Bir Doğal Görev sırasında fNIRS Ölçümlerin fMRI Doğrulama
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
Burada anlatılan yöntemlerin amacı, fMRI (fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme) ve fNIRS (fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi) benzer multi-modal görevleri sinyalleri karşılaştırmak için bir çalışma protokolü geliştirmektir. Özellikle geleneksel fMRI tremor nedeniyle tarama, diskinezi veya birden fazla implante cihazları kontrendikedir bireyler ile kullanım için fonksiyonel bir görüntüleme prosedürü geliştirilmesi amaçlanmıştır. Birçok etkin eğitim ve rehabilitasyon programları düşme riski olan bireyler için mevcut olmakla birlikte, bu programların etkinliğini altında yatan nöral mekanizmaların henüz bir onay gelmedi. Genellikle, bu eğitim programlarına katılan bireylerin kontrendike belirtilen nedenlerden dolayı bulunmaktadır. Bu çalışma için bizim gerekçesi tüm vücut hareketlerini içeren doğal motorlu görevle ilişkili beyin aktivitesinin modellerini belirlemek için fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) etkinliğini belirlemektir. Uzun vadeli hedefler damızlık için bir araç geliştirilmesini içermektediry değil sadece motor öğrenme paradigmaları değil, aynı zamanda geleneksel yöntemlerle bir natüralist tarzda gerçekleştirmek mümkün değildir görevleri daha geniş bir çeşitliliği için fNIRS uygunluğunu teyit etmek hizmet vermektedir.
fNIRS etkinliği daha önce çok paradigmaları dokunarak klasik psikolojik ve basit parmak kullanarak eşzamanlı fNIRS ve fMRI fonksiyonel aktivite ölçülen sınırlı çalışmalarda fMRI BOLD (kan oksijen seviyesi bağımlı) sinyali kayıtları ile homolog bölgeler için (r = 0,77-0,94) ilişkili olduğu gösterilmiştir 1-3. Bu çalışmaların sonuçları fNIRS fMRI ile uyumlu azaltılmış çevresel görevle ilişkili kortikal aktiviteyi belirlemek için geçerli ve güvenilir olduğunu doğrulamaktadır. Ancak, fNIRS bir beyin yöntemi olarak fMRI üzerinde sayısız avantajlara sahiptir. fNIRS önemlisi, fMRI daha hareket artefakt çok daha az hassastır ve onlar doğal ortamda motor paradig kısıtlamak fMRI çalışmalarında aksine olur gibi konular davranmasına izin verirms 4. fNIRS ile ilişkili zamansal doğruluk nedeniyle artan örnekleme frekansı artan boyu ile sinirsel tepki fonksiyonlarının değişikliklerin belirlenmesi için izin verir. Son olarak, fNIRS maliyeti fMRI taraması daha düşüktür ve çalışmalar daha az maliyetle yapılacak sağlar. Ancak, son zamanlarda penetrasyon sınırlı derinliği sınırlı mekansal çözünürlükte ve dahil fMRI ile karşılaştırıldığında fNIRS dezavantajları gösterilmiştir vardır böyle yanlış pozitif tanıtabilirsiniz kan basıncı, kalp hızı ve kafa derisi kan akımı etkiler gibi bazı fizyolojik fenomenler kortikal hemodinamik sinyali 5-9. Metodolojileri ve sinyal işleme, yüksek yoğunluklu optode eğimleri sağlamak için donanım dahil NIRS özgü donanım gelişmeler, bir dizi şu anda geliştirilmektedir iken, fMRI ve fNIRS prosedürleri birbirini tamamlayacak izin karışık metodolojileri geliştirmek için hala önemlidir.
