fMRI אישור של מדידות fNIRS במהלך משימה נטורליסטי
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
המטרה של השיטות שתוארו כאן הייתה לפתח פרוטוקול עבודה כדי להשוות fMRI (דימות תהודה מגנטית תפקודיות) וfNIRS (ספקטרוסקופיה קרובה אינפרא אדום התפקודית) אותות במשימות רבי מודלי דומות. במיוחד אנו מכוונים לפתח הליך הדמיה תפקודי לשימוש עם אנשי התווית לסריקות ה- fMRI מסורתיים בשל רעד, dyskinesia, או התקנים מושתלים מרובים. בעוד תוכניות הכשרה ושיקום יעילות רבות קיימות עבור אנשים בסיכון לנפילה, שאין אישור של המנגנונים העצביים שבבסיס יעילות של תוכניות אלה. לעתים קרובות, אנשים המשתתפים בתוכניות הכשרה אלה הם מהסיבות שהובאו-הצביע קונטרה. הרציונל שלנו למחקר היה לקבוע את היעילות של ספקטרוסקופיה הפונקציונלית קרוב אינפרא אדום (fNIRS) כדי לקבוע דפוסי פעילות המוח הקשורים למשימה מוטורית נטורליסטי מעורב תנועות גוף כולו. מטרות לטווח ארוך כוללות פיתוח כלי להרבעהגם y פרדיגמות למידה מוטורית לא רק, אלא ישמש כדי לאשר את נאותות fNIRS למגוון רחב יותר של משימות שאינן אפשריים לביצוע באופן נטורליסטי בשיטות מסורתיות.
פעילות fNIRS כבר בעבר הראתה שמתאם גבוה (r = .77-.94) לאזורים הומולוגיים עם הקלטות (רמת חמצן בדם תלויות) BOLD fMRI אות במחקרים מוגבלים שנמדדו fNIRS מקביל ופעילות פונקציונלית fMRI באמצעות אצבע פסיכולוגית ופשוטה קלאסית הקשה פרדיגמות 1-3. התוצאות של מחקרים אלה מאשרות fNIRS תקף ואמין לקביעת פעילות בקליפת המוח הקשורים למשימה סביבתית מופחתת תואמת עם fMRI. עם זאת, יש יתרונות רבים על פני fNIRS fMRI כשיטת הדמייה. fNIRS, חשוב מכך, הוא הרבה פחות רגיש לחפץ תנועה מfMRI ומאפשר נושאים להתנהג כפי שהם היו בסביבת נטורליסטי בניגוד למחקרי fMRI המגבילים paradig מנוע4 מילישניות. הדיוק הזמני הקשורים לfNIRS מאפשר לקביעת שינויים בפונקציות תגובה עצביות עם גרעיניות מוגברת בשל תדר הדגימה המוגבר. לבסוף, את עלות fNIRS נמוכה מסריקת fMRI ומאפשרת ללימודים להתנהל בפחות עלות. עם זאת, יש חסרונות של fNIRS לעומת fMRI כולל עומק מוגבל של חדירה, רזולוציה מרחבית מוגבלת, ולאחרונה זה כבר הראה כי תופעות פיזיולוגיות מסוימות כגון לחץ דם, קצב לב, ואת זרימת דם בקרקפת יכול להציג את השפעות חיוביות שגויות ל אות המודינמית קליפת המוח 5-9. בעוד מספר מתודולוגיות והתפתחויות חומרה ספציפיות לNIRS, כוללים עיבוד אותות, חומרה כדי לספק הדרגתיים optode בצפיפות גבוהה בימים אלו פיתחו, זה עדיין חשוב לפתח שיטות מעורבות המאפשרות fMRI ונהלי fNIRS למשלימים אחד את השני.
