fMRI Validierung fNIRS Messungen während einer naturalistischen Aufgaben
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
Das Ziel der hier beschriebenen Methoden war es, ein Arbeitsprotokoll zur fMRT (funktionelle Magnetresonanztomographie) und fNIRS (funktionelle Nahinfrarot-Spektroskopie) Signale in ähnlicher multimodalen Aufgaben vergleichen zu entwickeln. Insbesondere Wir sollen, um eine funktionelle Bildgebungsverfahren für die Verwendung mit Personen, die für traditionelle fMRI-Scans durch Tremor, Dyskinesien oder mehreren implantierten Geräten kontraindiziert zu entwickeln. Während viele effektives Training und Rehabilitationsprogramme gibt es für Personen mit einem Risiko für fallende, gibt es keine Bestätigung der neuronalen Mechanismen Wirksamkeit dieser Programme zugrunde liegt. Oft sind Personen, die an diesen Ausbildungsprogrammen kontraindiziert für den genannten Gründen. Unsere Gründe für diese Studie war es, die Wirksamkeit von funktionellen Nahinfrarot-Spektroskopie (fNIRS) zu bestimmen, die Muster der Hirnaktivität mit einem naturalistischen Motor Aufgabe, die ganze Körperbewegungen verbunden zu bestimmen. Langfristige Ziele sind die Entwicklung eines Tools zur Gestüty nicht nur Motorlernparadigmen, sondern dienen auch dazu, die Angemessenheit der fNIRS für eine breitere Palette von Aufgaben, die nicht möglich ist, in einer naturalistisch mit traditionellen Methoden durchzuführen sind bestätigen.
fNIRS Aktivität wurde zuvor gezeigt, hoch korreliert (r = 0,77-0,94) für die homologen Regionen mit fMRI BOLD (blood oxygen level abhängig) Signalaufzeichnungen in begrenzten Studien, die gleichzeitige fNIRS und fMRI funktionelle Aktivität mit klassischen psychologischen und einfache Fingertapping Paradigmen gemessen 1-3. Die Ergebnisse dieser Studien bestätigen fNIRS gültig und zuverlässig kortikale Aktivität mit einer reduzierten Umwelt Aufgabe mit fMRI kompatibel assoziiert zu bestimmen. Hat fNIRS jedoch zahlreiche Vorteile gegenüber fMRI als bildgebende Verfahren. fNIRS, wichtiger ist, ist viel weniger empfindlich auf Bewegungsartefakte als fMRI und erlaubt Themen zu tun, als würden sie in einem naturalistischen Umwelt im Gegensatz zu fMRI Studien, die Motor paradig beschränken4 ms. Die zeitliche Genauigkeit fNIRS assoziiert ermöglicht Bestimmung von Änderungen in der neuralen Antwortfunktionen mit einer erhöhten Körnigkeit aufgrund der erhöhten Abtastfrequenz. Schließlich sind die Kosten niedriger als fNIRS fMRI Abtastung und erlaubt die Studien mit geringeren Kosten durchgeführt werden. Allerdings gibt es Nachteile fNIRS Vergleich zu fMRI einschließlich begrenzte Eindringtiefe, begrenzte räumliche Auflösung, und in jüngerer Zeit hat es sich gezeigt, daß bestimmte physiologische Phänomene wie Blutdruck, Herzfrequenz, und die Kopfhaut Blutfluss Effekte können falsche Positive zu der Einführung kortikale hämodynamische Signal 5-9. Während eine Reihe von Methoden und Hardware-Entwicklungen speziell für NIRS, einschließlich Signalverarbeitung, Hardware, um hochdichte Optode Gradienten liefern werden derzeit entwickelt, ist es noch wichtig, gemischte Methoden, fMRI und fNIRS Verfahren ergänzen sich erlauben zu entwickeln.
