监测实验室外的大脑活动没有实物形态的限制提出了方法论方面的挑战。一个无纤维,耐磨功能近红外光谱(fNIRS)系统使用过程中的生态前瞻记忆任务,测量大脑活动。据证实,该系统可被用来监测在非实验室基于实验的脑活动。
功能近红外光谱(fNIRS)是使用近红外光来监控大脑活动一个神经影像学技术。基于神经血管耦合,fNIRS能够测量血红蛋白浓度变化继发于神经元活动。相比其他神经成像技术,fNIRS表示在空间和时间分辨率方面具有良好的折衷。此外,它是便携,重量轻,更少运动伪影敏感并且不强加显著身体约束。因此,适当的监视范围广泛的认知任务(例如,听觉,步态分析,社会互动)和不同年龄的人群(例如,新生婴儿,成人,老人)。对无纤维fNIRS设备的最新发展开辟了道路,在神经科学研究的新应用。这代表了一个独特的机会期间真实测试来研究功能活性,其可以是更敏感和屁股准确咝声认知功能和功能障碍比实验室为基础的测试。本研究探讨用无纤维fNIRS过程中一个真实世界的前瞻记忆任务来监控大脑活动。这个协议是在实验室以外和脑血红蛋白浓度的变化被连续地测量到前额叶皮层而主体走动,以便完成多个不同的任务执行。
内前额叶皮质功能,并且特别是最前部子部分(延髓前额叶皮层,或BA10)异常是常见的范围为发育,精神病和神经疾病。它会导致明显的扰动解决问题,内存和注意力的能力,在日常生活中是非常禁用1,2。然而,这些种类的问题是难以在实验室或诊所诊断。这是因为BA 10支持参与应对新的,开放式的情况下,其中的行为是心理过程的自我发起的3。这种情况是很难在实验室成功重建,因为拘谨,做作和严格的限制的情况参与者通常面临的实验室可以改变他们的行为,他们对待这项任务的方式。这可以显著降低测量为任一临床或研究目的的有效性,具有较强的风险下,诊断4 </ SUP>。一个由额叶在哪里,这是最明显的支持的认知能力是前瞻记忆( 即记忆能力,开展未来行动),它早就知道,有可能是在日常进行的测量之间显著分歧生活和实验室5。这些方法问题可以在很大程度上规避,如果研究人员和临床调查前额叶皮质功能,包括前瞻记忆,可以采取他们的测量结果在“现实世界”的情况下做到这一点。
而神经成像技术代表一种强大的工具在非侵入性的和客观的方法来调查大脑功能,大多数的这些技术强加受试者的物理限制,并且因此不适合于在日常生活中的设置(例如,功能性磁共振使用(磁共振成像),脑磁图(MEG),正电子发射断层扫描(PET))。鉴于有必要把在实验室外功能成像仪器和鉴于最近的技术改进,便携式和可穿戴脑电图(EEG)和功能性近红外光谱(fNIRS)系统已被开发6-11。其中一个fNIRS在脑波的主要优势之一是其更高的空间分辨率。此外,它是运动伪影,闪烁和眼球运动12较不敏感。可穿戴fNIRS因此更好地适合于在日常生活中的上下文中的应用,因为它引入了比脑电图更少的物理限制,并允许在更自然的环境自由移动。
fNIRS非侵入性地照射头与近红外光(650-900纳米)。作为生物组织是在该波长范围内的相对透明,光能够到达脑部,并获得由血红蛋白吸收。 fNIRS从而同时测量氧合血红蛋白(HBO 2) 和脱氧血红蛋白(HHB)给人的氧合和血流动力学瓒信息的浓度变化GES与大脑活动有关。更具体地,脑功能活化被定义为并发增加HBO 2和 HHB 13下降。然而,穿透深度的光的意味着信号只能从皮质表面回收。作为光被高度分散在组织中,这是不可能获得关于脑14高度的空间结构信息。常规fNIRS系统使用的光纤耦合到所述头部通过头皮以便引导光并收集反向散射的光。虽然这些仪器小巧,便携,非常适合于实验室环境,光纤束和它们的重量限制了参与者的运动,如果不能很好地稳定下来,他们的位移导致运动伪影污染7。新一代的小型化和无纤维fNIRS系统提供了可能性,以探讨自由活动的参与者在实际情况的大脑活动S和不显著的物理限制。探索人类的行政职能和无纤维fNIRS系统可提供独特的洞察人脑的功能时,现实的情况是特别有价值的。第一无纤维系统装备仅具有小数量的通道(例如,单个通道15和第2通道16)限制了调查小区域。最近,多信道无线耐磨fNIRS装置已经发展6,7,17-20给出的可能性并监控对自由活动参与者较大的头部的部分。
