الرنين المغناطيسي الوظيفي التحقق من fNIRS القياسات خلال مهمة الطبيعي
Summary
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
وكان الهدف من الأساليب المذكورة هنا لوضع بروتوكول عمل لمقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي (التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي) وfNIRS (ظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة) إشارات في مهام متعددة الوسائط مماثلة. نحن على وجه التحديد التي تهدف إلى تطوير إجراء التصوير الوظيفي للاستخدام مع الأفراد بطلان لاجراء الفحوصات التقليدية الرنين المغناطيسي الوظيفي بسبب الزلزال، خلل الحركة، أو الأجهزة المزروعة متعددة. ورغم وجود العديد من البرامج التدريبية وتأهيل فعالة للأفراد المعرضين لخطر السقوط، وليس هناك أي تأكيد من الآليات العصبية الكامنة وراء فعالية هذه البرامج. في كثير من الأحيان، والأفراد المشاركين في هذه البرامج التدريبية هي مضاد استطباب للأسباب المذكورة. وكان لدينا الأساس المنطقي لهذه الدراسة لتحديد مدى فعالية وظيفية الطيفي الأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) لتحديد أنماط نشاط المخ المرتبطة مهمة المحركات الطبيعية التي تنطوي على حركات الجسم كله. وتشمل الأهداف الطويلة الأجل تطوير أداة لمسمارذ ليس فقط نماذج التعلم الحركي ولكن تعمل أيضا على تأكيد مدى ملاءمة fNIRS لمجموعة متنوعة من المهام التي لا يمكن أن تؤدي بطريقة طبيعية باستخدام الطرق التقليدية.
وقد سبق أن أظهرت النشاط fNIRS لتكون مرتبطة إلى حد كبير (ص = 0،77-0،94) للمناطق متماثلة مع (تعتمد مستوى الأوكسجين في الدم) التسجيلات إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي بولد في الدراسات المحدودة التي تقاس fNIRS المتزامنة والرنين المغناطيسي الوظيفي النشاط الوظيفي باستخدام إصبع النفسي وبسيطة الكلاسيكية التنصت نماذج 1-3. نتائج هذه الدراسات تؤكد fNIRS هي صحيحة وموثوقة لتحديد النشاط القشرية المرتبطة مهمة البيئية تخفيض متوافقة مع الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك، fNIRS له مزايا عديدة على الرنين المغناطيسي الوظيفي كوسيلة من وسائل التصوير العصبي. fNIRS، والأهم، هو إلى حد أقل حساسية للقطعة أثرية الحركة من الرنين المغناطيسي الوظيفي، ويسمح الموضوعات التي تتصرف كما لو كانوا في بيئة طبيعية بدلا من دراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي التي تقيد paradig السياراتمللي 4. دقة الزمنية المرتبطة fNIRS تسمح لتحديد التغيرات في وظائف الاستجابة العصبية مع زيادة تحبب نظرا لزيادة تردد أخذ العينات. وأخيرا، فإن تكلفة fNIRS أقل من الرنين المغناطيسي الوظيفي المسح الضوئي وتسمح لإجراء دراسات بتكلفة أقل. ومع ذلك، هناك عيوب fNIRS مقارنة الرنين المغناطيسي الوظيفي بما في ذلك عمق محدود من الاختراق، التحليل المكاني المحدود، ومؤخرا فقد تبين أن بعض الظواهر الفسيولوجية مثل ارتفاع ضغط الدم ومعدل ضربات القلب، وفروة الرأس آثار تدفق الدم يمكن أن يعرض ايجابيات كاذبة ل القشرية إشارة الدورة الدموية 5-9. في حين يجري حاليا تطوير عدد من المنهجيات والتطورات أجهزة معينة لتقارير قوائم الجرد الوطنية، بما في ذلك معالجة الإشارات والأجهزة لتوفير عالية الكثافة التدرجات optode، فإنه لا يزال من المهم لتطوير منهجيات المختلطة التي تسمح الرنين المغناطيسي الوظيفي والإجراءات fNIRS ليكمل كل منهما الآخر.
