Utilizzando Fiberless, fNIRS indossabili per il monitoraggio attività cerebrale in compiti cognitivi del mondo reale
Summary
Monitorare l'attività cerebrale di fuori del laboratorio, senza vincoli fisici presenta sfide metodologiche. Un fiberless, sistema indossabile funzionale Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) è stato utilizzato per misurare l'attività cerebrale durante un compito di memoria prospettica ecologica. E 'stato dimostrato che questo sistema potrebbe essere usato per monitorare l'attività cerebrale durante gli esperimenti non basati laboratorio.
Abstract
Vicino funzionale Infrared Spectroscopy (fNIRS) è una tecnica di neuroimaging che utilizza la luce nel vicino infrarosso per monitorare l'attività cerebrale. Sulla base di accoppiamento neurovascolare, fNIRS è in grado di misurare la concentrazione di emoglobina cambia secondaria ad attività neuronale. Rispetto ad altre tecniche di neuroimmagine, fNIRS rappresenta un buon compromesso in termini di risoluzione spaziale e temporale. Inoltre, è portatile, leggero, meno sensibile agli artefatti di movimento e non impone rilevanti vincoli fisici. È pertanto opportuno monitorare una vasta gamma di compiti cognitivi (ad esempio, uditiva, analisi del cammino, interazione sociale) e diverse popolazioni di età (ad esempio, i neonati, adulti, anziani). Il recente sviluppo di dispositivi fNIRS fiberless ha aperto la strada a nuove applicazioni nel campo della ricerca delle neuroscienze. Ciò rappresenta un'opportunità unica per studiare l'attività funzionale durante le prove del mondo reale, che può essere più sensibile e preciso in culoessing funzioni cognitive e disfunzioni di test basati in laboratorio. Questo studio ha esplorato l'uso di fiberless fNIRS per monitorare l'attività cerebrale durante un compito di memoria prospettica del mondo reale. Questo protocollo viene eseguita al di fuori del laboratorio e di emoglobina cervello variazioni di concentrazione sono continuamente misurati sulla corteccia prefrontale, mentre il soggetto cammina intorno al fine di realizzare diverse attività.
Introduction
Anomalia di funzione all'interno corteccia prefrontale, e soprattutto la sottoparte più anteriore (rostrale corteccia prefrontale, o BA10) è comune in una serie di condizioni di sviluppo, psichiatriche e neurologiche. Essa provoca marcate disturbi nel problem-solving, la memoria, le capacità attentive e nella vita quotidiana che sono molto invalidanti 1,2. Tuttavia, questi tipi di problemi sono difficili da diagnosticare in laboratorio o in clinica. Questo è perché i processi mentali che BA 10 supporti sono coinvolti nel trattare con il romanzo, le situazioni a tempo indeterminato, in cui il comportamento è auto-iniziati 3. Tali situazioni sono difficili da ricreare con successo in laboratorio, dal momento che la situazione formale, artificiale e strettamente vincolata al partecipante affronta di solito in laboratorio può cambiare il loro comportamento e il modo in cui si avvicinano al compito. Questo può ridurre significativamente la validità della misura sia per scopi clinici o di ricerca, con un forte rischio di sotto-diagnosi 4 </ sup>. Una delle capacità cognitive supportati dai lobi frontali dove questo è più evidente è memoria prospettica (ad esempio, la capacità di ricordarsi di effettuare una azione futura), dove è noto da tempo che non ci può essere significativo disaccordo tra misurazioni effettuate in tutti i giorni la vita e il laboratorio 5. Si tratta di questioni metodologiche potrebbero essere in gran parte aggirate se i ricercatori e medici che studiano la funzione corteccia prefrontale, tra cui memoria prospettica, potrebbero farlo prendendo le loro misure in situazioni "reali".
Mentre le tecniche di neuroimaging rappresentano un potente strumento per studiare la funzione del cervello in modo non invasivo e obiettivo, la maggior parte di queste tecniche impongono vincoli fisici in materia, e non sono quindi appropriati per l'uso in ambienti di vita di tutti i giorni (ad es., La risonanza magnetica funzionale ( fMRI), la magnetoencefalografia (MEG), tomografia a emissione di positroni (PET)). Data la necessità di portarestrumenti di imaging funzionale al di fuori del laboratorio e dati i recenti miglioramenti tecnologici, elettroencefalografia portatili e indossabili (EEG) e funzionali vicino spettroscopia infrarossa (fNIRS) i sistemi sono stati sviluppati 6-11. Uno dei principali vantaggi di fNIRS oltre EEG è la sua più alta risoluzione spaziale. Inoltre, è meno sensibile alle artefatti da movimento, lampeggianti e movimenti oculari 12. FNIRS Wearable è quindi più adatto per l'uso in contesti di vita quotidiana, in quanto impone meno vincoli fisici di EEG e permette la libera circolazione in un ambiente più naturale.
