fMRI 연구에 반대 할뿐만 주제 행동 할 수 있습니다MS 사. fNIRS과 관련된 시간적 정확성으로 인해 증가 된 샘플링 주파수로 증가 세분화 신경 반응 함수의 변화를 결정 수 있습니다. 마지막으로, fNIRS의 비용의 fMRI 스캔보다 낮은과 연구가 적은 비용으로 수행 할 수 있습니다. 그러나, 최근의 침투 깊이 제한, 제한된 공간 해상도 및 포함의 fMRI에 비해 fNIRS 단점이 있다고 밝혀졌다있다 같은 행 위양성을 도입 할 수 혈압, 심박수, 및 두피 혈류 효과 특정 생리적 현상 대뇌 피질의 혈역학 적 신호 5-9. 방법론 및 신호 처리, 고밀도 optode 구배를 제공하는 하드웨어를 포함 NIRS 특정 하드웨어 개발의 번호가 현재 개발되고있는 동안, 자기 공명과 fNIRS 절차가 서로를 보완 할 수있는 혼합 된 방법론을 개발하는 것이 여전히 중요하다.
이 연구는 테스트하는 역할을한다자연 댄스 비디오 게임 태스크 동안 신경 결합 메커니즘을 결정 fNIRS 방법. 연구의 목적은 fNIRS를 이미지화 작업 자연 버전을 사용하여 피사체의 다른 그룹의 fMRI를 이용하여 묘화 개인의 그룹 사이의 뇌 (우수한 중간 시간적 이랑)의 통합 센터에서 활성을 비교 하였다. 우리 그룹은 이전에 비슷한 대화 형 게임의 패러다임을 사용하여이 지역을 조사하고 측두엽의 활동 대뇌 피질의 활성화 (10)에 따라 옥시 및 해제 oxyHb 발색단 모두에 반응을 보이고있다. 우리는 또한 이전에 작업의 대뇌 피질의 부하가 아닌 활동 자체 (11)와 관련된 전신 반응에 대해 진폭 변조 이전에이 지역에서 응답을 보여줌으로써 전신 이슈를 제어하려고했습니다. 우수하고 중간 시간 이랑 멀티 모달 감각 자극의 통합과 관련된 활동을 알고 있으며, 우리는 이전에이댄스 댄스 레볼루션 (DDR) 우리의 fNIRS 간행물 10-12뿐만 아니라 파일럿의 fMRI 연구에서 게임 플레이에 활성화하기 위해이 영역을 표시. 본 연구에 대한 우리의 가설을 기록하여 fNIRS으로이 지역의 기능 활동이 상당히 유사하지만 제한된 댄스 게임 프로토콜에서의 fMRI를 사용하여 촬영 기능 활동과 상관 것이라고했다.
여기에 설명 된 프로토콜과의 fMRI fNIRS 프로토콜 모두에서 뇌 영상 패러다임로서 사용되는 방법 댄스 비디오 게임을 수정 포함한다. 그러나 전체 과정은 비디오 게임의 패러다임을 특정하지 않고 언어와 전위의 작업을 포함하는 자기 공명 프로토콜의 제약에서 수행 할 수없는 작업의 번호에 해당 될 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 상기 fNIRS를 이용하여 실시간 실제 작업 동안 연구 될 수이자 (ROI)의 특정 지역을 개발하는 자기 공명의 해부학 적 특이성을 사용하는 방법을 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS 천연의 신경 활동의 상관 관계 조사를 허용 가능성을 갖고 기능적 뇌 영상 기법이다. 이러한 기술의 개발은 활성 연구 방향이다. 우리는 여기에 댄스 비디오 게임에 참여와 관련된 관심 영역에 하나의 기능적 뇌 활동을 기록하기위한 효과적인 방법론왔다 개요.
fNIRS와 운동 학습 패러다임을 조사 출판물 번호 동시에 뇌의 복수의 영역 (20, 21)에 기능적 활동을 기록 할 수있는 히타치 시마즈 (및 기타)에서 멀티 채널 fNIRS 단위의 도입으로 최근에는 급속도로 증가하고있다 . 우리는 fNIRS 신호의 해부학 적 특이성을 결정하기 위해뿐만 아니라 타이밍 및 신호 진폭의 변동은 모터 작업 행동 성능에 기여하는 방법을 결정하는 신호를 사용하는 것이 가능하다는 것을 미리 보여 주었다 <suP> 11. 저널 Neuroimage의 최근 특별한 문제는 NIRS 기술의 현재 응용 프로그램에 초점을 맞추고 운동 학습 (22)에 특정 연구의 번호를 포함. 심지어 NIRS 기술이 눈덩이 관심과 함께, 몇 가지 연구의 fMRI에 의해 검증 자연 주의적 행동의 신경 메커니즘에 초점을 맞추고있다. 이 특별한 문제를 비롯한 다양한 출판물 23-26 명확 모터 동작을 공부 fNIRS의 미래 역할을 간략하게 설명하는 동안, 프로토콜은 여기에 자연 주의적 행동에서의 fMRI와 fNIRS 데이터를 비교하는 균일 한 방법의 유효성을 검사하기 위해 개발되었다 설명했다.