تخدم هذه الدراسة إلى اختبارطريقة fNIRS لتحديد الآليات العصبية تعمل خلال طبيعية مهمة الرقص لعبة فيديو. وكان الهدف من هذه الدراسة هو مقارنة النشاط في مركز التكامل من الدماغ (التلفيف الصدغي العلوي والمتوسطة) بين مجموعة من الأفراد تصويرها باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي لمجموعة أخرى من المواد تستخدم إصدار طبيعي المهمة تصويرها باستخدام fNIRS. مجموعتنا والتحقيق من قبل هذا المجال باستخدام نماذج مماثلة لعبة تفاعلية وأظهرت النشاط في الفص الصدغي يستجيب إلى كل من حاملات الأكسجين وإزالة oxyHb وفقا التنشيط القشرية 10. ونحن أيضا حاولت مسبقا للسيطرة على القطع الأثرية النظامية سابقا من خلال إظهار استجابات في هذا المجال التضمين في السعة فيما يتعلق الحمل القشرية المهمة وليس ردود النظامية المتعلقة بالنشاط نفسه 11. التلفيف الصدغي العلوي والمتوسطة لم يعرف النشاط المرتبط التكامل من المحفزات الحسية المتعددة الوسائط ودينا سابقايظهر هذا المجال أن تكون نشطة في الرقص الرقص الثورة (DDR) اللعب في الدراسات الرائدة الرنين المغناطيسي الوظيفي، بالإضافة إلى لدينا fNIRS المنشورات 10-12. كان لدينا فرضية الدراسة الحالية أن النشاط الوظيفي في هذا المجال كما هو مسجل باستخدام fNIRS سوف يرتبط بشكل كبير مع نشاط وظيفي المسجلة باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي في بروتوكول عبة الرقص مماثل ولكن محدود.
بروتوكول الموصوفة هنا يتضمن كيفية تعديل لعبة فيديو رقص لاستخدامها كنموذج التصوير العصبي في كل fNIRS والبروتوكولات الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك الإجراء العام ليست محددة لنموذج لعبة فيديو اللعب، ويمكن أن تكون مناسبة لأي عدد من المهام التي ليست ممكنة لأداء في قيود بروتوكول الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك المهام اللغوية والحركي. ويحدد هذا البروتوكول كذلك الإجراء لاستخدام خصوصية التشريحية للالرنين المغناطيسي الوظيفي لتطوير مناطق معينة من الفائدة (ROI) والتي يمكن مزيد من الدراسة خلال المهام العالم الحقيقي الحقيقي باستخدام fNIRS.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS هو الدماغ تقنية التصوير وظيفية لديها وعد بالسماح للدراسة يرتبط العصبية من الأنشطة الطبيعية. تطوير تلك التقنيات هي اتجاه البحث النشطة. نحن الخطوط العريضة هنا منهجية التي كانت فعالة لتسجيل نشاط المخ وظيفية في منطقة واحدة من الفوائد المرتبطة بالمشاركة في لعبة رقص.
وقد زاد عدد المطبوعات التحقيق نماذج التعلم الحركي مع fNIRS سريعا في السنوات الأخيرة مع استحداث وحدات fNIRS متعددة القنوات من شركة هيتاشي وشيمادزو (فضلا عن غيرها) قادرة على تسجيل أنشطة وظيفية في مناطق متعددة من الدماغ بالتزامن 20،21 . لقد أظهرنا سابقا أنه من الممكن لتحديد خصوصية التشريحية للإشارات fNIRS فضلا عن استخدام اشارات لتحديد الكيفية التي تسهم الاختلافات في توقيت والسعة من إشارات إلى الأداء السلوكي للالمهام الحركية <suP> 11. وركزت القضية الاستثنائية الأخيرة للمجلة Neuroimage على التطبيقات الحالية للتكنولوجيا تقارير قوائم الجرد الوطنية وشملت عددا من الدراسات محددة لالتعلم الحركي 22. حتى مع هذا الاهتمام متعاظم في تكنولوجيا تقارير قوائم الجرد الوطنية، وقد ركزت بعض الدراسات على الآليات العصبية من السلوكيات الطبيعية التصديق عليها من قبل الرنين المغناطيسي الوظيفي. في حين أن هذا العدد الخاص والعديد من المنشورات الأخرى 23-26 الخطوط العريضة بوضوح الدور المستقبلي للfNIRS في دراسة السلوكيات الحركية، هو موضح هنا تم وضع بروتوكول للتحقق من صحة منهجية موحدة لمقارنة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي وfNIRS من السلوكيات الطبيعية.
