שימוש MazeSuite והתפקודי ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי ללמוד למידה מרחבית ניווט
Summary
MazeSuite הוא ערכת הכלים השלמה להכין, להציג ולנתח ניסויים ניווט מרחבית. ספקטרוסקופיה פונקציונלית קרוב אינפרא אדום (fNIR) הוא המוח הדמיה אופטית טכניקה המאפשרת ניטור פולשני ונייד של שינויים חמצון הדם המוחיים. מאמר זה מסכם להשתמש הקולקטיבי של MazeSuite ו fNIR בתוך פרדיגמה עיבוד קוגניטיבי למידה.
Abstract
MazeSuite הוא ערכת הכלים השלמה להכין, להציג ולנתח ניסויים ניווט מרחבי 1. MazeSuite ניתן להשתמש כדי לעצב ולערוך מותאם לסביבות וירטואליות 3D, לעקוב אחר הביצועים של התנהגות המשתתפים בתוך הסביבה הוירטואלית ולסנכרן עם התקנים חיצוניים אמצעים פיזיולוגיים הדמייה, כולל אלקטרו ומעקב העין.
ספקטרוסקופיה פונקציונלית קרוב אינפרא אדום (fNIR) הוא המוח הדמיה אופטית טכניקה המאפשרת ניטור רציף, לא פולשנית, ונייד של שינויים חמצון הדם במוח הקשורים פונקציות המוח האנושי 2-7. במהלך fNIR בעשור האחרון משמש לפקח ביעילות משימות קוגניטיביות כגון קשב, זיכרון עבודה ופתרון בעיות 7-11. fNIR יכול להיות מיושם בצורה של התקן לביש פולשנית מינימלית, יש לו את היכולת לפקח על פעילות המוח בסביבות תקף מבחינה אקולוגית.
תפקודים קוגניטיביים העריכו באמצעות ביצועים משימה לערב דפוסים של פעילות המוח של קליפת המוח הקדם חזיתית (PFC) משתנים את הביצועים רומן המשימה הראשונית, לאחר תרגול במהלך השמירה 12. באמצעות פליטת פוזיטרונים פוזיטרונים (PET), ואן הורן ועמיתיו מצאו כי זרימת הדם האזורית במוח הופעל באונה המצחית הימנית במהלך הקידוד (כלומר, ביצועים נאיבי הראשוני) של ניווט המרחבי של מבוכים וירטואלי בזמן היה מעט הפעלה לא של אזורים חזיתית לאחר תרגול במהלך בדיקות השמירה. יתר על כן, תופעות של הפרעות הקשר, תופעה למידה הקשורים בארגון בפועל, ניכרים כאשר אנשים רוכשים משימות מרובות תחת לוחות זמנים בפועל שונה 13,14. הפרעות הקשר גבוהה (לוח הזמנים בפועל אקראי) נוצר כאשר את המשימות שיש ללמוד מוצגים בסדר, לא רציפים בלתי צפויות. הפרעות הקשר נמוכה (לוח הזמנים בפועל חסום) נוצר כאשר את המשימות שיש ללמוד מוצגים בסדר קבוע מראש.
המטרה שלנו כאן היא כפולה: ראשית על מנת להמחיש את פרוטוקול הניסוי בתהליך העיצוב והשימוש MazeSuite, ושנית, כדי להדגים את התקנה והטמעה של מערכת המוח fNIR ניטור פעילות המוח באמצעות דימות אופטי קוגניטיבי (קובי) תוכנת Studio 15. כדי להמחיש את המטרות שלנו, subsample ממחקר מדווח להראות את השימוש הן MazeSuite ואת קובי סטודיו בניסוי יחיד. המחקר כולל הערכה של פעילות קוגניטיבית של טר"ש במהלך הרכישה והלמידה של משימות מבוך המחשב עבור הזמנות חסום אקראי. שני ימניים מבוגרים (זכר אחד, נקבה אחת) ביצעה רכישה 315, 30 ו – 20 ניסויים השמירה להעביר על פני ארבעה ימים. תכנון, יישום, נתונים הרכישה וניתוח שלבי המחקר היו הסביר מתוך כוונה לספק הנחיה למחקרים עתידיים.
Protocol
Discussion
קליפת המוח הקדם חזיתית (PFC) במוח האנושי מאפשר שליטה קוגניטיבית על תיאום של מחשבות ומעשים ביחס שערים פנימי. בפרט, קדמית / דורסולטרלי PFC ידוע לתווך תפקודים קוגניטיביים גבוהים כגון תכנון, ניהול משימות ניווט מרחבית 25. fNIR הוא נייד, בטוח לא פולשנית לניטור המוח הכלי שבו נעשה שימוש במסגרות במעבדה קלינית, טבעית ללמוד הפעלת המוח. מחקר גישוש הוכיח את השימוש של חבילת מבוך ו fNIR ללמוד היבטים neurobehavioral של ניווט מרחבית. במחקר גישוש, פלטפורמת MazeSuite משמש יחד עם fNIR ללמוד את ההיבטים neurobehavioral של ניווט המרחבית PFC דורסולטרלי וכדי להדגים את השילוב של שני אלה כלים.