מחקר זה משמש לבדיקהשיטה של fNIRS לקביעת מנגנונים עצביים העוסקים במשימת משחק וידאו ריקוד נטורליסטי. מטרת המחקר הייתה להשוות את פעילות במרכז אינטגרציה של המוח (gyrus הזמני מעולה ואמצע) בין קבוצה של אנשים צילם באמצעות fMRI לקבוצה אחרת של נבדקים משתמש בגרסה טבעית של משימת הדמיה באמצעות fNIRS. הקבוצה שלנו חקרה בעבר תחום זה באמצעות פרדיגמות משחק אינטראקטיבי דומות והראתה פעילות באונה הרקתית מגיב לשני chromophores oxy- ודה-oxyHb בהתאם להפעלות בקליפת המוח 10. יש לנו גם בעבר ניסה לשלוט בחפצים מערכתיים בעבר על ידי הצגת תגובות בתחום זה הם מווסתים במשרעת ביחס לעומס בקליפת המוח של המשימה ולא תגובות מערכתיות הקשורים לפעילות עצמה 11. Gyrus הזמני מעולה והאמצע ידע פעילות הקשורה לאינטגרציה של גירויים חושיים רבי מודלי ויש לנו בעברמוצג תחום זה להיות פעיל בDance Dance Revolution (DDR) משחק במחקרי fMRI טייס בנוסף לפרסומי fNIRS 10-12. ההשערה שלנו למחקר הנוכחי הייתה שפעילות תפקודית בתחום זה כפי שנרשם fNIRS באמצעות תהיה בקורלציה משמעותית עם פעילות פונקציונלית שהוקלטה באמצעות fMRI בפרוטוקול משחק ריקוד דומה אבל מוגבל.
הפרוטוקול המתואר כאן כולל כיצד לשנות משחק וידאו ריקוד לשמש כפרדיגמה הדמייה בשני fNIRS ופרוטוקולי fMRI. עם זאת ההליך הכולל אינו ספציפי לפרדיגמה של משחק וידאו ויכול להיות מתאים לכל מספר של משימות שאינן אפשריים לביצוע במגבלות של פרוטוקול fMRI, כוללים משימות שפה ותנועה. פרוטוקול זה מתאר את ההליך נוסף להשתמש הספציפי האנטומי של fMRI כדי לפתח אזורים ספציפיים של העניין (ROI) שניתן ללמוד עוד במשימות בעולם אמיתי-האמיתי באמצעות fNIRS.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS היא טכניקת הדמיה תפקודית של מוח שיש ההבטחה לאפשר למחקר והקושר העצבי של פעילויות טבעיות. פיתוח של טכניקות אלה הוא כיוון מחקר פעיל. אנו מתארים כאן מתודולוגיה שהייתה יעיל להקלטת פעילות מוחית תפקודית באזור אחד של עניין הקשור להשתתפות במשחק וידאו ריקוד.
מספר הפרסומים חוקרים פרדיגמות למידה מוטוריות עם fNIRS גדל במהירות בשנים האחרונות עם כניסתה של fNIRS יחידות רבת ערוצים מHitachi וShimadzu (כמו גם אחר) מסוגל להקליט פעילויות תפקודיות באזורים המרובים של המוח במקביל 20,21 . הראינו בעבר כי ניתן לקבוע סגוליות האנטומי של אותות fNIRS כמו גם להשתמש באותות כדי לקבוע כיצד שינויים בעיתוי והמשרעת של האותות לתרום לביצועי התנהגות של מטלות מוטוריות <sup> 11. גיליון מיוחד של כתב העת האחרון Neuroimage התמקד ביישומים הנוכחיים של טכנולוגית NIRS וכלל מספר המחקרים ספציפיים ללמידה מוטורית 22. גם בעניין זה כדור שלג בטכנולוגית NIRS, כמה מחקרים התמקדו במנגנונים עצביים של התנהגויות נטורליסטי אומתו על ידי fMRI. בעוד גיליון מיוחד זה ופרסומים רבים אחרים 23-26 בבירור מתארים את התפקיד העתידי של fNIRS בלימוד התנהגויות מוטוריות, הפרוטוקול מתואר כאן פותח כדי לאמת מתודולוגיה אחידה להשוואת נתוני ה- fMRI וfNIRS מהתנהגויות נטורליסטי.