결과는 인라인 그와 전에 동시의 fMRI / fNIRS 연구 3의 측두엽의 통합 지역에 fNIRS에 대한 그룹과의 fMRI 신호 사이의 높은 상관 관계와 신호 사이의 상관 관계를한다 나타냅니다. 그림 9는 나타냅니다 fNIRS 활동 측두엽은없는 자연 위트 만 대뇌 피질이다H 차동 옥시 및 deoxyHb 흡광도를 chromofore 아니라 측두엽에서 그 활성은 측두엽에서의 fMRI 활동과 상관없는 전두엽에서 본 것과 매우 다르다. 우리는 데이터가 두 가지 기술을 비교 될 수 있도록 연구 몇 가지 중요한 측면을 강조한다. 먼저, optode 위치의 교정은 피질 해부학과 해석 결과의 확인에 중요한 전략으로 약술 하였다. 수정 우리는 소프트웨어로 만든 하드웨어는 우리가 모두 절차에 강한 대뇌 피질의 반응을 산출하기 위해 최적화 된 블록 설계 프로토콜 우리의 패러다임을 동기화 할 수있었습니다. 우리는 또한 잡음 비율 (optode 표면에서 머리 제거) 및 모션과 얼굴 자극 (대상은 구체적으로 자신의 머리 또는 얼굴을 만지지 않도록 지시를 받았다)을 포함하여 유물의 감소에 높은 신호를 보장하기 위해 핵심 전략을 설명합니다.
이러한 결과 이전 연구 결과 / FM을 동시 fNIRS 조사RI 촬상 절차는 신호들 사이의 높은 상관 관계를 이론적으로 예측 확인 1-3. 여기에 제시된 데이터를 해석 한 가지 제한은 우리가 고밀도 기록을 사용하여 개별 채널 데이터의 해상도를 증가시킬 수있다 보여 NIRS 기록 최적화에 새로운 기술을 이용할 수 없었던 점이다. 이 고밀도 기술은 또한 피질골 NIRS 혈압, 심박수 및 기타 전신성 변수 6,7,28으로부터 아티팩트를 제거하는 다른 기술에 더하여 (27) 신호로부터 표면 구성 요소를 분리하는데 사용되어왔다. 또한 해당 프로브 배치를 도시 한 내용과 chromaphore 선택은 잡음 비율이 높은 신호의 경우에 유효하게 이용할 수있다 가양 29 NIRS 신호의 적응 필터링을위한 제어하는데 사용될 수있다. 우리가 블록 디자인 10, 11에 제시 패러다임 상업 NIRS 시스템을 사용하여 여기에 이전에 고용 한 작업큰 신호와 데이터를 생산하고있다 및 신호 사이의 유사성을 보여주기 위해 추가 분석 기술 또는 하드웨어를 요구하지 않았습니다. 그러나, 여기에 제시된 데이터 NIRS 신호 처리에서 이들 및 다른 기술들의 사용을 통해 더욱 개선 될 수 있다는 것이 가능하다.
NIRS 기능성의 현재 방법은 자기 공명 스캔에 대한 필요성을 대체 할 것이다; 여기서 우리가 제안으로서 오히려, (EEG 등 이외에) 두 촬상 절차는 서로 보완하는 데 사용할 수있다. 자기 공명 스캔 금기 개인들의 그룹의 경우, fNIRS은 파킨슨 병을 가진 개인 빠질 위험 방지 프로그램과 같은 교육 프로그램의 이점을 확인하는 유일한 가능한 기술을 증명할 수있다. 또한, fNIRS 또한 MR 스캔을 통해 제공 해부학 상세 정보를 추가하기 위해 사용할 수있는 미래 방향의 번호를 갖는다. 고밀도 optode 배치 및 증가 optodes 높은 얻을 것입니다BOLD 신호 모델링의 증가 된 정확성뿐만 아니라 연결 및 주성분 분석을 위해 사용할 수있는 시간 해상도.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 다음과 같은 자금 출처에 의해 부분적으로 지원되었다 : JSPS 보조금 에이드의 과학 연구 (C) 25350642 (AT), 과학 기술과 문화 (SS & YO)에 대한 하야오 나카야마 재단의 연구 보조금 및 대한 건강 게임 연구는 로버트 우드 존슨 재단 (보조금 # 66729) (SB & 월)에서 부여합니다.
Materials
| Equipment | |||
| Shimadzu OMM-3000 | http://www.shimadzu.com/an/lifescience/imaging/nirs/nirs_top.html; The OMM-3000 used in this study has been replaced by the LABNIRS | ||
| Polhemus Patriot 3D Digitizer | http://polhemus.com/motion-tracking/all-trackers/patriot/ | ||
| GE Twin-Speed 1.5T MRI scanner | http://www3.gehealthcare.com/en/Products/Categories/Magnetic_Resonance_Imaging; The Twin-Speed 1.5T scanner has been retired. A number of new scanners are available to replicate this procedure | ||
| Software | |||
| Stepmania | http://www.stepmania.com/ | ||
| Matlab | http://www.mathworks.com/ | ||
| NIRS-SPM | http://bisp.kaist.ac.kr/NIRS-SPM.html | ||
| WFU Pick Atlas | http://fmri.wfubmc.edu/software/PickAtlas |
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