Diese Studie dient dazu, zu testenein Verfahren der fNIRS zur Bestimmung neuronalen Mechanismen während einer naturalistischen Tanz Videospiel-Aufgabe beschäftigt. Das Ziel der Studie war es, in einem Integrationszentrum des Gehirns (der Vorgesetzte und mittleren Gyrus temporalis) zwischen einer Gruppe von Individuen zu vergleichen Tätigkeit aufgenommen mit fMRI zu einer anderen Gruppe von Probanden mit einem naturalistischen Version der Aufgabe aufgenommen mit fNIRS. Unsere Gruppe hat bisher untersuchten Bereich mit ähnlichen interaktives Spiel Paradigmen und hat Aktivität im Temporallappen reagiert auf Sau- und de-Oxy-Hb Chromophore gemäß kortikalen Aktivierungen 10 gezeigt. Wir haben ebenfalls versucht, die zuvor für die systemische Artefakte zuvor, indem Reaktionen in diesem Bereich zu steuern in der Amplitude in Bezug auf den kortikalen Last der Aufgabe ist und systemische Reaktionen auf die Aktivität selbst 11 bezogen moduliert. Die überlegene und mittleren Gyrus temporalis Die Aktivitäten mit der Integration von multi-modale Sinnesreize assoziiert bekannt und wir haben vorhergezeigt, diesen Bereich aktiv zu sein in Dance Dance Revolution (DDR) Spiel in Pilot fMRT-Studien in Ergänzung zu unseren Publikationen fNIRS 10-12. Unsere Hypothese für die aktuelle Studie war, dass die funktionelle Aktivität in diesem Bereich aufgenommen mit fNIRS erheblich mit funktionellen Aktivität aufgezeichnet mittels fMRT auf ähnliche Eingeschränkt Tanzspiel Protokoll korreliert werden.
Das hier beschriebene Protokoll enthält, wie man eine Tanzvideospiel zu modifizieren, um eine Neuroimaging Paradigma in beiden fNIRS und fMRI-Protokolle verwendet werden. Das Gesamtverfahren ist jedoch nicht spezifisch auf das Paradigma des Videospielens und könnte für eine beliebige Anzahl von Aufgaben, die nicht möglich ist, in den Zwängen eines fMRI Protokoll einschließlich Sprache und Bewegungs Aufgaben bereit sind. Dieses Protokoll beschreibt die weitere Vorgehensweise, um die anatomischen Besonderheit des fMRI verwenden, um bestimmte Bereiche von Interesse (ROI), die während der Echt realen Aufgaben mit fNIRS weiter untersucht werden können, zu entwickeln.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS ist eine funktionelle Bildgebung des Gehirns Technik, die das Versprechen so dass die Untersuchung der neuronalen Korrelate von Naturaktivitäten hat. Entwicklung dieser Techniken ist ein aktives Forschungsrichtung. Wir skizzieren hier eine Methodik, die wirksam für die Aufnahme funktionelle Aktivität des Gehirns in einem Bereich von Interesse mit der Teilnahme an einem Tanz-Videospiel zugeordnet hat.
Die Anzahl von Veröffentlichungen untersucht Motor Lernparadigmen mit fNIRS haben sich in den letzten Jahren mit der Einführung von Multi-Kanal-fNIRS Einheiten von Hitachi und Shimadzu (sowie andere) zum Aufzeichnen von funktionellen Aktivitäten in mehreren Hirnregionen gleichzeitig 20,21 erhöhten . Wir haben zuvor gezeigt, dass es möglich ist, anatomische Spezifität fNIRS Signale zu bestimmen sowie um die Signale zu bestimmen, wie Veränderungen in der Zeitplanung und der Amplitude der Signale beitragen, um Verhaltenseigenschaften von Kraftaufgaben <sup> 11. Eine aktuelle Sonderheft der Zeitschrift Neuroimage konzentrierte sich auf aktuelle Anwendungen der NIRS-Technologie und enthalten eine Reihe von spezifischen motorischen Lernens 22 Studien. Selbst mit dieser Schneeball Interesse NIRS-Technologie haben nur wenige Studien auf neuronalen Mechanismen der naturalistischen Verhaltensweisen von fMRI validiert konzentriert. Während dieses Sonderheft und zahlreiche andere Publikationen 23-26 klar umreißen die künftige Rolle der fNIRS in Studium motorische Verhaltensweisen, beschrieb das Protokoll hier wurde entwickelt, um eine einheitliche Methodik für den Vergleich von fMRI und fNIRS Daten aus naturalistischen Verhaltensweisen zu validieren.