在这项研究中,一个新的多声道耐磨和无纤维fNIRS系统用来监视和期间现实世界前瞻记忆(PM)的任务映射前额叶皮质活性。所述fNIRS系统主要是由柔性探针单元(耳机),覆盖两个背外侧和延髓前额叶皮质(图1)的,它连接到被戴在参与者的腰部(图1D)的处理装置(手提盒)。耳机是由6表面发射激光二极管用两个波长(705纳米和830纳米)和6个硅光电二极管。由于没有光纤的减少的重量和体探针,更加舒适的和健壮针对运动伪影。所述光极被布置在交替的几何结构( 图1A)上以3厘米间光极分离,产生16源-检测器组合(例如,16个测量通道)6。为了从周围光屏蔽耳机,遮光盖设置(图1D)。
本研究的目的是调查前额叶皮质功能,在此期间,在现实世界中的前瞻性存储器任务。在前瞻记忆任务,参与者被要求记住一个罕见的提示作出反应(例如,一个熟悉的脸或停车收费表),同时执行称为“正在进行的任务”的另一个艰巨的任务。在两个不同的任务模块,社会前瞻记忆线索(一个人)进行了对比,以非社会前瞻记忆线索(停车收费表)。这种反差是因为它代表了基于事件的前瞻记忆任务不同形式的线索等等的实验范式可以保持接近“现实生活”的局面21之间作出的重大区别。而BA 10被称为是对社会与在某些情况下,非社会信息的处理敏感(例如,Gilbert等人,2007年22),最近的证据表明,有关预期记忆任务在BA 10血流动力学变化相对不敏感CUE的区别(Burgess等。2011年23审查)。因此,无论是一个开放的问题的社会与非社会暗示影响在前瞻性存储器范例的上下文中的BA 10活动。
本研究的目的是评估使用fNIRS系统,以监测诱导的真实世界的认知任务前额叶皮质血流动力学和氧合变化的可行性。在这里,我们报告的单个案例研究(一个健康的成年人参加者,24岁)在上一个前瞻记忆任务中使用fNIRS设备,在一个典型的伦敦街头的位置之外进行,并模仿日常生活的需求。特别是,是否对社会和非社会PM线索的血流动力学变化的响应可记录进行了研究。
本研究的目的是评估的潜在用途可佩带和无纤维fNIRS来监测期间真实世界的情况相关的脑的神经元活动的脑血液动力学和氧的变化。可穿戴和无纤维多通道fNIRS系统被用来在实验室外进行了一项前瞻性记忆任务,测量了前额叶皮层的大脑活动。这里报道的案例研究探讨是否在自由活动的参与者在HBO 2 HHB大脑的变化应对社会和非社会PM线索在实验在实验室外可以连续和稳健进行监控。
fNIRS对自由活动的参与者在生活为基础的实验中使用是一个具有挑战性的局面。事实上,头部运动可引起探头位移与随之而来的运动伪影,腐败大脑活动36的光学识别。此外,光学传感器是敏感的杂散光(例如,当阳光照射实验外执行),创造了fNIRS信号额外的噪声。报告的案例研究提供了fNIRS系统在这样的现实生活中应用的可行性进行了初步论证。不存在光纤在这样的装置的防止头皮并导致针对运动伪影更健壮的测量光极之间的光耦合。此外,该遮光盖保证了从杂散光,避免了检测器的饱和度和低信噪比(SNR)的良好的屏蔽。此外,增加HBO 2和减小HHB浓度存在于社会和非社会PM命中( 图3D-E)11 对应,37进一步支持了其可行性。为了评估是否在图3D-E所观察到的血液动力学趋势是统计学显著和前额皮质内定位被激活的区域(图5,Vid的EO 1, 视频2,图6,图7),组级分析是必需的。为了使推断和识别功能专门前额叶皮质区38,39,今后的工作将目前使用的是一般线性模型(GLM)方法基于统计参数映射(SPM)组数据和统计分析。
