باستخدام MazeSuite والوظيفية الأدنى مطياف الأشعة تحت الحمراء لدراسة التعلم في الملاحة المكانية
Summary
MazeSuite هو مجموعة أدوات كاملة لإعداد وعرض وتحليل التجارب الملاحية والمكانية. وظيفية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIR) هو تقنية تصوير الدماغ البصرية التي تمكن رصد موسع والمحمولة من التغييرات الدماغية الأوكسجين في الدم. وتلخص هذه الورقة الاستخدام الجماعي للMazeSuite وfNIR ضمن نموذج التعلم المعرفي معالجة.
Abstract
MazeSuite هو مجموعة أدوات كاملة لإعداد وعرض وتحليل التجارب الملاحية والمكانية 1. ويمكن استخدام MazeSuite لتصميم وتحرير تكييف بيئات افتراضية 3D، وتتبع أداء المشاركين السلوكية في بيئة افتراضية ومزامنة مع أجهزة خارجية لتدابير الفسيولوجية والتصوير العصبي، بما في ذلك تتبع الكهربائي والعين.
وظيفية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (fNIR) هو تقنية تصوير الدماغ البصرية التي تمكن الرصد المستمر، موسع، والمحمولة من التغييرات في الأوكسجين في الدم الدماغي المتصلة بمهام الدماغ البشري 2-7. على مدى العقد الماضي fNIR يستخدم للرصد الفعال المهام المعرفية مثل الانتباه، الذاكرة العاملة وحل المشاكل 7-11. يمكن تنفيذها fNIR في شكل جهاز يمكن ارتداؤها وتدخلا بالحد الأدنى، ولديها القدرة على رصد نشاط المخ في بيئات صالحة بيئيا.
<p clالحمار = "jove_content"> الوظائف المعرفية من خلال تقييم أداء مهمة تنطوي على أنماط نشاط المخ من قشرة الفص الجبهي (PFC) التي تختلف عن أداء المهمة الرواية الأولي، وبعد الممارسة وخلال الاحتفاظ 12. باستخدام البوزيترون الطبقي لانبعاثات (PET)، فان هورن والزملاء وجدت أن تم تفعيل الإقليمية تدفق الدم الدماغي في الفص الجبهي الأيمن من خلال الترميز (أي أداء السذاجة الأولي) الملاحة المكانية من الدهاليز الظاهري في حين كان هناك قليل من دون تفعيل الجبهي المناطق بعد الممارسة وخلال الاختبارات الاحتفاظ بهم. وعلاوة على ذلك، فإن آثار التدخل السياقية، وهي ظاهرة التعلم على صلة بتنظيم من الناحية العملية، واضحة عند الأفراد الحصول على مهام متعددة تحت جداول ممارسة مختلف 13،14. يتم إنشاء التدخل السياقية عالية (جدول عشوائية الممارسة) عندما يتم عرض المهام التي يمكن استخلاصها في النظام، غير متسلسلة لا يمكن التنبؤ بها. السياقية تدخل منخفضة (حظريتم إنشاء جدول الممارسة) عندما يتم عرض المهام التي يمكن استخلاصها في ترتيب يمكن التنبؤ بها.هدفنا هنا ذو شقين: أولا لتوضيح التصميم التجريبي بروتوكول العملية واستخدام MazeSuite، والثانية، للتدليل على إعداد ونشر نظام رصد نشاط الدماغ fNIR باستخدام البصرية تصوير الدماغ المعرفي (كوبي) ستوديو البرمجيات 15. لتوضيح أهدافنا، وتفيد التقارير عينة فرعية من الدراسة لإظهار استخدام كل من MazeSuite واستوديو كوبي في تجربة واحدة. وتشمل الدراسة تقييم النشاط المعرفي للPFC خلال اقتناء والتعلم من المهام متاهة الكمبيوتر لأوامر حظر وعشوائي. يقوم اثنين من البالغين اليد اليمنى (واحد من الذكور، وأنثى واحدة) 315 حيازة، والاحتفاظ 30 و 20 عبر نقل التجارب أربعة أيام. وأوضح تصميم وتنفيذ جمع البيانات، وتحليل مراحل الدراسة مع نية لتقديم التوجيهي للدراسات المستقبلية.
