Utilisation fiberless, fNIRS Wearable pour surveiller l'activité cérébrale dans des tâches cognitives monde réel
Summary
Suivi de l'activité du cerveau à l'extérieur du laboratoire sans contraintes physiques présente des défis méthodologiques. Un fiberless, système portable fonctionnelle spectroscopie proche infrarouge (fNIRS) a été utilisé pour mesurer l'activité du cerveau pendant une tâche de mémoire prospective écologique. Il a été démontré que ce système pourrait être utilisé pour surveiller l'activité cérébrale au cours d'expériences sur la base non-laboratoire.
Abstract
Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge (fNIRS) est une technique de neuro-imagerie qui utilise la lumière proche infrarouge pour surveiller l'activité du cerveau. Basé sur le couplage neurovasculaire, fNIRS est capable de mesurer la concentration d'hémoglobine change secondaire à l'activité neuronale. Comparé à d'autres techniques de neuroimagerie, fNIRS représente un bon compromis en termes de résolution spatiale et temporelle. En outre, il est portable, léger, moins sensible aux artefacts de mouvement et de ne pas imposer des contraintes physiques importantes. Il convient donc de surveiller un large éventail de tâches cognitives (par exemple, auditif, analyse de la marche, l'interaction sociale) et les populations d'âge différent (par exemple, les nouveaux-nés, adultes, personnes âgées). Le développement récent de dispositifs de fNIRS fiberless a ouvert la voie à de nouvelles applications dans la recherche en neurosciences. Cela représente une occasion unique d'étudier l'activité fonctionnelle lors de tests dans le monde réel, qui peut être plus sensible et précis dans le culesser la fonction cognitive et la dysfonction de tests basés en laboratoire. Cette étude a exploré l'utilisation de fiberless fNIRS pour surveiller l'activité du cerveau pendant une tâche de mémoire prospective du monde réel. Ce protocole est effectuée en dehors du laboratoire et le cerveau hémoglobine changements de concentration sont mesurés en continu sur le cortex préfrontal tandis que le sujet se promène dans le but d'accomplir plusieurs tâches différentes.
Introduction
Anomalie de la fonction dans le cortex préfrontal, et surtout la sous-partie la plus antérieure (cortex préfrontal rostrale ou BA10) est commun dans une gamme de conditions de développement, psychiatriques et neurologiques. Il provoque des perturbations notables dans la résolution de problèmes, la mémoire et les capacités attentionnelles dans la vie quotidienne qui sont très invalidante 1,2. Cependant, ces types de problèmes sont difficiles à diagnostiquer en laboratoire ou à la clinique. Ceci est parce que les processus mentaux qui BA 10 supports sont impliqués dans le traitement de roman, des situations ouvertes, où le comportement est auto-initiées 3. Ces situations sont difficiles à recréer avec succès en laboratoire, puisque la situation formelle, artificiel et fortement contraint le participant généralement confronté dans le laboratoire peut changer leur comportement et la façon dont ils abordent la tâche. Cela peut réduire considérablement la validité de la mesure soit à des fins cliniques ou de recherche, avec un fort risque de sous-diagnostic 4 </ sup>. Une des capacités cognitives prises en charge par les lobes frontaux où cela est le plus évident est la mémoire prospective (ie, la capacité de se rappeler de réaliser une action future), où il est connu depuis longtemps qu'il peut y avoir un désaccord important entre les mesures prises dans la vie quotidienne la vie et le laboratoire 5. Ces questions méthodologiques pourraient être largement contournées si les chercheurs et les cliniciens enquête fonction de cortex préfrontal, y compris la mémoire prospective, pourraient faire en prenant leurs mesures dans des situations «monde réel».
Bien que les techniques de neuro-imagerie représentent un outil puissant pour étudier le fonctionnement du cerveau d'une manière non-invasive et objective, la plupart de ces techniques imposent des contraintes physiques sur le sujet, et ne sont donc pas approprié pour une utilisation dans des contextes de la vie quotidienne (par exemple., Résonance magnétique fonctionnelle ( IRMf), la magnétoencéphalographie (MEG), la tomographie par émission de positons (PET)). Compte tenu de la nécessité de mettreinstruments d'imagerie fonctionnelle à l'extérieur du laboratoire et des améliorations technologiques récentes données, électroencéphalographie portable et portable (EEG) et fonctionnelles près de spectroscopie infrarouge (fNIRS) systèmes ont été développés 6-11. L'un des principaux avantages de fNIRS plus EEG est sa haute résolution spatiale. En outre, il est moins sensible aux artefacts de mouvement, de clignoter et les mouvements oculaires 12. FNIRS portables est donc mieux adaptée pour une utilisation dans des contextes de la vie quotidienne, car il impose moins de contraintes physiques que les EEG et permet la libre circulation dans un environnement plus naturel.