即使结果必须视为初步,已经证明,无纤维fNIRS可以有效外传统实验室设置带来并用于大脑活动的实时监控。这开辟了神经和神经科学研究的新方向。有用于这方面的应用的至少两个明显的区域。第一个问题涉及到生态效度。认知神经科学的研究人员调查大脑活动模式,而人在执行认知任务( 如使用,血氧水平依赖迹象人的变化作为功能性磁共振成像代理),以试图发现大脑如何支持我们的心理能力。在某些情况下,有可能创建匹配非常密切,其中所关注的方法用于这种情况中日常生活实验情况下的扫描仪。举个例子,阅读。读字的显示器上,而在一个核磁共振成像扫描仪有可能使这种类似的要求,以在读一本书的话,当在家里,这几乎是理所当然的收集扫描仪的结果可以帮助解释大脑是如何实现阅读的日常生活。然而,对于许多形式的人类行为和认知的,这种假设是更不稳定。例如,当一个社会状况,提出在MRI扫描器(其中参与者是不动的,在他们自己的,在一个非常熟悉和紧密控制的环境中)的参与者使用认知过程很可能是在重要的关于这些不同的当参与者socialis从事荷兰国际集团在现实生活40。这是社会神经科学尤其重要,因为人际动力学的神经元相关因素的调查(称为hyperscanning,综述见Babiloni和Astolfi年,2014年41),需要一个更自然的环境。近红外光谱技术为基础的hyperscanning 42,43可能因此代表了一种新的工具,同时监测大脑活动由两个或两个以上的人在现实的情况下。事实上,也有一些在MRI,PET和MEG扫描仪的高度人工化和物理环境限制无法研究清楚的心智能力。身体运动是涉及下床活动或大量的以及那些涉及社会相互作用是显而易见的候选者。出于这个原因,能够以研究参与者在自然情况下的脑活动是为研究人员非常需要的。
第二,相关的,具有广阔的应用领域涉及使用这种技术的临床情况。一个显而易见的候选者可能是神经康复,其中一个可能希望在学习培训过程中大脑的影响日常生活的活动(例如,在厨房),或在有关这些活动的特定神经元群体的药物。但是,这项技术可能也可能被开发为教育环境,以及, 例如 ,对于使用“实时”的自我监测大脑活动。便携性,低风险,和能力时行为以最小的约束使用它在原位在真实世界环境中,使得这种方法与其他当前可用很大的不同。
然而,尽管可佩戴fNIRS系统显示有可能真实世界的观察,也有必须解决自然行走过程中使用fNIRS当其他限制。由于红外光通过头皮行进,它是,在脑一个发生两个进程敏感ND头部外脑车厢。以往的研究表明,通过fNIRS测定的一定量的信号从系统性变化34,39,44不直接关系到大脑活动发生(参见Scholkmann 等人 9的综述)。由于内部和外脑血流受到系统性变化,双方的任务诱发和自发的(如,心脏速率,血压,呼吸,皮肤血流量),与行走活动的生理变化,应考虑。他们从自主神经系统(ANS)的活性,其通过其传出纤维调节心脏速率,呼吸,血压和血管直径起源。更准确地说,ANS的交感神经分工是超激活运动导致心脏速率,血压和呼吸递增45时。例如,以前的研究已经表明,呼吸诱导的变化碳DIOX的分压IDE在动脉血液( 二氧化碳分压),其反过来影响脑血流和脑血容量46,47。此外, 图3A示出的内,可与混淆行走期间出现的周期性HHB增加和HBO 2减小的一个例子脑失活。为了使条件之间的一致性的比较(例如,评估是否在浓度显著变化发生相对于基线期间),所有的实验阶段应该在相同的物理活动状态下进行测量。出于这个原因,走了休息阶段(休息2)被列入我们的生活为基础的协议。