Protocol
Discussion
قشرة الفص الجبهي (PFC) في الدماغ البشري يسهل السيطرة المعرفية على تنسيق الأفكار والإجراءات فيما يتعلق بالأهداف الداخلية. على وجه الخصوص، ومن المعروف أن PFC الأمامي / ظهراني للتوسط الوظائف المعرفية العليا مثل إدارة المهام، والتخطيط المكاني والملاحة 25. fNIR هو المحمولة، ومراقبة الدماغ آمنة وموسع الأداة التي استخدمت في المرافق الصحية، والمختبرات والطبيعية لدراسة نشاط المخ. أظهرت هذه الدراسة الاستكشافية استخدام جناح المتاهة وfNIR لدراسة الجوانب السلوكية العصبية للملاحة الفضائية. في هذه الدراسة الاستطلاعية، يتم استخدام منصة MazeSuite بالتزامن مع fNIR لدراسة الجوانب السلوكية العصبية للملاحة الفضائية في PFC ظهراني وللتدليل على مزيج من هاتين الأداتين.
MazeSuite هو التصميم التجريبي، ومنصة العرض التحليل. أنه تمكن من إنشاء وتطبيق البيئية 3D بسيطةالإدلاء بالبيانات مع واجهة المستخدم الرسومية ودية ويسجل تلقائيا التدابير السلوكية للداخل الموضوع أو عبر مقارنات الموضوع. أثناء عرض البيئات MazeSuite، في وقت واحد وقت متزامن وقد أخذت مقاييس fNIR باستخدام المحمولة متوفرة تجاريا، fNIR موجة مستمرة النظام (تصوير 1000، fNIR الأجهزة، LLC) وكوبي ستوديو البرمجيات 15. fNIR سابقا ثبت أنها آمنة وفعالة موسع الدماغ أداة رصد في المرافق الصحية، والمختبرات والطبيعية لدراسة نشاط المخ 7،11 ويستخدم في هذه الدراسة للتحقيق الاستجابات المعرفية المرتبطة السياقية تدخل من المهام أثناء التنقل المكاني.
لدراسة آثار التدخل أجل ممارسة السياقية، وقدمت شخصا مع التدخل إما منخفضة (BLK) أو التدخل عالية (RND) أمر الواقع. واستخدمت هذه الجداول ممارسة متميزة لاختبار تأثير التعلم متعددةPLE الظاهري متاهة الملاحة المهام المكانية عبر الاختبارات والاحتفاظ بها ونقلها. النتائج السلوكية تشير إلى أن لكل من أوامر الممارسة، هناك اتجاه خفض رتيب في الوقت الإجمالي اللازم لإكمال المتاهة، مما يوحي بأن كممارسة المواضيع، وأنها أنجزت كل متاهة في فترات زمنية أقصر. وبالإضافة إلى ذلك، فإن متوسط السرعة التي أبحر المواضيع المتاهة (سرعة المتاهة) زادت مع الممارسة. ومن المتوقع أن هذه التحسينات في التدابير السلوكية عبر الزمن الاستدلالات من التعلم. يعني تغييرات تركيز الأوكسجين أثناء المحاكمات-HB الممارسة تشير إلى أن الممارسة المطلوبة BLK أعلى نشاط المخ بالمقارنة مع النظام الممارسة RND.
ممارسة RND أسفرت أسرع وقت الانتهاء وأطوال مسار أقصر بالمقارنة مع النظام الممارسة BLK لكل من الاحتفاظ بها ونقلها، على التوالي. وهناك اتجاه لوحظ في خفض HB-BLK أوكسي سيلة لممارسة RND وعبر التجارب تشير إلى الاحتفاظ ميلان خفضtivity في PFC. ومن المتوقع هذا الاستنتاج والأبحاث السابقة قد اقترحت أن هناك انخفاض في النشاط من خلال PFC مراحل لاحقة من التعلم 12،26.
وعلاوة على ذلك، والملاحة في متاهات جديدة خلال المرحلة المطلوبة نقل أعلى نشاط المخ لممارسة الموضوع BLK مقارنة لممارسة RND الموضوع. قد بالنظر إلى أن النظام كان مختلفا عن ممارسة المهام تعلمت بالفعل (أي maze1، maze2، وmaze3)، وهذا أمر طبقية عشوائية الممارسة لهذا الموضوع أن تعلم المهام في ترتيب (BLK الممارسة) متتابعة كانت الرواية بما فيه الكفاية ليتطلب إضافية الجهد والموارد المعرفية لأداء المهام 12،26. ومع ذلك، لممارسة RND، كانت المرحلة نقل التنشيط العصبي لا يتجاوز المرحلة الاحتفاظ بهم. هذه النتائج ثبيت هذه النتائج مع PET الملاحة المكانية من الدهاليز التي أبلغت عنها الظاهري فان هورن وزملاؤه 12.