وتشير النتائج إلى وجود علاقة قوية بين مجموعات لfNIRS وإشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في منطقة التكامل بين الفص الصدغي والترابط بين الإشارات وتماشيا مع ذلك تظهر من قبل في المتزامنة الرنين المغناطيسي الوظيفي / fNIRS الدراسات 3 الشكل 9 يشير إلى أن النشاط fNIRS في الفص الصدغي هو ليس فقط القشرية في الطرافة الطبيعةح الفرق الأكسجين وdeoxyHb chromofore الامتصاصية، ولكن أيضا أن النشاط في الفص الصدغي يختلف تماما عن تلك التي شوهدت في الفص الجبهي لا ترتبط مع النشاط الرنين المغناطيسي الوظيفي في الفص الصدغي. نؤكد على بعض الجوانب الهامة للدراسة التي تسمح بمقارنة البيانات بين الطريقتين. لأول مرة، وقد ورد معايرة المواقع optode كاستراتيجية رئيسية في تأكيد تشريح القشرية وتفسير النتائج. التعديلات التي قطعناها على أنفسنا للبرمجيات وسمحت الأجهزة لنا لمزامنة نموذج لدينا مع بروتوكول تصميم كتلة الأمثل لتسفر عن ردود القشرية قوية في كل الإجراءات. نحن أيضا الخطوط العريضة الاستراتيجيات الرئيسية لضمان إشارة إلى ارتفاع نسبة الضوضاء (إزالة الشعر من سطح optode) والحد من القطع الأثرية بما في ذلك الحركة والتحفيز الوجه (صدرت تعليمات الموضوعات على وجه التحديد عدم لمس رؤوسهم أو الوجه).
هذه النتائج ونتائج الدراسات السابقة التحقيق fNIRS المتزامنة / FMوتؤكد الإجراءات التصوير RI علاقة ارتباط قوية بين الإشارات توقعت كما نظريا 1-3. القيد واحدة لتفسير البيانات المقدمة هنا هو أننا لم نتمكن من الاستفادة من التقنيات الحديثة في الاستفادة المثلى من تسجيل تقارير قوائم الجرد الوطنية التي تظهر أنه من الممكن زيادة دقة البيانات قناة الفردية باستخدام تسجيلات عالية الكثافة. كما تم استخدام هذه التقنية عالية الكثافة لفصل مكونات سطحية من تقارير قوائم الجرد الوطنية القشرية يشير 27 بالإضافة إلى غيرها من التقنيات التي إزالة القطع الأثرية من ضغط الدم ومعدل ضربات القلب والمتغيرات جهازية أخرى 6،7،28. وقد تبين أيضا أن وضع التحقيق وchromaphore خيار يمكن استخدامها للسيطرة على ايجابيات كاذبة 29 والتصفية على التكيف إشارات تقارير قوائم الجرد الوطنية يمكن استخدامها بشكل فعال في حالة إشارة إلى ارتفاع نسبة الضوضاء. المهمة التي نحن قد استخدمت هنا وسابقا باستخدام أنظمة تقارير قوائم الجرد الوطنية التجارية مع النماذج المعروضة في تصميم كتلة 10،11وقد أنتجت البيانات مع إشارات كبيرة ولم تتطلب مزيدا من تقنيات التحليل أو الأجهزة لإظهار أوجه الشبه بين الإشارات. ومع ذلك، فمن الممكن أن البيانات المقدمة هنا يمكن تحسينها من خلال استخدام هذه التقنيات وغيرها في تقارير قوائم الجرد الوطنية معالجة الإشارات.
والمنهجيات الحالية في ظيفية تقارير قوائم الجرد الوطنية لا تحل محل الحاجة الرنين المغناطيسي الوظيفي المسح الضوئي. بدلا من ذلك، كما نقترح هنا، وإجراءات التصوير اثنين (بالإضافة إلى EEG وغيرها) يمكن أن تستخدم ليكمل كل منهما الآخر. في حالة وجود مجموعة من الأفراد التي يتم بطلان لالرنين المغناطيسي الوظيفي المسح، قد fNIRS تثبت هذه التقنية قابلة للتطبيق فقط للتأكد من فوائد برنامج التدريب مثل برامج الوقاية من المخاطر الخريف للأفراد مع مرض الشلل الرعاش. وعلاوة على ذلك، fNIRS لديها عدد من الاتجاهات المستقبلية التي يمكن أن تستخدم أيضا لإضافة المعلومات إلى التفاصيل التشريحية المقدمة من خلال MR المسح. سوف عالية الكثافة وضع optode وزيادة optodes عائدات أعلىالقرار الزماني التي يمكن استخدامها للاتصال والمبدأ تحليل المكونات فضلا عن زيادة دقة النمذجة إشارة BOLD.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث في جزء من مصادر التمويل التالية: JSPS غرانت في والمعونة للبحوث العلمية (C) 25350642 (AT)، منحة بحثية من مؤسسة هاياو ناكاياما للعلوم والتكنولوجيا والثقافة (SS & YO)، و منح ألعاب بحوث الصحية من مؤسسة روبرت وود جونسون (المنحة # 66729) (SB وJAN).
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 |
References
- Heinzel, S., et al. Variability of (functional) hemodynamics as measured with simultaneous fNIRS and fMRI during intertemporal choice. NeuroImage. 71, 125-134 (2013).
- Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54, 2808-2821 (2011).
- Sato, H., et al. A NIRS–fMRI investigation of prefrontal cortex activity during a working memory task. Neuroimage. 83, 158-173 (2013).
