fMRI Validación de fNIRS Mediciones Durante un Grupo Naturalista

Antes de participar, todos los sujetos proporcionan consentimiento informado de acuerdo con las directrices institucionales. En este caso, el protocolo fue aprobado por el programa de protección humana institucional de la Universidad de Meiji (Kanagawa, Japón), Columbia University Medical Center (transferido a la Escuela de Medicina de Yale para el análisis de datos), y la Universidad de Long Island, Brooklyn Campus para este estudio. 1. Software y Hardware Modificación y Desarrollo para Neuroimagen Funcional (fMRI y fNIRS) Modificar el juego Dance Dance Revolution (DDR) mediante la edición de los detalles de los archivos de configuración (.sm) utilizando el clon de código abierto de DDR, Stepmania, para cambiar de tiempo, los gráficos y la música de la región de los estudios de interés utilizando fMRI antes de la proyección de imagen fNIRS . En el archivo .sm especificar las variables de: fondo, música, offset (iniciar la música en tiempo de exploración), samplestart, samplelength, BPMS y bgchanges. Especifique la flecha pattErns para cada medida en el archivo .sm definiendo flechas por compás como un valor de "1", "0", o "M". Definir la izquierda, arriba, abajo, o pulsaciones de botones correctos para cada medida. Utilice "1" para una flecha, utilice "0" para el espacio en blanco, y el uso de "M" para una mina en las épocas de descanso. Utilizando el juego-canción "Butterfly" (originalmente interpretada por Smile.dk y disponible en el Dance Dance Revolution 3 rd Mix CD del juego original para Sony PlayStation), permiten a los sujetos para jugar utilizando un diseño de bloques alterna integrado en la mecánica del juego, modificada en el archivo de configuración .sm. Alternos tiempos de juego 30 seg con períodos de descanso 30 seg con gráficos de fondo que indica al reproductor cuándo jugar (verde) y el momento de relajarse (rojo; Figura 1). HigoUre. 1: Paradigma de diseño de interfaz de usuario (A) DDR Gráfico. Las flechas en la parte inferior de la pantalla se movieron hacia la parte superior de la pantalla. Estas flechas indican que los sujetos qué botón presionar. Cuando las flechas llegaron a la zona de acción de arriba (flechas de color gris en la parte superior de la pantalla), los sujetos respondieron pulsando el botón correcto. Tiempo de reproducción se indica con un fondo verde. Tiempo de descanso se indica con un fondo rojo. Durante el tiempo de descanso, flechas fueron reemplazados con animaciones "bomba". Estos no tenían función con respecto a la jugabilidad o la puntuación, pero se utilizaron para servir como un marcador de posición durante épocas de descanso. (B) El diseño de bloque utilizado para la exploración consistió en un total de 5 minutos de juego y descanso épocas. La exploración previa fue de 10 segundos de duración, seguida por la alternancia de 30 segundos de juego y descanso bloques. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <ol sTarta = "3"> Repita el intervalo alterna cinco veces por carrera para asegurar la especificidad en el contraste entre el descanso y períodos activos. En el caso de la recolección de datos de resonancia magnética funcional, restringir los movimientos de izquierda y presionar un botón de flecha derecha en grabaciones de resonancia magnética funcional utilizando los botones del pie. El número total de pulsaciones de botón debe permanecer igual para ambas tareas (Figura 2). Antes del procedimiento de exploración, explicar los rudimentos del juego a los sujetos y permitir que algunos sujetos la práctica se ejecuta antes de la proyección de imagen. Instruya a los sujetos que pulsar el botón de la flecha correspondiente con el pie tan cerca del momento perfecto esbozado en la parte superior de la trayectoria de la flecha en movimiento, pero para minimizar el movimiento de la cabeza tanto como sea posible. Figura 2:. Montaje experimental para la fMRI sujetos (A) estaba en el escáner de resonancia magnética mientras observing el entorno interactivo proyectado utilizando un espejo montado en la bobina de la cabeza por encima de la materia. La Figura 2B. Una plataforma para los pies modificado que consta de dos botones permitieron sujetos responden con toques del dedo del pie izquierdo o derecho en tiempo real durante el juego. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Pruebas y Análisis fMRI Obtener una imagen estructural de cada asignatura antes de la jugabilidad con un 3D estropeado secuencia eco de gradiente (SPGR) (124 rodajas, 256 x 256, el campo de visión = 220 mm), con un tiempo de ciclo total de 10 min 38 seg. Obtener imágenes de resonancia magnética funcional durante el escaneo con la siguiente configuración para planar eco (EPI) T2 * secuencia eco de gradiente ponderadas: echo tiempo = 51 ms, tiempo de repetición = 3 seg, ángulo flip = 83 °. Adquirir 27 imágenes rebanada axiales consecutivas del cerebro con las siguientes dimensiones: 192 x 192 mm de campode vista con una rejilla de 128 x 128 de resolución total de 1,56 x 1,56 mm y una resolución del eje z de 4,5 mm. Instruya a los sujetos para jugar juego usando el paradigma anterior, pero utilizando las flechas izquierda y derecha solamente para reducir los artefactos de movimiento. Realizar señal BOLD fMRI análisis utilizando SPM8 5, implementado en MATLAB 7.0. Deseche los primeros 10 segundos de la serie EPI para minimizar el T2 * relajación artefacto, datos funcionales son movimiento corregido a través de mínimos cuadrados de 6 parámetros de transformación espacial 'cuerpo rígido'. Normalizar las exploraciones del PAI realineados a MNI (Montreal Neurological Institute) de plantilla que tiene una resolución de 2 mm 3 seguido de suavizado espacial con el kernel gaussiano de 8 mm de anchura a media altura (FWHM). Realizar nivel sujeto análisis estadísticos utilizando el modelo lineal general (GLM) para crear mapas paramétricos estadísticos para comparar la condición activa (DDR) en comparación contra el estado de reposo. </ Li> Realizar análisis de grupo con resultados individuales usando mapeo paramétrico estadístico estándar (SPM) de segundo nivel enfoque de efectos aleatorios. Obtener región de interés sobre la base de los resultados del análisis de grupo con un umbral de p <0,01 y el grupo umbral de tamaño de 100 voxels. Definir la región de interés como la conjunción entre el grupo funcional y anatómica de la máscara de giro temporal superior y medio, obtenido a partir de herramienta WFU PickAtlas 13,14 3. fNIRS Configuración y Adquisición de Datos Utilice un sistema de topografía fNIRS 22 canales para grabar datos de optodos dispuestos en una matriz de 3 x 5. La distancia entre optodo para cada par fuente-detector es 3 cm (Figura 3A, B). Orient el tapón elástico que contiene la matriz de sensores ópticos de manera que está alineado de la corteza prefrontal izquierda para el lóbulo temporal izquierdo (Figura 3A, B). Asegurar la optodo en la fila más bajoen la posición más anterior se centra en Fpz del sistema internacional 10-10 15. Alinear la fila inferior del optodos en paralelo con la línea entre los puntos anatómicos Fpz y T7. Apriete la matriz sonda óptica en la cabeza del sujeto y asegurar que esté bien sujeto con las correas y el barboquejo. Se debe prestar atención al desplazamiento de optodos de la superficie de la cabeza para que pares fuente-detector son apretado en la cabeza, pero no incómodo con el tema (Figura 3C). Muestra optodo analógico par fuente-detector de luz cruda de datos en el ordenador a 7,9 Hz utilizando la interfaz gráfica de usuario de ordenador. Figura 3:. Optodo de configuración para las grabaciones de NIRS (A) La tapa consiste en una lámina elástica equipado con plástico flexible acoplado a y holding 3 cm espaciados titulares de optodos. Las correas se ajustan a la tapa para permitir que sea bien equipada en la cabeza. La tapa