fNIRS irradia in modo non invasivo la testa con la luce nel vicino infrarosso (650-900 nm). Come il tessuto biologico è relativamente trasparente in tale intervallo di lunghezze d'onda, la luce può raggiungere il cervello e ottenere assorbita dall'emoglobina. fNIRS misure così i cambiamenti di concentrazione sia di ossiemoglobina (HBO 2) e deossiemoglobina (HHb) dare informazioni di ossigenazione e emodinamico chanGES associati con l'attività cerebrale. Più specificamente, cervello attivazione funzionale è definita come un aumento concomitante HbO 2 e una diminuzione HHb 13. Tuttavia, la profondità di penetrazione della luce significa che il segnale può essere recuperato solo dalla superficie corticale. Come la luce è altamente diffusa nel tessuto, non è possibile avere informazioni altamente spazialmente strutturali relative alle cervello 14. Sistemi fNIRS convenzionali utilizzano fibre ottiche accoppiato alla testa per guidare la luce attraverso il cuoio capelluto e per raccogliere la luce retrodiffusa. Anche se questi strumenti sono compatti, portatile e adatto per applicazioni di laboratorio, fibre ottiche e fasci loro peso limitano i movimenti del partecipante e, se non ben stabilizzato, i loro spostamenti portano alla contaminazione da movimento 7. La nuova generazione di sistemi miniaturizzati e fiberless fNIRS offre la possibilità di esplorare l'attività cerebrale in situazioni realistiche a muoversi liberamente partecipantes e senza significativi vincoli fisici. Situazioni reali sono particolarmente preziose quando esplorare funzioni esecutive umane e sistemi fNIRS fiberless può fornire una visione unica funzionamento del cervello umano. I primi sistemi fiberless erano dotati solo con un piccolo numero di canali (ad es., Singolo canale 15 e 2 canali 16) limitano l'indagine per piccole aree. Più recentemente, multicanale dispositivi fNIRS wireless e indossabili sono stati sviluppati 6,7, 17-20 dando la possibilità di monitorare porzioni più grandi della testa di partecipanti liberi di muoversi.
In questo studio, un sistema fNIRS portabile e fiberless nuovo multicanale è stato utilizzato per monitorare e mappare l'attività corteccia prefrontale durante una memoria prospettica del mondo reale (PM) compito. Il sistema di fNIRS è composto principalmente di una unità sonda flessibile (cuffia), che copre sia il dorsolaterale e la corteccia prefrontale rostrale (Figura 1),che è collegato ad una unità (scatola portatile) elaborazione che viene indossato sulla vita del partecipante (Figura 1D). L'auricolare è composto da 6 superficie emittente diodi laser con lunghezza d'onda di due (705 nm e 830 nm) e 6 fotodiodi al silicio. L'assenza di fibre ottiche riduce il peso e la massa della sonda, essendo più comoda e robusta contro artefatti di movimento. Le optodes sono disposti in una geometria alternato (Figura 1A) con una separazione tra optode di 3 cm, creando 16 combinazioni sorgente-detector (ad es., 16 canali di misura) 6. Al fine di proteggere la cuffia dalla luce circostante, un berretto di ombreggiatura è fornita (Figura 1D).
Lo scopo di questo studio è stato quello di indagare function corteccia prefrontale, durante un compito di memoria prospettica nel mondo reale. Durante compiti di memoria futuri, i partecipanti sono invitati a ricordarsi di rispondere ad una stecca poco frequente (ad es., Un familiareviso o un parchimetro) durante l'esecuzione di un altro compito impegnativo conosciuto come un "compito permanente". In due diversi blocchi del compito, spunti di memoria potenziali sociali (una persona) si contrappongono ai segnali di memoria potenziali non sociali (un parchimetro). Questo contrasto è stato scelto perché rappresenta un importante distinzione tra le diverse forme di spunto in compiti di memoria prospettica basati su eventi e così il paradigma sperimentale può essere tenuto vicino ad una situazione "vita reale" 21. Solo BA 10 è noto per essere sensibili al trattamento dei social contro informazioni non sociale in alcune situazioni (ad es., Gilbert et al., 2007 22), studi recenti dimostrano che i cambiamenti emodinamici BA 10 relativi a compiti di memoria potenziali sono relativamente insensibili a cue differenze (vedi Burgess et al., 2011 23 per la revisione). Quindi, si tratta di una questione aperta se sociale contro indizi non sociali interessa BA 10 attività nel contesto di un paradigma di memoria prospettica.
L'obiettivo di questo studio è quello di valutare la possibilità di utilizzare il sistema per monitorare fNIRS corteccia emodinamica e ossigenazione cambiamenti prefrontali indotte da un compito cognitivo del mondo reale. Qui riportiamo un caso di studio (un partecipante adulto sano, 24 anni) per l'uso del dispositivo fNIRS durante un compito di memoria prospettica, condotta al di fuori in una tipica posizione di strada di Londra e imitando le esigenze della vita di tutti i giorni. In particolare, se le modifiche emodinamiche in risposta a PM spunti sociali e non sociali possono essere registrati è indagato.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questo studio era di valutare l'uso potenziale di fNIRS indossabili e fiberless monitorare emodinamiche del cervello e ossigenazione modifiche relative alla attività neuronale del cervello durante le situazioni del mondo reale. Un sistema fNIRS multicanale indossabile e fiberless è stato utilizzato per misurare l'attività cerebrale sopra la corteccia prefrontale durante un compito di memoria prospettica effettuata al di fuori del laboratorio. Il caso di studio riportato qui esplorato se i cambiamenti cerebrali nei HbO 2 e HHb su un partecipante muoversi liberamente in risposta alle PM spunti sociali e non sociali in un esperimento di fuori del laboratorio possono essere monitorate continuamente e robusta.