- Piper, S. K., et al. A wearable multi-channel fNIRS system for brain imaging in freely moving subjects. NeuroImage. 85 (Part 1), 64-71 (2014).
- Funane, T., et al. Quantitative evaluation of deep and shallow tissue layers’ contribution to fNIRS signal using multi-distance optodes and independent component analysis). NeuroImage. 85 (Part 1), 150-165 (2014).
- Tachtsidis, I., Liss, P., Hansell, P., Bruley, D. F., Harrison, D. K., et al. Ch. 46. Oxygen Transport to Tissue XXX Vol. 645 Advances in Experimental Medicine and Biology. , 307-314 (2009).
- Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage. 85 (Part 1), 6-27 (2014).
- Saager, R., Berger, A. Measurement of layer-like hemodynamic trends in scalp and cortex: implications for physiological baseline suppression in functional near-infrared spectroscopy). Journal Of Biomedical Optics. 13 (3), 034017-034017 (2008).
- Takahashi, T., et al. Influence of skin blood flow on near-infrared spectroscopy signals measured on the forehead during a verbal fluency task. Neuroimage. 57, 991-1002 (2011).
- Ono, Y., et al. Frontotemporal oxyhemoglobin dynamics predict performance accuracy of dance simulation gameplay: Temporal characteristics of top-down and bottom-up cortical activities. NeuroImage. 85, 461-470 (2014).
- Tachibana, A., Noah, J. A., Bronner, S., Ono, Y., Onozuka, M. Parietal and temporal activity during a multimodal dance video game: an fNIRS study. Neuroscience Letters. 503 (2), 125-130 (2011).
- Noah, J., Tachibana, A., Bronner, S. Annual Society for Neuroscience Conference. , (2010).
- Maldjian, J. A., Laurienti, P. J., Burdette, J. H. Precentral gyrus discrepancy in electronic versions of the Talairach atlas. Neuroimage. 21, 450-455 (2004).
- Maldjian, J. A., Laurienti, P. J., Kraft, R. A., Burdette, J. H. An automated method for neuroanatomic and cytoarchitectonic atlas-based interrogation of fMRI data sets. Neuroimage. 19, 1233-1239 (2003).
- Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Ten percent electrode system for topographic studies of spontaneous and evoked EEG activity. Am J EEG Technol. 25, 83-92 (1985).
- Okamoto, M., Dan, I. Automated cortical projection of head-surface locations for transcranial functional brain mapping. Neuroimage. 26, 18-28 (2005).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44, 428-447 (2009).
- Cope, M., Delpy, D. System for long-term measurement of cerebral blood and tissue oxygenation on newborn infants by near infra-red transillumination. Medical and Biological Engineering and Computing. 26 (3), 289-294 (1988).
- Savitzky, A., Golay, M. J. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Analytical Chemistry. 36 (8), 1627-1639 (1964).
- Okamoto, M., et al. Multimodal assessment of cortical activation during apple peeling by NIRS and fMRI. NeuroImage. 21, 1275-1288 (2004).
- Suzuki, M., et al. Prefrontal and premotor cortices are involved in adapting walking and running speed on the treadmill: an optical imaging study. Neuroimage. 23, 1020-1026 (2004).
- Boas, D. A., Elwell, C. E., Ferrari, M., Taga, G. Twenty years of functional near-infrared spectroscopy: introduction for the special issue. NeuroImage. 85, 1-5 (2014).
- Holtzer, R., et al. fNIRS study of walking and walking while talking in young and old individuals. The Journals of Gerontology Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 66 (8), 879-887 (2011).
- Suzuki, M., Miyai, I., Ono, T., Kubota, K. Activities in the frontal cortex and gait performance are modulated by preparation. An fNIRS study. Neuroimage. 39, 600-607 (2008).
- Shimada, S., Hiraki, K., Oda, I. The parietal role in the sense of self-ownership with temporal discrepancy between visual and proprioceptive feedbacks. Neuroimage. 24, 1225-1232 (2005).
- Matsuda, G., Hiraki, K. Sustained decrease in oxygenated hemoglobin during video games in the dorsal prefrontal cortex: a NIRS study of children. Neuroimage. 29, 706-711 (2006).
- Gregg, N. M., White, B. R., Zeff, B. W., Berger, A. J., Culver, J. P. Brain specificity of diffuse optical imaging: improvements from superficial signal regression and tomography. Frontiers in Neuroenergetics. 2, 14 (2010).
- Kirilina, E., et al. The physiological origin of task-evoked systemic artefacts in functional near infrared spectroscopy. Neuroimage. 61, 70-81 (2012).
- Strangman, G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. Factors affecting the accuracy of near-infrared spectroscopy concentration calculations for focal changes in oxygenation parameters. NeuroImage. 18, 865-879 (2003).