Bu çalışma sınamak için hizmetnatüralist dans video oyunu görevi sırasında nişanlı nöral mekanizmaların belirlenmesi için fNIRS bir yöntem. Bu çalışmanın amacı fNIRS kullanarak görüntülü görevin bir natüralist sürümünü kullanarak deneklerin başka bir gruba fMRI kullanarak görüntülü bireylerin bir grup arasında beyin (üstün ve orta temporal girus) bir entegrasyon merkezi faaliyet karşılaştırmaktır. Grubumuz önce benzer interaktif oyun paradigmaları kullanarak bu bölgeyi araştırmış ve temporal lobda aktivite kortikal aktivasyon 10 uyarınca oksi- ve de-oxyHb kromoforlar hem tepki göstermiştir. Ayrıca, daha önce görev kortikal yük olup faaliyet kendisi 11 ile ilişkili sistemik tepkiler ile ilgili amplitüd ile modüle edilmiş olan, daha önce bu alanda yanıtlarını gösteren sistemik eserler için kontrol etmeye çalışmışlardır. Üstün ve orta temporal girus multi-modal duyusal uyaranlar entegrasyonu ile ilişkili aktivite bilinir ve biz daha önce varDance Dance Revolution (DDR) bizim fNIRS yayınların 10-12 ek pilot fMRI çalışmalarında oyun içinde aktif olmak için bu alanı gösterilen. Bu çalışmanın Bizim hipotezi kaydedildi kullanarak fNIRS olarak bu alanda fonksiyonel aktivite önemli ölçüde benzer ancak sınırlı dans oyunu protokolü fMRI kullanılarak kaydedilen fonksiyonel aktivite ile ilişkili olacağını idi.
Burada açıklanan protokol fNIRS ve fMRI protokolleri hem de bir beyin paradigma olarak kullanılmak üzere nasıl bir dans video oyunu değiştirmek için içerir. Ancak genel prosedür, video oyun paradigma özgü değildir ve dil ve lokomotor görevleri içeren bir fMRI protokolü kısıtlamaları, gerçekleştirmek mümkün olmayan görevleri herhangi bir sayı için uygun olabilir. Bu protokol ayrıca daha fNIRS kullanarak gerçek-gerçek dünya görevleri sırasında ele alınabilir faiz (ROI) belirli bölgeleri geliştirmek için fMRI anatomik özgüllüğünü kullanmak için prosedürü açıklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
fNIRS doğal faaliyetlerin nöral ögelerinden çalışma izin sözünü sahip bir fonksiyonel beyin görüntüleme tekniğidir. Bu tekniklerin geliştirilmesi aktif bir araştırma yönüdür. Biz burada bir dans video oyununda katılımı ile ilişkili ilgi tek bir bölgede fonksiyonel beyin aktivitesini kayıt için etkili olmuştur bir metodoloji özetlemektedir.
fNIRS motor öğrenme paradigmalarını araştıran yayınların sayısı aynı anda beynin birden fazla bölgeye 20,21 fonksiyonel faaliyetlerin kayıt yeteneğine Hitachi ve Shimadzu (yanı sıra diğerleri) çok kanallı fNIRS birimlerinin tanıtılması ile son yıllarda hızla artmıştır . Biz fNIRS sinyallerinin anatomik özgüllüğünü belirlemek için de sinyallerin zamanlama ve amplitüd değişikliklerini motor hareket davranışsal performansına katkıda belirlemek için sinyalleri kullanmak mümkün olduğu daha önce gösterilmiştir <sup> 11. Derginin Neuroimage güncel bir özel sayı NIRS teknolojisi mevcut uygulamalara odaklanmış ve motor öğrenme 22 özel çalışmalar bir dizi dahil. Hatta NIRS teknoloji bu kartopu ilgi, birkaç çalışma fMRI tarafından onaylanmış natüralist davranışların nöral mekanizmaları üzerinde odaklanmıştır. Bu özel bir konu ve çok sayıda diğer yayınlar 23-26 açıkça motorlu davranışları okuyan fNIRS gelecekteki rolünü tarif edilirken, protokol burada doğal davranışlardan fMRI ve fNIRS verileri karşılaştırmak için bir üniforma metodoloji doğrulamak için geliştirilmiştir açıklanan.