MazeSuite מהווה פלטפורמה ניסיונית, עיצוב מצגת וניתוח. זה מאפשר יצירת ויישום של סביבות 3D פשוטה עם ממשק משתמש גרפי ידידותי באופן אוטומטי רשומות אמצעים התנהגותיים עבור בתוך נושא או על פני השוואות הנושא. במהלך המצגת של סביבות MazeSuite, סימולטני זמן לסנכרן מדידות fNIR צולמו באמצעות זמינים מסחרית, ניידים, גל מתמשך fNIR המערכת (Imager 1000, fNIR התקנים, LLC) ואת קובי תוכנת Studio 15. fNIR בעבר הוכח ככלי יעיל ובטוח ניטור פולשני המוח הגדרות במעבדה קלינית טבעית ללימוד הפעלת המוח 7,11 והוא משמש במחקר זה לבדוק תגובות קוגניטיביות הקשורות להפרעות הקשר במהלך משימות ניווט מרחבית.
כדי לבחון את ההשפעות של התערבות כדי להתאמן הקשר, נושאים הוצגו עם הפרעה או נמוכה (BLK) או הפרעה גבוהה (RND) כדי להתאמן. זמנים אלה בפועל ברורים שימשו כדי לבחון את ההשפעה של למידה מרחבית מבוך וירטואלי מרובות משימות ניווט ברחבי בדיקות רכישה, שימור ההעברה. תוצאות התנהגותיות עולה כי עבור שתי הזמנות בפועל, קיימת מגמה יורדת מונוטונית הזמן הכולל הדרוש להשלמת מבוך, טוען כי כפרקטיקה נושאים, השלימו כל מבוך בתקופות קצרות של זמן. בנוסף, המהירות הממוצעת שבה נושאים לנווט במבוך (מהירות מבוך) גדל עם התרגול. שיפורים אלה אמצעים התנהגותיים על פני זמן צפויים מסקנות של למידה. ממוצע oxy-Hb שינויים ריכוז במהלך הניסויים בפועל עולה כי בפועל נדרש BLK הפעלת המוח גבוה בהשוואה סדר RND בפועל.
RND בפועל הביא זמן סיום מהיר אורכי נתיב קצר יותר בהשוואה הסדר בפועל BLK עבור החזקת וגם להעביר, בהתאמה. מגמת ירידה שנצפתה הממוצע oxy-Hb עבור BLK ו RND תרגול ברחבי ניסויים השמירה המציין פעילות מופחתת ב PFC. ממצא זה צפוי כמו מחקרים קודמים הראו כי יש ירידה בפעילות של PFC בשלבים מאוחרים יותר של הלמידה 12,26.
יתר על כן, ניווט מבוכים חדשים במהלך שלב העברת נדרש הפעלת המוח גבוהה לנושא תרגול BLK לעומת RND בפועל הנושא. בהתחשב בכך כדי התרגול היה שונה למשימות למדו כבר (כלומר, maze1, maze2 ו maze3), זאת על מנת לתרגל אקראית מרובדת לנושא כי למדו את המשימות בסדר (בפועל BLK) רציפים אולי הרומן מספיק כדי לדרוש מאמץ נוסף ומשאבים קוגניטיביים לבצע את המשימות 12,26. עם זאת, בפועל RND, את שלב העברת ההפעלה העצבית לא היה גבוה יותר מאשר בשלב השמירה. ממצאים אלה מאשרים את ממצאי PET עם ניווט המרחבי של מבוכים וירטואלי שדווחו על ידי ואן הורן ועמיתיו 12.
לסיכום, תיארנו את השימוש MazeSuite בשילוב עם קובי סטודיו מחקר על ההשפעות של הפרעות הקשורות הקשר להתאמן כדי למידה כאשר משימות ניווט מרחבית. השיטות fNIR שנדונו כאן אינם מוגבלים למשימות ניווט מרחבית יכול לשמש עבור מגוון רחב של משימות במחקרים הדמייה אחרים. תכנון, יישום, נתונים הרכישה וניתוח שלבי המחקר היו הסביר מתוך כוונה לספק הנחיה למחקרים עתידיים.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון עבור עבודה זו סופק בחלקו על ידי העמים של פנסילבניה # # 240468 4100037709 בקבלנות משנה ו אוניברסיטת דרקסל בקבלנות משנה # 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).