fNIRS irradie non invasive la tête avec une lumière proche infrarouge (650-900 nm). Comme le tissu biologique est relativement transparent dans cette plage de longueur d'onde, la lumière peut atteindre le cerveau et absorbées par l'hémoglobine. fNIRS mesures ainsi les changements de concentration des deux oxyhémoglobine (HBO 2) et désoxyhémoglobine (HHb) donnant des informations de l'oxygénation et hémodynamique changes associés à l'activité du cerveau. Plus précisément, le cerveau activation fonctionnelle est définie comme une augmentation simultanée de HbO 2 et une diminution de 13 HHb. Toutefois, la profondeur de pénétration de la lumière signifie que le signal ne peut être récupéré à partir de la surface corticale. Comme la lumière est fortement diffusée dans le tissu, il est impossible d'obtenir des informations très spatialement structurel sur le cerveau 14. Systèmes de fNIRS classiques utilisent des fibres optiques couplés à la tête de guider la lumière à travers le cuir chevelu et pour collecter la lumière diffusée en retour. Bien que ces instruments sont compact, portable et bien adapté pour les paramètres de laboratoire, fibres optiques et faisceaux leur poids limitent les mouvements du participant et, si pas bien stabilisée, leurs déplacements conduisent à la contamination d'artéfact de mouvement 7. La nouvelle génération de miniaturisés et de systèmes de fNIRS fiberless offre la possibilité d'explorer l'activité cérébrale dans des situations réalistes sur le déplacement librement participants et sans contraintes physiques importantes. Situations réalistes sont particulièrement précieux lors de l'exploration des fonctions exécutives humaines et des systèmes de fNIRS fiberless peut fournir un aperçu unique de fonctionnement du cerveau humain. Les premiers systèmes de fiberless ont été équipés uniquement d'un petit nombre de canaux (par exemple., Seul canal 15 et 2 canaux 16) de limiter l'enquête à de petites zones. Plus récemment, sans fil et portables multicanaux appareils fNIRS ont été développés 6,7, 17-20 donnant la possibilité de surveiller de plus grandes portions de la tête sur les participants se déplacent librement.
Dans cette étude, un système portable et fiberless fNIRS nouvelle multicanal a été utilisé pour surveiller et de cartographier l'activité cortex préfrontal lors d'une mémoire prospective du monde réel (PM) tâche. Le système fNIRS se compose principalement d'une unité de sonde flexible (casque) qui recouvre à la fois la dorso-latéral et le cortex préfrontal rostral (figure 1),qui est reliée à une unité (case portatif) de traitement qui est porté sur la taille de la participant (Figure 1D). Le casque est constitué de six diodes émettrices de surface au laser avec deux longueurs d'onde (705 nm et 830 nm) et de 6 photodiodes au silicium. L'absence de fibres optiques permet de réduire le poids et l'encombrement de la sonde, étant beaucoup plus commode et robuste contre les artefacts de mouvement. Les optodes sont disposés dans une géométrie alternatif (figure 1A) avec une séparation inter-optode de 3 cm, créant 16 combinaisons source-détecteur (par ex., 16 canaux de mesure) 6. Afin de protéger le casque de la lumière ambiante, un bouchon d'ombrage est fourni (figure 1D).
Le but de cette étude était d'étudier la fonction de cortex préfrontal, au cours d'une tâche de mémoire prospective dans le monde réel. Au cours de tâches de mémoire prospective, les participants sont invités à se rappeler pour répondre à une cue rares (par ex., Un familiervisage ou un parcomètre) tout en effectuant une autre tâche exigeante connu comme "une tâche en cours». Dans deux blocs différents de la tâche, les indices de mémoire prospective sociaux (d'une personne) sont contrastées aux indices de mémoire prospective non-sociaux (un parcomètre). Ce contraste a été choisi parce qu'il représente une distinction importante faite entre les différentes formes de repère dans les tâches de mémoire prospective basées sur les événements et donc le paradigme expérimental peut être maintenu à proximité d'une "vie réelle" la situation 21. Bien que BA 10 est connu pour être sensible à la transformation des sociale contre les informations non-sociale dans certaines situations (par exemple., Gilbert et al., 2007 22), des données récentes suggèrent que les changements hémodynamiques à BA 10 liés aux tâches de mémoire prospective sont relativement insensibles aux différences CUE (voir Burgess et al., 2011 23 pour examen). Ainsi, il est une question ouverte si sociale par rapport indices non sociaux affecte 10 BA activité dans le contexte d'un paradigme de la mémoire prospective.