Sonuçlar in-line buna daha önce eşzamanlı fMRI / fNIRS çalışmalarda 3'te gösterilen temporal lobun bir entegrasyon alanında fNIRS gruplar ve fMRI sinyalleri arasında yüksek bir korelasyon ve sinyaller arasındaki korelasyonu olduğunu göstermektedir. Şekil 9 gösterir fNIRS aktivite içinde Temporal lob değil doğa zekâ tek kortikal olduğunuh diferansiyel oksi- ve deoxyHb absorbans chromofore, ama aynı zamanda temporal lobda bu etkinlik temporal lobda fMRI aktivitesi ile ilişkili değildir frontal lobda görülen oldukça farklıdır. Veri iki teknik arasında karşılaştırıldı izin çalışmanın birkaç kritik yönlerini vurgulamaktadır. Birincisi, optode yerleri kalibrasyonu kortikal anatomi ve sonuçların yorumlanmasını teyit önemli bir strateji olarak özetlenen edildi. modifikasyonlar biz yazılıma yapılan ve donanım bize hem prosedürler güçlü kortikal yanıtları elde etmek için optimize edilmiş bir blok tasarımı protokolü ile bizim paradigma senkronize izin verdi. Biz de gürültü oranı (optode yüzeyinden epilasyon) ve hareket ve yüz stimülasyon (denekler özellikle kendi kafasına veya yüz dokunmamaya talimatı verilmiştir) gibi eserler azalmasına yüksek sinyal sağlamak için önemli stratejiler özetlemektedir.
Bu sonuçlar ve önceki çalışmaların sonuçları / FM eşzamanlı fNIRS soruşturmaRI görüntüleme prosedürleri sinyaller arasında yüksek bir korelasyon teorik olarak 1-3 tahmin onaylayın. Burada sunulan verilerin yorumlanması için bir sınırlama biz yüksek yoğunluklu kayıtları kullanarak bireysel kanal verilerinin çözünürlüğünü artırmak mümkündür göstermek NIRS kayıt optimizasyonu yeni teknikleri kullanmak koyamadık olmasıdır. Bu yüksek yoğunluklu tekniği de kortikal NIRS kan basıncı, kalp hızı ve diğer sistemik değişkenler 6,7,28 eserler kaldırmak diğer tekniklere ek olarak 27 sinyalleri yüzeysel bileşenleri ayırmak için kullanılır olmuştur. Aynı zamanda, bu prob yerleştirme gösterilmiş ve chromaphore seçimi gürültü oranı yüksek sinyal olması durumunda etkin şekilde kullanılabilir yanlış pozitif 29 ve NIRS sinyallerinin adaptif filtreleme kontrol etmek için de kullanılabilir. Biz blok tasarımı 10,11 sunulan paradigmalara ticari NIRS sistemlerini kullanarak burada ve daha önce istihdam var görevbüyük sinyallerle veri üretmiş ve sinyaller arasındaki benzerlikleri göstermek için daha fazla analiz tekniklerini veya donanım gerekli değildir. Bununla birlikte, burada sunulan veriler, NIRS, sinyal işlemede bu ve diğer tekniklerin kullanılması ile daha da geliştirilebilir mümkündür.
Fonksiyonel NIRS Güncel metodolojiler fMRI tarama ihtiyacını yerine geçmez; Burada gösterdiği gibi daha çok, (EEG ve diğerlerine ek olarak), iki görüntüleme yöntemleri birbirini tamamlayacak şekilde kullanılabilir. FMRI taraması için kontrendikedir bireylerin bir grup halinde, fNIRS gibi Parkinson hastalığı olan bireyler için düşme riski önleme programları gibi bir eğitim programının faydalarını tespit etmek için tek uygun teknik ispat edebilir. Dahası, fNIRS da MR taraması yoluyla sağlanan anatomik detay bilgi eklemek için kullanılabilecek geleceğin yönlere bir numarası vardır. Yüksek yoğunlukta optode yerleştirilmesi ve artan optodes yüksek verecektirBOLD sinyal modelleme artan doğruluğu yanı sıra bağlantı ve temel bileşenler analizi için kullanılabilecek zamansal çözünürlük.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma aşağıdaki finansman kaynakları tarafından kısmen desteklenmiştir: JSPS Grant-Aid Bilimsel Araştırma (C) 25350642 (AT), Bilim ve Teknoloji ve Kültür (SS ve YO) için Hayao Nakayama Vakfı araştırma bursu ve için Sağlık Oyunları Araştırma Robert Wood Johnson Vakfı (Hibe # 66729) (SB & JAN) den hibe.
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).