התוצאות מצביעות על מתאם גבוה בין קבוצות לfNIRS ואותות ה- fMRI באזור אינטגרציה של האונה הטמפורלית והמתאם בין האותות מוצגת ב- קו עם שלפני בלימודים / fNIRS מקביל fMRI 3. איור 9 מציין כי פעילות fNIRS ב האונה הרקתית היא לא רק בקליפת מוח שנינות הטבעoxy- ההפרש שעות וdeoxyHb chromofore ספיגה, אלא גם כי הפעילות באונה הטמפורלית היא שונה לגמרי מזה שנראה באונה הקדמית אינו תואם את פעילות fMRI באונה הטמפורלית. אנו מדגישים כמה היבטים קריטיים של המחקר המאפשרים נתונים להשוואה בין שתי השיטות. ראשית, הכיול של מקומות optode היה מתואר כאסטרטגיה מרכזית במאשרת האנטומיה ופרשנות של התוצאות בקליפת המוח. השינויים שעשינו לתוכנה וחומרה אפשרה לנו לסנכרן הפרדיגמה שלנו עם פרוטוקול עיצוב בלוק מותאם להניב תגובות קליפת המוח חזקות בשני ההליכים. כמו כן, אנו מתארים אסטרטגיות מפתח כדי להבטיח גבוהה יחס אות לרעש (הסרת שיער ממשטח optode) והפחתה של חפצים כוללים תנועה וגירוי פנים (נושאים הונחו במיוחד לא לגעת בראש או הפנים שלהם).
תוצאות אלו והתוצאות של מחקרים קודמים חוקר fNIRS במקביל / FMנהלי ההדמיה RI לאשר מתאם גבוה בין האותות ניבא 1-3 כתיאורטי. מגבלה אחת לפרשנות של הנתונים שהוצגו כאן היא שלא הצליחו לנצל טכניקות חדשות יותר באופטימיזציה של הקלטת NIRS שמראה שאפשר להגדיל את הרזולוציה של נתוני ערוץ הבודדים באמצעות הקלטות צפיפות גבוהות. טכניקת צפיפות גבוהה זה שימשה גם כדי להפריד בין מרכיבים שטחיים מNIRS קליפת המוח מאותת 27 בנוסף לטכניקות אחרות להסרת חפצים מלחץ דם, קצב לב ומשתנים מערכתיים אחרים 6,7,28. כמו כן, הוכיח כי מיקום הבדיקה וchromaphore בחירה יכולה לשמש כדי לשלוט על תוצאות חיוביות שגויות 29 וסינון הסתגלות של אותות NIRS ניתן להשתמש ביעילות במקרה של גבוהה יחס אות לרעש. המשימה שיש לנו כאן והועסק בעבר באמצעות מערכות NIRS מסחריות עם פרדיגמות שהוצגו בעיצוב בלוק 10,11הפיק נתונים עם אותות גדולים ולא נדרש טכניקות ניתוח נוספות או חומרה להראות דמיון בין אותות. עם זאת, ייתכן שהנתונים שהוצגו כאן יכולים להיות שיפור נוסף באמצעות השימוש בטכניקות אלה ואחרים בעיבוד אותות NIRS.
מתודולוגיות נוכחיים בNIRS הפונקציונלי לא יחליפו את הצורך בסריקת fMRI; ולא, כפי שאנו מציעים כאן, נהלי שתי ההדמיה (בנוסף לEEG ואחרים) יכולים לשמש כדי להשלים אחד את השני. במקרה של קבוצה של אנשים שהם התווית לסריקת fMRI, fNIRS עשוי להוכיח את הטכניקה המעשית היחידה לברר את היתרונות של תכנית אימונים כגון תוכניות למניעת סיכון נפילה לאנשים עם מחלת פרקינסון. יתר על כן, fNIRS יש מספר הכיוונים העתידיים שיכול לשמש גם כדי להוסיף מידע לפרטים אנטומיים הניתנים באמצעות סריקת MR. optodes צפיפות גבוהה מיקום optode וגדלו יניב גבוה יותרפתרון זמני שיכול לשמש לקישוריות וניתוח מרכיבי עיקרון, כמו גם דיוק מוגבר של דוגמנות אות BOLD.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך בחלקו על ידי מקורות המימון הבאים: JSPs גרנט ב- סיוע למחקר מדעי (C) 25,350,642 (AT), מענק מחקר מהייאו נאקאיאמה קרן למדע וטכנולוגיה ותרבות (SS וYO), ו מחקר משחקי בריאות מענק מקרן רוברט ווד ג'ונסון (גרנט # 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 |
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).