Le but de cette étude est d'évaluer la faisabilité d'utiliser le système pour surveiller fNIRS hémodynamiques du cortex préfrontal et l'oxygénation des changements induits par une tâche cognitive du monde réel. Nous rapportons ici une seule étude de cas (un participant adulte en bonne santé, 24 ans) sur l'utilisation de l'appareil de fNIRS pendant une tâche de mémoire prospective, menée à l'extérieur dans un endroit typique de Londres de la rue et en imitant les exigences de la vie quotidienne. En particulier, si les changements hémodynamiques en réponse à PM indices sociaux et non sociaux peuvent être enregistrées est étudiée.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le but de cette étude était d'évaluer l'utilisation potentielle de fNIRS portables et fiberless pour surveiller les changements du cerveau hémodynamiques et d'oxygénation du cerveau liées à l'activité neuronale dans des situations du monde réel. Un système de fNIRS multicanal portable et fiberless a été utilisé pour mesurer l'activité cérébrale dans le cortex préfrontal lors d'une tâche de mémoire prospective réalisée en dehors du laboratoire. L'étude de cas rapporté ici exploré si les changements du cerveau dans HbO 2 et HHb sur un participant se déplacer librement en réponse à PM indices sociaux et non sociaux dans une expérience à l'extérieur du laboratoire peuvent être surveillés en permanence et robuste.
L'utilisation de fNIRS déplacer librement sur les participants à des expériences à base de vie représente une situation difficile. En fait, les mouvements de tête peuvent provoquer des déplacements de la sonde avec les artefacts de mouvement conséquents que la corruption d'identification optique de l'activité cérébrale 36. En outre, les capteurs optiques sont sensibles à la lumière parasite (ex., la lumière du soleil lorsque les expériences sont effectuées à l'extérieur), la création d'un bruit supplémentaire dans les signaux de fNIRS. L'étude de cas déclarés fournit une démonstration préliminaire de la faisabilité du système fNIRS dans de telles applications de la vie réelle. L'absence de fibres optiques dans ces dispositifs empêche couplage optique entre le cuir chevelu et les optodes entraînant des mesures plus fermes contre les artefacts de mouvement. En outre, le capuchon d'ombrage assure une bonne protection de la lumière parasite qui évite la saturation et détecteurs à faible rapport signal sur bruit (SNR). En outre, les augmentations de HbO 2 et diminution des concentrations HHB ont été trouvées dans la correspondance du PM résultats sociaux et non sociaux (Figure 3D-E) 11, 37 appuyer davantage sa faisabilité. Afin d'évaluer si les tendances observées dans hémodynamiques Figure 3D-E sont statistiquement significatifs et à localiser les régions activées dans le cortex préfrontal (Figure 5, Video 1, vidéo 2, Figure 6, Figure 7), les analyses au niveau du groupe sont obligatoires. Afin de rendre l'inférence et d'identifier les régions du cortex préfrontal fonctionnellement spécialisés 38, 39, travaux futurs présenteront les données de groupe et des analyses statistiques basées sur des statistiques paramétriques Mapping (SPM) en utilisant une approche du modèle linéaire général (GLM).
