fMRI Validazione di fNIRS misurazioni durante un compito Naturalistica
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
L'obiettivo dei metodi descritti è stato quello di sviluppare un protocollo di lavoro per confrontare i segnali di compiti multi-modali simili fMRI (risonanza magnetica funzionale) e fNIRS (funzionale spettroscopia nel vicino infrarosso). In particolare abbiamo cercato di sviluppare una procedura di imaging funzionale per l'uso con gli individui controindicati per le scansioni fMRI tradizionali causata dal tremore, discinesia, o più dispositivi impiantati. Mentre molti programmi di formazione e riabilitazione efficaci esistono per gli individui a rischio di caduta, non vi è alcuna conferma dei meccanismi neurali alla base dell'efficacia di questi programmi. Spesso, le persone che partecipano a questi programmi di formazione sono controindicati per i motivi citati. La nostra motivazione per questo studio è stato quello di determinare l'efficacia di funzionale spettroscopia nel vicino infrarosso (fNIRS) per determinare i modelli di attività cerebrale associata con un compito motorio naturalistico che coinvolge i movimenti di tutto il corpo. Obiettivi a lungo termine comprendono lo sviluppo di uno strumento per stalloney non solo paradigmi di apprendimento motorio, ma servono anche per confermare l'adeguatezza di fNIRS per una più ampia varietà di compiti che non sono possibili per eseguire in maniera naturalistica con metodi tradizionali.
attività fNIRS è già stato dimostrato essere altamente correlati (r = 0,77-0,94) per le regioni omologhe con fMRI (livello di ossigeno nel sangue a carico) BOLD registrazioni del segnale in studi limitati che misuravano fNIRS concorrenti e l'attività funzionale fMRI utilizzando classico dito psicologico e semplice toccando paradigmi 1-3. I risultati di questi studi confermano fNIRS è valido e affidabile per determinare l'attività corticale associata con un compito ambientale ridotto compatibile con fMRI. Tuttavia, fNIRS ha numerosi vantaggi rispetto fMRI come metodo neuroimaging. fNIRS, soprattutto, è molto meno sensibile al movimento artefatto di fMRI e permette ai soggetti di comportarsi come farebbero in un ambiente naturalistico in contrasto con gli studi fMRI che limitano paradig motorems 4. La precisione temporale associato fNIRS consente per la determinazione delle variazioni di funzioni di risposta neurali con maggiore granularità a causa della maggiore frequenza di campionamento. Infine, il costo di fNIRS è inferiore scansione fMRI e consente di studi da condurre a costi inferiori. Tuttavia, ci sono svantaggi di fNIRS rispetto alla fMRI compreso limitata profondità di penetrazione, risoluzione spaziale limitata, e più recentemente è stato dimostrato che alcuni fenomeni fisiologici come la pressione sanguigna, la frequenza cardiaca, e cuoio effetti del flusso sanguigno può introdurre falsi positivi al corticale segnale emodinamico 5-9. Mentre sono attualmente in fase di sviluppo una serie di metodologie e sviluppi hardware specifici per NIRS, tra cui l'elaborazione del segnale, hardware per fornire gradienti optode ad alta densità, è comunque importante sviluppare metodologie miste che permettano fMRI e procedure fNIRS di completarsi a vicenda.
Questo studio serve per verificareun metodo di fNIRS per determinare i meccanismi neurali coinvolti durante un compito di danza videogiochi naturalistico. Lo scopo dello studio era di confrontare l'attività in un centro di integrazione del cervello (il giro temporale superiore e centrale) tra un gruppo di individui ripreso utilizzando fMRI ad un altro gruppo di soggetti utilizzando una versione naturalistica del compito ripreso con fNIRS. Il nostro gruppo ha già esaminato questo settore con simili paradigmi di gioco interattivo e ha mostrato attività nel lobo temporale risponde ad entrambe le cromofori dell'ossigeno e de-oxyHb in conformità con le attivazioni corticali 10. Abbiamo anche già tentato di controllare gli artefatti sistemiche precedentemente mostrando risposte in questo settore sono modulati in ampiezza rispetto al carico corticale del compito e non risposte sistemiche relative all'attività stessa 11. Il giro temporale superiore e mezzo ha conosciuto l'attività associata con l'integrazione di stimoli sensoriali multimodali e noi abbiamo giàdimostrato questa zona ad essere attiva in Dance Dance Revolution (DDR) il gioco in studi pilota fMRI oltre ai nostri fNIRS pubblicazioni 10-12. La nostra ipotesi per lo studio era che l'attività funzionale in questo settore, come registrati utilizzando fNIRS sarebbe significativamente correlata con l'attività funzionale registrati usando fMRI in un protocollo gioco di ballo simile ma limitata.
Il protocollo qui descritto comprende come modificare un video gioco di ballo per essere usato come un paradigma di neuroimaging sia fNIRS e protocolli fMRI. Tuttavia, la procedura generale non è specifico per il paradigma del gioco del video gioco e potrebbe essere adatto per qualsiasi numero di compiti che non sono possibili ad esibirsi in vincoli di un protocollo fMRI, tra lingua e locomotore compiti. Questo protocollo illustra ulteriormente la procedura per utilizzare la specificità anatomica fMRI sviluppare specifiche regioni di interesse (ROI) che può essere ulteriormente studiato durante compiti mondo reale reale utilizzando fNIRS.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS è una tecnica di imaging funzionale del cervello che ha la promessa di consentire lo studio dei correlati neurali di attività naturali. Lo sviluppo di queste tecniche è una direzione di ricerca attiva. Noi delineiamo qui una metodologia che è stata efficace per la registrazione di attività cerebrale funzionale in una singola regione di interesse associato con la partecipazione in un videogioco di ballo.