Die Ergebnisse zeigen eine hohe Korrelation zwischen den Gruppen für fNIRS und fMRI Signale in einem Integrationsbereich des Schläfenlappens und die Korrelation zwischen den Signalen in-line mit demjenigen vor im Gleich fMRI / fNIRS Studien 3 gezeigt dar. 9 zeigt, dass fNIRS Aktivität in Schläfenlappen ist in der Natur nicht nur Witz kortikaleh Differenz Oxy- und Desoxy chromofore Absorption, sondern auch die Aktivität in den Schläfenlappen ist ganz anders als im Frontallappen nicht mit fMRI Aktivität korrelieren im Temporallappen gesehen. Wir betonen, ein paar kritische Aspekte der Studie, die Daten, die zwischen den beiden Techniken verglichen werden können. Zunächst wurde die Kalibrierung der Optode Standorten als Schlüsselstrategie in der Bestätigung kortikalen Anatomie und Interpretation der Ergebnisse dargestellt. Die Änderungen haben wir die Software gemacht und Hardware konnten wir unsere Paradigma mit einem Block-Design-Protokoll optimiert, um starken kortikalen Reaktionen in beiden Verfahren ergeben synchronisieren. Wir wichtigsten Strategien skizzieren auch zu hohen Signal-Rausch-Verhältnis (Haarentfernung aus Optode Oberfläche) und Reduktion von Artefakten, einschließlich Bewegung und Gesichtsstimulation (Probanden wurden angewiesen, die speziell den Kopf oder das Gesicht zu berühren) zu gewährleisten.
Diese Ergebnisse und die Ergebnisse früherer Studien, die gleichzeitige fNIRS / FM-RI bildgebenden Verfahren zu bestätigen eine hohe Korrelation zwischen den Signalen als theoretisch vorhergesagten 1-3. Eine Einschränkung auf die Interpretation der vorliegenden Daten ist, dass wir nicht in der Lage neuere Techniken in die Optimierung der NIRS Aufnahme, die es möglich ist, die Auflösung der einzelnen Kanal-Daten mit hoher Dichte zu erhöhen zeigen Aufnahmen zu nutzen. Diese hohe Dichte Technik wurde auch verwendet, um Oberflächenkomponenten getrennt von der kortikalen NIRS Signale 27 neben anderen Techniken, die Artefakte aus Blutdruck, Herzfrequenz und andere systemische Variablen 6,7,28 entfernen. Es wurde auch gezeigt, dass die Sondenplatzierung und Chromaphor Auswahl kann verwendet werden, um Fehlalarme 29 und adaptive Filterung NIRS Signale steuern kann effektiv bei der hohen Signal-Rausch-Verhältnis verwendet werden kann. Die Aufgabe, die wir hier und zuvor mit kommerziellen NIRS Systemen mit Paradigmen in Blockbauweise 10,11 dargestellt sind eingesetzthat Daten mit großen Signale erzeugt und ist nicht erforderlich, weitere Analysetechniken oder Hardware, um Ähnlichkeiten zwischen den Signalen zu zeigen. Es ist jedoch möglich, dass die hier vorgestellten Daten könnte durch die Verwendung von diesen und anderen Techniken NIRS Signalverarbeitung verbessert werden.
Aktuelle Methoden der funktionellen NIRS ersetzt nicht die Notwendigkeit für fMRI Scannen; eher, wie wir vorschlagen, hier können die beiden bildgebenden Verfahren (zusätzlich zu den EEG und andere) verwendet werden, um sich gegenseitig ergänzen werden. Im Fall von einer Gruppe von Personen, die für die fMRI Scannen kontraindiziert sind, können fNIRS die einzige lebensfähige Technik zu beweisen, um die Vorteile eines Fortbildungsprogramms, wie Sturzrisikopräventionsprogramme für Menschen mit Parkinson-Krankheit festzustellen. Ferner hat fNIRS eine Reihe von Zukunftsperspektiven, die auch verwendet werden können, um Informationen an die anatomischen Details durch MRT-Untersuchungen vorgesehen hinzuzufügen. Hohe Dichte Optode Platzierung und erhöht Optoden werden höhere Ausbeutezeitlichen Auflösung, die für die Konnektivität und Hauptkomponentenanalyse sowie eine erhöhte Genauigkeit der BOLD-Signal-Modellierung verwendet werden kann.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde teilweise durch die folgenden Finanzierungsquellen unterstützt: JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (C) 25.350.642 (AT), ein Forschungsstipendium von Hayao Nakayama Stiftung für Wissenschaft und Technik und Kultur (SS & YO) und eine Gesundheit Games Forschungsstipendium der Robert Wood Johnson Foundation (Grant # 66.729) (SB & JAN).
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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