Même si les résultats doivent être considérés comme préliminaires, il a été démontré que fiberless fNIRS peut être effectivement poursuivis en dehors des paramètres traditionnels de laboratoire et utilisés pour surveiller en temps réel de l'activité cérébrale. Cela ouvre de nouvelles orientations pour la recherche neurologique et les neurosciences. Il ya au moins deux domaines évidents pour l'application à cet égard. Le premier concerne la validité écologique. Chercheurs en neurosciences cognitives étudier les caractéristiques de l'activité du cerveau pendant que les gens accomplissent des tâches cognitives (en utilisant par exemple., Signe dépendant du niveau d'oxygène dans le sangal changement comme un proxy en IRM fonctionnelle) afin d'essayer de découvrir comment le cerveau soutient nos capacités mentales. Dans certains cas, il est possible de créer des situations expérimentales dans le scanner qui correspondent de très près la situation dans la vie quotidienne où le processus d'intérêt est utilisé. Considérons, par exemple, la lecture. Lire des mots sur un écran tandis que dans un scanner IRM rend susceptibles de telles demandes similaires à la lecture de mots dans un livre quand à la maison qu'il est presque pris pour acquis que les résultats glanés dans le scanner peuvent aider à expliquer comment le cerveau met en œuvre la lecture dans la vie quotidienne. Cependant, de nombreuses formes de comportement humain et de la cognition, cette hypothèse est plus précaire. Par exemple, les processus cognitifs qu'un participant utilise quand une situation sociale est présenté dans un scanner IRM (où le participant est immobile, sur leur propre, et dans un environnement très familier et étroitement contrôlé) pourraient bien être différente en ce qui concerne importants à ceux engagée lorsque le participant est socialisment dans la vraie vie 40. Ceci est particulièrement important en neurosciences social où l'enquête sur les corrélats neuronaux de la dynamique inter-personnelles (hyperscanning appelé, pour examen voir Babiloni et Astolfi, 2014 41) exige un environnement plus naturaliste. Hyperscanning base-NIRS 42, 43 peut ainsi représenter un nouvel outil pour contrôler simultanément l'activité cérébrale de deux personnes ou plus dans des situations réalistes. En effet, il ya quelques capacités mentales qui ne peuvent être bien étudiés dans l'environnement hautement artificielle et de contraintes physiques d'un scanner IRM, PET ou MEG. Ces montants de déambulation ou de grandes impliquant des mouvements du corps ainsi que ceux impliquant des interactions sociales sont des candidats évidents. Pour cette raison, être en mesure d'étudier l'activité cérébrale des participants dans des situations naturalistes est hautement souhaitable pour les chercheurs.
Un deuxième liés, large domaine d'application, rapporte à l'utilisation de cette technologie danssituations cliniques. Un candidat évident peut être neuroréadaptation, où l'on pourrait souhaiter étudier les effets sur le cerveau des procédures de formation pour les activités de la vie quotidienne (par exemple., Dans une cuisine), ou des médicaments sur certaines populations neuronales en relation avec ces activités. Mais la technologie pourrait aussi peut-être développé pour les milieux éducatifs ainsi, et par exemple., Pour l'utilisation de l'auto-surveillance "en temps réel" de l'activité cérébrale. La portabilité, à faible risque, et la capacité à utiliser in situ dans des environnements du monde réel avec la contrainte minimale sur le comportement, rend cette méthode très différent des autres qui sont actuellement disponibles.
Cependant, bien que les systèmes de fNIRS portables présentent un potentiel pour les observations du monde réel, il ya d'autres limitations qui doivent être abordées lors de l'utilisation fNIRS lors de la marche naturelle. Etant donné que la lumière infrarouge passe à travers le cuir chevelu, il est sensible à des processus qui se produisent à la fois une cérébralnd compartiments extra-cérébraux de la tête. Des études antérieures ont démontré qu'une certaine quantité des signaux mesurés par fNIRS découle de changements systémiques 34, 39, 44 qui ne sont pas directement liée à l'activité du cerveau (voir Scholkmann et al. 9 pour une revue). Comme hémodynamique intra et extra-cérébrale sont affectés par des changements systémiques à la fois la tâche évoquée et spontanée (par ex., La fréquence cardiaque, la pression artérielle, la respiration, la circulation sanguine de la peau), des changements physiologiques liés à l'activité de marche doivent être considérées. Ils proviennent du système nerveux autonome (SNA) de l'activité, qui réglemente le diamètre de la fréquence cardiaque, la respiration, la pression et les vaisseaux sanguins à travers ses fibres efférentes. Plus précisément, la division sympathique du SNA est hyper-actif pendant l'exercice conduisant à la fréquence cardiaque, la pression artérielle et la respiration incréments de 45. Par exemple, des études antérieures ont démontré que la respiration induit des changements dans la pression partielle de DIOX de carboneIDE dans le sang artériel (PaCO 2) qui à son tour influence le débit sanguin cérébral et du volume sanguin cérébral 46, 47. En outre, la figure 3A