的fNIRS数据正确的解释需要也是一个不错的信噪比。这通常是用常规的块和其中刺激被重复多次事件相关的设计来实现的。试的重复和结构设计并不总是可能在基于寿命的实验。由于这个原因,附加的传感器和相应的分析德chniques占系统性变化48和运动伪影是必要的,以改善信噪比并正确解释大脑信号。我们打算研究这些步行相关的系统性变化,通过使用便携式设备的影响,监测呼吸频率,心脏率和步行的速度。此外,需要事件恢复的需要解决的问题了。在认知神经科学实验中,大脑活动进行了研究相对于刺激或由参与者的所遇到的环境,并且其响应于或预期他们的行为。因此,实验者需要(一)了解目前可以在其环境中的参与者,和(b)具有参与者的行为一时逐时刻记录。在典型的实验室情况这些因素可容易地控制,因为实验者可以约束哪些参与者遇到,而形式和行为的参与者可以表示出的数目。然而,这是不在实验室中,有许多事件和经验,这项研究的参与者将有外面“真实世界”的环境的情况下超出了严格控制实验者49。因此,在这里所研究的那种“现实世界”型任务,视频记录被用于分析(例如,Shallice和伯吉斯,1991年第3)。这使得恢复双方持续的(如,块级)和瞬态(例如,事件相关)的支持性能的不同方面的进程(综述见戈南-Yaacovi和伯吉斯,2012 21)。的事件可从录像回收将取决于理论问题在实验中得到解决。在报告的案例研究,事件开始从由3台摄像机拍摄的视频恢复。确定其发作和终止特定线索和行为反应的此过程是费力的并且需要技术人员当基于寿命的DAT进行一个。一个核心问题是,与“现实生活”型实验,往往就没有了事件的实验室为基础的人的先验知识相同的程度,以及参与者通常有他们可以回应的方式更多的空间。此外,作为参与者可以自由地在自然和不受控制的环境中移动,它们面临着各种快速变化的刺激,这是难以恢复到感兴趣的真实事件的血流动力学响应。例如,在案例研究,观察到的HBO 2和HHB(图3D-E)的血流动力学趋势不是锁相到的视频-回收发病像典型的事件有关的血流动力学响应38。 HBO 2和HHB分别开始上升,刺激发病前下降20秒和之后达到高峰。因此,需要进一步分析,以确定是否PM用的杆事件实际发生时,参与者看到目标,当他接近实现,或当他到达了。鉴于无纤维fNIRS技术的现实生活中的临床应用的潜力,今后的工作将通过开发新的算法,识别更客观地事件开始,并探索直接从fNIRS数据做这件事的可能性,解决视频编码问题。
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge funding from the Wellcome Trust (088429/Z/09/Z, 104580/Z/14/Z support to IT).
Wearable Optical Topography | Hitachi Medical Corporation | fNIRS system | |
Patriot | Polhemus | 3D magnetic digitizer | |
ActionCam | Mobius | Subject's Camera | |
Hero3 | GoPro | Experimenter's Camera | |
Panasonic HC-V720 | Panasonic | Experimenter's Camera | |
Platform for Optical Topography Analysis Tools (POTATo) software | Hitachi Medical Corporation | http://www.hitachi.co.jp/products/ot/analyze/kaiseki_en.html |