es más grande y permite más optodos que la matriz de 3 x 5 (que se muestra en amarillo) que se utiliza en este estudio, pero es necesario para asegurar de forma segura a los jefes de los sujetos. (B) La tapa optodo y colocado sobre el prefrontal izquierda a los lóbulos temporales. Ejemplo de la tapa optodo en la cabeza del sujeto que proporciona cobertura de 3 x 5 matriz sobre el área prefrontal izquierda en el lóbulo temporal izquierdo. (C) optodo colocación en el casquillo que muestra el casquillo asegurado a cabeza con correas de apriete y barbijo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Prueba de calibración y la fuerza de la señal y la relación señal a ruido usando el software de control del sistema proporcionado por el fabricante antes de la grabación. En el caso de ruido elevado ser detectado, roptodos eMove y cualquier pelo interferir desde el canal mediante un LED iluminados varilla de plástico (Figura 4). Figura 4:.. La optimización de las señales optodos Cabello fue trasladado de cada canal utilizando una herramienta de plástico iluminado para desplazar el pelo desde el centro del canal para asegurar la calidad óptima de la señal Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Utilice una pluma digitalización 3D para determinar los valores espaciales de los lugares de origen y de optodos detector en cada canal de la tapa elástica. Utilice el digitalizador para identificar las coordenadas espaciales de nasion, inion, aurículas y Cz de cada sujeto inmediatamente antes de la recolección de datos y el juego (Figura 5). Guardar archivos de texto con la fuente y detectaro ubicaciones a others.txt y las coordenadas anatómicas a origin.txt archivos. Figura 5:.. La calibración de la posición optodo Una herramienta de digitalización magnética se utilizó para determinar la ubicación de los puntos de referencia de 10 a 20 en la cabeza y la posición de los canales optodos Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Procesar el 3D capturado coordina mediante la opción de registro en NIRS-SPM 16,17 dentro de MATLAB 7.0 (Figura 6). En el menú principal de la SPM, recoger independiente registro espacial. En la siguiente pantalla, seleccione "Con Digitalizador 3D" y escoja los otros previamente guardadas y archivos de texto de origen mediante el diálogo correspondiente. Desde el diálogo de software, seleccione la "Registration (utilice la función NFRI) "para determinar la representación espacial Figura 6:. Ejemplo de salida de los datos de calibración NIRS datos digitizador se utilizó para determinar la probabilidad de cada canal en regiones específicas del cerebro. Canal 22 en este tema mostró una probabilidad de 0.4129 en el Temporal Gyrus Media, y 0,47419 en el Temporal Gyrus Superior. El canal se define por el área entre pares emisor y el detector. El círculo alrededor del canal 22 en la figura representa una aproximación de la zona contribuyendo a la señal grabada a partir de los pares optodos en este tema. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Cuando todas las posiciones de canal optodo son digitalizadas y cada canal ofrece sintensidad de la señal ufficient como se indica en la interfaz gráfica de usuario de la interfaz de software proporcionado por el fabricante, pregunte sujetos a ponerse de pie y prepararse para las pruebas de DDR (Figura 7A, B). Figura 7:. La recopilación de datos fNIRS durante el juego de baile Los sujetos (A) de pie para jugar el juego usando el paradigma de bloque en una estera juego de baile estándar, mientras que estar atado a la máquina NIRS. (B) Vista Alternativa de recopilación de datos que muestra datos en bruto en la pantalla de fondo recogida en tiempo real de tema. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 4. fNIRS Data Collection Antes de la creación de los fNIRS grabación optodos, proporcionar los sujetos con una breve introduccióna la jugabilidad y permitir la práctica de familiaridad con el juego como en las pruebas de resonancia magnética funcional. Para las pruebas de fNIRS, utilizar un paradigma idéntica a la de las pruebas de fMRI con la adición de las flechas arriba / abajo en comparación con las flechas izquierda y derecha solamente utilizados para fMRI. Asegúrese de que el número total de flecha prensas son idénticos entre fMRI y tareas fNIRS y que sólo el patrón difiere. Utilice un sistema estándar de 4 botones alfombrilla respuesta botón para el juego durante las pruebas fNIRS (Figura 7A). Una vez cómodo en los fundamentos de la jugabilidad, instruyen a los sujetos para jugar 30 veces juego seg con períodos de descanso 30 seg como en el paso 1.2. Repita este juego de 5 minutos dos veces con cada súbditos. Instruya a temas específicamente de no tocar la cara o la nariz y en particular el cabello o la cabeza cerca de las optodos. Instruya a los sujetos para minimizar la rotación, yola o de paso los movimientos de la cabeza durante el juego. 5. fNIRS análisis de datos <ol> Utilice un enfoque de Beer-Lambert modificado 18 para el cálculo de las señales relativas que reflejan la hemoglobina oxigenada (oxi-Hb), la hemoglobina desoxigenada (desoxi-Hb) y la hemoglobina total (total Hb) los cambios de concentración como ΔoxyHb, ΔdeoxyHb y ΔtotalHb, respectivamente, en un unidad arbitraria (M cm) usando las siguientes ecuaciones: ΔoxyHb = -1,4887 × Δabs 780 + 0,5970 × Δabs 805 + 1,4847 × 830 Δabs ΔdeoxyHb = 1,8545 × Δabs 780 + (-0,2394) × Δabs 805 + (-1,0947) × Δabs 830 ΔtotalHb = ΔoxyHb + ΔdeoxyHb; donde Δabs indica cambios en la absorción de la luz en la longitud de onda correspondiente. Filtro de paso bajo datos brutos de señales hemodinámicas del individuo a través de un filtro Savitzky-Golay 25 de orden ypromedio 19. Aplicar corrección de línea base a los datos promediados con el inicio se establece en cero. Normalizar amplitud de la señal hemodinámica dividiendo los valores promediados por la desviación estándar de la señal grabada 10 seg antes de la tarea. Elija canales para ser analizadas en base a información digitalizador 3D. Aquí, utilizar un canal a utilizar para el análisis que tiene una probabilidad de registro de 80% o más en el giro medio y Superior Temporal) de acuerdo con la salida del proceso de registro. 6. Comparación de fMRI y fNIRS Señales Utilice la función de los resultados en SPM8 para determinar voxels súper umbral a T> 2,6 o un valor P correspondiente <0,01. Determinar la región de interés (ROI) usando la superposición de voxels super-umbral para definir una agrupación dentro de una región anatómica. En este caso, defina la circunvolución temporal superior y medio utilizando el atlas AAL incluidos en la Selección WFU Atlas. En this caso, el grupo resultante tiene 572 2 x 2 x 2 mm voxels ubicados en el giro temporal medio con un voxel pico en la coordenada (-66, -24, 0) y el pico de T = 5,73 fNIRS. Determinar el canal de interés a partir de datos digitalizados fNIRS utilizando coordenadas 3D que se convierten en MNI coordenadas utilizando NIRS-SPM en el paso 3.5.1 anteriormente. En este caso, el canal 22 en la mayoría de los sujetos tenían la mayor probabilidad de actividad en el ROI definido en el paso 6.1. Determinar el promedio, la respuesta activado por eventos en la ROI para fMRI y el correspondiente canal en fNIRS para la duración del bloque 60 seg (activo y resto, combinado). Para cada tema, el promedio de los dependientes (BOLD) señales en bruto nivel de oxígeno en sangre para los voxels en el clúster para generar eventos fMRI desencadenó datos promedio. Comparar fMRI y fNIRS escalando datos de la fMRI para que coincida de manera óptima los datos fNIRS utilizando una regresión lineal utilizando fNIRS = b * fMRI, donde el método de regresión obtiene el valor b de modo that el valor cuadrático medio de fNIRS -b * fMRI se reduce al mínimo. Comparar fNIRS y las señales de resonancia magnética funcional por la correlación de los dos grupos.