Il numero di pubblicazioni che indagano paradigmi di apprendimento del motore con fNIRS sono aumentati rapidamente negli ultimi anni con l'introduzione di fNIRS unità multicanale da Hitachi e Shimadzu (così come gli altri) in grado di registrare le attività funzionali in più regioni del cervello simultaneamente 20,21 . Abbiamo precedentemente dimostrato che è possibile determinare la specificità anatomica segnali fNIRS nonché ad utilizzare i segnali per determinare come le variazioni nei tempi e ampiezza dei segnali contribuiscono a prestazioni comportamentali di compiti motori <sup> 11. Un recente numero speciale della rivista Neuroimage focalizzata su applicazioni attuali della tecnologia NIRS e prevedeva una serie di studi specifici di apprendimento motorio 22. Anche con questo interesse valanga a tecnologia NIRS, pochi studi si sono concentrati sui meccanismi neurali di comportamenti naturalistici convalidati da fMRI. Anche se questo numero speciale e numerose altre pubblicazioni 23-26 chiaramente delineano il futuro ruolo di fNIRS a studiare comportamenti motori, il protocollo descritto qui è stato sviluppato per validare una metodologia uniforme per il confronto e la fMRI fNIRS dati da comportamenti naturalistici.
I risultati indicano una forte correlazione tra i gruppi per fNIRS e segnali fMRI in una zona di integrazione del lobo temporale e la correlazione tra i segnali è in linea con quella mostrata prima in concomitanti fMRI / fNIRS studi 3. Figura 9 indica che l'attività in fNIRS il lobo temporale, non è soltanto di natura corticale with oxy- differenziale e deoxyHb chromofore assorbanza, ma anche che l'attività nel lobo temporale è molto diverso da quello visto nel lobo frontale non correla con l'attività fMRI nel lobo temporale. Sottolineiamo alcuni aspetti critici dello studio che permettono ai dati di essere confrontati tra le due tecniche. Innanzitutto, la taratura delle posizioni optode stata delineata come una strategia chiave nel confermare anatomia e interpretazione dei risultati corticale. Le modifiche che abbiamo fatto di software e hardware ci ha permesso di sincronizzare il nostro paradigma con un protocollo di progettazione blocco ottimizzato per produrre forti risposte corticali in entrambe le procedure. Abbiamo anche delineare strategie chiave per garantire elevato rapporto segnale-rumore (depilazione dalla superficie optode) e la riduzione degli artefatti, tra cui il movimento e la stimolazione del viso (i soggetti sono stati appositamente istruiti a non toccare la testa o del viso).
Questi risultati e i risultati di precedenti studi che indagano fNIRS concorrenti / FMProcedure di imaging RI confermano una forte correlazione tra i segnali come teoricamente previsto 1-3. Un limite per l'interpretazione dei dati presentati è che siamo stati in grado di utilizzare nuove tecniche di ottimizzazione della registrazione NIRS che vederlo è possibile aumentare la risoluzione dei dati di canale individuali utilizzando le registrazioni ad alta densità. Questa tecnica ad alta densità è stata anche utilizzata per separare le componenti superficiali dai segnali corticale NIRS 27, oltre ad altre tecniche che rimuovono gli artefatti da pressione arteriosa, frequenza cardiaca e altre variabili sistemiche 6,7,28. E 'stato anche dimostrato che il posizionamento della sonda e chromaphore scelta può essere usato per controllare per i falsi positivi 29 e il filtraggio adattativo dei segnali NIRS può essere utilizzata efficacemente in caso di elevato rapporto segnale-rumore. Il compito che abbiamo assunto qui e in precedenza con sistemi NIRS commerciali con paradigmi presentati in blocco disegno 10,11ha prodotto dati con grandi segnali e non ha richiesto ulteriori tecniche di analisi o l'hardware per mostrare analogie tra segnali. Tuttavia, è possibile che i dati presentati qui potrebbe essere migliorata ulteriormente attraverso l'uso di queste e di altre tecniche di elaborazione del segnale in NIRS.
Metodologie attualmente in NIRS funzionale non sostituisce la necessità per la scansione fMRI; piuttosto, come suggeriamo qui, le due procedure di imaging (oltre a EEG e altri) possono essere utilizzate per completarsi a vicenda. Nel caso di un gruppo di individui che sono controindicati per la scansione fMRI, fNIRS possono rivelarsi l'unica tecnica praticabile per accertare i benefici di un programma di formazione, come i programmi di prevenzione dei rischi di caduta per le persone con malattia di Parkinson. Inoltre, fNIRS ha un certo numero di direzioni future che possono anche essere utilizzati per aggiungere informazioni al dettaglio anatomico fornito attraverso la scansione MR. Optodes ad alta densità di collocamento optode e l'aumento produrrà più altorisoluzione temporale che può essere utilizzato per la connettività e l'analisi delle componenti principali, nonché una maggiore accuratezza della modellazione segnale BOLD.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata sostenuta in parte dalle seguenti fonti di finanziamento: JSPS Grant-in-Aid per la ricerca scientifica (C) 25.350.642 (AT), un assegno di ricerca da Hayao Nakayama Fondazione per la Scienza e Tecnologia e Cultura (SS & YO), e un Salute Giochi assegno di ricerca da Robert Wood Johnson Foundation (Grant # 66729) (SB e 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).