في summآرى، صفنا استخدام MazeSuite بالاشتراك مع استوديو كوبي لإجراء دراسة عن آثار التدخل السياقية المتعلقة أجل ممارسة المهام الملاحية عندما تعلم المكانية. لا تقتصر أساليب fNIR مناقشتها هنا للمهام الملاحة المكانية، ويمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من المهام في دراسات التصوير العصبي الأخرى. وأوضح تصميم وتنفيذ جمع البيانات، وتحليل مراحل الدراسة مع نية لتقديم التوجيهي للدراسات المستقبلية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدمت التمويل لهذا العمل في جزء من رابطة ولاية بنسلفانيا # 4100037709 # 240468 الباطن وجامعة دريكسيل الباطن # 280773.
References
- Ayaz, H., Allen, S. L., Platek, S. M., Onaral, B. Maze Suite 1.0: a complete set of tools to prepare, present, and analyze navigational and spatial cognitive neuroscience experiments. Behav. Res Methods. 40, 353-359 (2008).
- Chance, B., Zhuang, Z., UnAh, C., Alter, C., Lipton, L. Cognition-activated low-frequency modulation of light absorption in human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90, 3770-3774 (1993).
- Villringer, A., Planck, J., Hock, C., Schleinkofer, L., Dirnagl, U. Near infrared spectroscopy (NIRS): a new tool to study hemodynamic changes during activation of brain function in human adults. Neuroscience letters. 154, 101-104 (1993).
- Hoshi, Y. Non-synchronous behavior of neuronal activity, oxidative metabolism and blood supply during mental tasks in man. Neuroscience letters. 172, 129-133 (1994).
- Strangman, G., Boas, D. A., Sutton, J. P. Non-invasive neuroimaging using near-infrared light. Biological psychiatry. 52, 679-693 (2002).
- Coyle, S., Ward, T. E., Markham, C. M. Brain-computer interface using a simplified functional near-infrared spectroscopy system. Journal of neural engineering. 4, 219-226 (2007).
- Ayaz, H. Optical brain monitoring for operator training and mental workload assessment. Neuroimage. , (2011).
- Izzetoglu, M. Functional near-infrared neuroimaging. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 13, 153-159 (2005).
- Izzetoglu, M., Bunce, S. C., Izzetoglu, K., Onaral, B., Pourrezaei, K. Functional brain imaging using near-infrared technology. IEEE Eng Med Biol Mag. 26, 38-46 (2007).
- Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (29), e1268-e1268 (2009).
- Izzetoglu, K. The evolution of field deployable fNIR spectroscopy from bench to clinical settings. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 4, 1-12 (2011).
- Van Horn, J. D. Changing patterns of brain activation during maze learning. Brain Res. 793, 29-38 (1998).
- Shewokis, P. A. Memory consolidation and contextual interference effects with computer games. Perc Motor Skills. 97, 581-589 (2003).
- Magill, R. A., Hall, K. G. A review of the contextual interference effect in motor skill acquisition. Human Movement Science. 9, 241-289 (1990).
- Ayaz, H., Onaral, B. . Analytical software and stimulus-presentation platform to utilize, visualize and analyze near-infrared spectroscopy measures Masters Degree thesis [dissertation]. , (2005).
- Ayaz, H., Marek, T., Karwowski, W., Rice, V. . Advances in Understanding Human Performance: Neuroergonomics, Human Factors Design, and Special Populations. 3, 21-31 (2010).
- Izzetoglu, M., Chitrapu, P., Bunce, S., Onaral, B. Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using discrete Kalman filtering. Biomedical engineering online. 9, 16-16 (2010).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48, 280-298 (2009).
- Zhang, Q., Strangman, G., Ganis, G. Adaptive filtering to reduce global interference in non-invasive NIRS measures of brain activation: How well and when does it work?. Neuroimage. 45, 788-794 (2009).
- Izzetoglu, M., Devaraj, A., Bunce, S., Onaral, B. Motion artifact cancellation in NIR spectroscopy using Wiener filtering. IEEE Trans Biomed Eng. 52, 934-938 (2005).
- Cope, M. . The development of a near infrared spectroscopy system and its application for non invasive monitoring of cerebral blood and tissue oxygenation in the newborn infant. , (1991).
- Elwell, C. Quantification of adult cerebral hemodynamics by near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology. 77, 2753-2753 (1994).
- Wyatt, J. Quantitation of cerebral blood volume in human infants by near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology. 68, 1086-1086 (1990).
- Ayaz, H. . Functional Near Infrared Spectroscopy based Brain Computer Interface PhD thesis [dissertation]. , (2010).
- Wood, J. N., Grafman, J. Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives. Nat Rev Neurosci. 4, 139-147 (2003).
- Shadmehr, R., Holcomb, H. H. Neural correlates of motor memory consolidation. Science. 277, 821-825 (1997).