montre un exemple des augmentations périodiques HHB et HBO 2 diminue qui se produisent dans des périodes de marche qui peuvent être confondus avec désactivation cerveau. Pour faire des comparaisons cohérentes entre les conditions (par ex., Évaluer si des changements importants se produisent dans la concentration rapport à une période de référence), toutes les phases expérimentales devraient être mesurées dans le même état de l'activité physique. Pour cette raison, une phase de repos marché (Rest 2) était inclus dans notre protocole basé sur la vie. Une interprétation correcte des données fNIRS exige également une bonne SNR. Ceci est habituellement réalisé avec un bloc classique et dessins liés à l'événement où les stimulations sont répétées plusieurs fois. Répétitions de l'essai et les dessins structurés ne sont pas toujours possible dans des expériences à base de vie. Pour cette raison, des capteurs supplémentaires et l'analyse approprié techniques pour tenir compte des changements systémiques 48 et artefacts de mouvement sont nécessaires pour améliorer le SNR et d'interpréter correctement les signaux du cerveau. Nous prévoyons d'étudier l'impact de ces changements systémiques liés à pied grâce à l'utilisation d'appareils portables pour surveiller le taux de respiration, le rythme cardiaque et le rythme de la marche. En outre, le problème de la récupération des événements doit être abordée, aussi. Dans des expériences en neurosciences cognitives, l'activité du cerveau est étudiée par rapport à des stimuli ou des environnements rencontrés par les participants », et de leur comportement en réponse à, ou l'anticipation d'entre eux. Les expérimentateurs doivent donc (a) savent ce qui est actuellement à la disposition du participant à leur environnement, et (b) avoir un dossier moment par moment, du comportement du participant. Dans une situation de laboratoire typique de ces facteurs peuvent être facilement contrôlées depuis l'expérimentateur peut limiter ce que les participants rencontrent, et la forme et le nombre de comportements que le participant peut Evince. Cependant, ce ne sont pasle cas dans les environnements "monde réel" en dehors du laboratoire, où de nombreux événements et les expériences que le participant à la recherche auront échappent au contrôle strict de l'expérimentateur 49. En conséquence, dans le «monde réel» des tâches de type de ceux étudiés ici, les enregistrements vidéo sont utilisés pour l'analyse (par exemple., Shallice et Burgess 1991 3). Cela permet de récupérer à la fois (, niveau bloc par exemple.) Soutenue et transitoire (ex., Liées à l'événement) des processus qui soutiennent différents aspects de la performance (pour revue voir Gonen-Yaacovi et Burgess, 2012 21). Les événements à récupérer à partir des enregistrements vidéo dépendra de la question théorique abordée dans l'expérience. Dans l'étude de cas déclarés, onsets d'événements ont été récupérés à partir des vidéos filmées par les caméras 3. Cette procédure de détermination du début et la fin de certains indices et les réponses comportementales est laborieux et exige des compétences lorsqu'il est effectué sur base de la vie DAT-un. Une question centrale est que, avec les expériences de type «vraie vie», il est généralement pas le même degré de connaissance a priori des événements comme avec celles effectuées en laboratoire, et les participants ont généralement plus de latitude dans la façon dont ils peuvent répondre. En outre, comme les participants sont libres de se déplacer dans un environnement naturel et incontrôlée, ils sont confrontés à une variété de l'évolution rapide des stimuli et il est difficile de récupérer la réponse hémodynamique à l'événement d'intérêt réel. Par exemple, dans l'étude de cas, les tendances observées hémodynamiques pour HBO 2 et HHb (Figure 3D-E) ne sont pas à verrouillage de phase à l'apparition de la vidéo-récupéré comme liée à l'événement typique réponse hémodynamique 38. HbO 2 et HHb commencent respectivement à augmenter et diminuer de 20 secondes avant le début du stimulus et atteindre un pic après. D'autres analyses sont donc nécessaires pour établir si PM cues événements se produisent effectivement lorsque le participant voit la cible, quand il se rapproche à son égard ouquand il l'atteint. Compte tenu du potentiel des technologies de fNIRS fiberless pour des applications cliniques de la vie réelle, les travaux futurs abordera le problème de vidéo-codage en développant de nouveaux algorithmes pour identifier onsets d'événements d'une manière plus objective, ainsi que d'explorer la possibilité de le faire directement à partir de données de fNIRS.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge funding from the Wellcome Trust (088429/Z/09/Z, 104580/Z/14/Z support to IT).
Materials
| Wearable Optical Topography | Hitachi Medical Corporation | fNIRS system | |
| Patriot | Polhemus | 3D magnetic digitizer | |
| ActionCam | Mobius | Subject's Camera | |
| Hero3 | GoPro | Experimenter's Camera | |
| Panasonic HC-V720 | Panasonic | Experimenter's Camera | |
| Platform for Optical Topography Analysis Tools (POTATo) software | Hitachi Medical Corporation | http://www.hitachi.co.jp/products/ot/analyze/kaiseki_en.html |
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