L'uso di fNIRS su muoversi liberamente partecipanti esperimenti di vita rappresenta una situazione difficile. In realtà, i movimenti della testa possono causare spostamenti della sonda con artefatti da movimento conseguenti che corrotti identificazione ottica di attività cerebrale 36. Inoltre, i sensori ottici sono sensibili alla luce randagi (ad es., la luce del sole quando gli esperimenti vengono eseguiti al di fuori), la creazione di ulteriore rumore nei segnali fNIRS. Il caso di studio riportato fornisce una dimostrazione preliminare di fattibilità del sistema fNIRS in tali applicazioni reali. L'assenza di fibre ottiche in tali dispositivi impedisce accoppiamento ottico tra la cute e le optodes conseguente misurazioni più robusti contro artefatti di movimento. Inoltre, il tappo ombreggiatura assicura una buona schermatura dalla luce parassita che evita rivelatori saturazione e basso rapporto segnale-rumore (SNR). Inoltre, l'aumento della HbO 2 e la diminuzione delle concentrazioni HHB sono stati trovati in corrispondenza di PM successi sociali e non sociali (Figura 3D-E) 11, 37 sostenendo ulteriormente la fattibilità. Per valutare se le tendenze emodinamici osservate nella Figura 3D-E sono statisticamente significativi e per individuare le regioni attivate all'interno della corteccia prefrontale (Figura 5, Video 1, Video 2, Figura 6, Figura 7), sono necessari analisi a livello di gruppo. Al fine di rendere l'inferenza e per identificare le regioni della corteccia prefrontale funzionalmente specializzati 38, 39, lavori futuri presenterà i dati di gruppo e analisi statistiche basate su Statistical Parametric Mapping (SPM) utilizzando un approccio Modello lineare generalizzato (GLM).
Anche se i risultati devono essere considerati preliminari, è stato dimostrato che fiberless fNIRS possono essere efficacemente portato fuori le impostazioni di laboratorio tradizionali e utilizzati per monitorare in tempo reale l'attività cerebrale. Questo apre nuove direzioni per la ricerca neurologica e delle neuroscienze. Ci sono almeno due aree ovvie per applicazione a tale riguardo. La prima riguarda validità ecologica. Ricercatori neuroscienze cognitive indagano modelli di attività cerebrale mentre la gente sta effettuando compiti cognitivi (utilizzando ad esempio., Il livello di ossigeno nel sangue segno dipendenteal cambiamento come proxy in risonanza magnetica funzionale), al fine di cercare di scoprire come il cervello sostiene le nostre capacità mentali. In alcuni casi, è possibile creare situazioni sperimentali nello scanner che corrispondono molto da vicino la situazione nella vita quotidiana in cui viene utilizzato il processo di interesse. Si consideri, ad esempio, la lettura. Lettura delle parole su un display, mentre in uno scanner MRI probabile Ne consegue che tali richieste simili alla lettura parole in un libro quando sono a casa che è quasi dato per scontato che i risultati raccolte nello scanner possono aiutare a spiegare come il cervello attua lettura in vita di ogni giorno. Tuttavia, per molte forme di comportamento umano e della cognizione, questa ipotesi è più precaria. Per esempio, i processi cognitivi che un partecipante utilizza durante una situazione sociale è presentato in uno scanner MRI (dove il partecipante è immobile, da soli, e in un ambiente molto familiare e strettamente controllato) potrebbero essere diversi in importanti riguarda quelli impegnato quando il partecipante è socialising nella vita reale 40. Ciò è particolarmente importante in neuroscienze sociali dove la ricerca dei correlati neuronali della dinamica inter-personali (hyperscanning definito, per recensione vedi Babiloni e Astolfi, 2014 41) richiede un ambiente più naturalistico. Hyperscanning-based NIRS 42, 43 può quindi rappresentare un nuovo strumento per monitorare simultaneamente l'attività cerebrale di due o più persone in situazioni realistiche. Infatti, ci sono alcune abilità mentali che non possono essere studiati bene nell'ambiente altamente artificiale e fisicamente costretto di uno scanner MRI, PET o MEG. Quelli che coinvolgono deambulazione o grandi quantità di movimento corporeo così come quelle che coinvolgono le interazioni sociali sono ovvi candidati. Per questo motivo, essere in grado di studiare l'attività del cervello dei partecipanti in situazioni naturalistiche è altamente desiderabile per i ricercatori.
Un secondo, correlato, vasta area di applicazione riguarda l'uso di questa tecnologia insituazioni cliniche. Un candidato naturale può essere neuroriabilitazione, dove si potrebbe desiderare di studiare gli effetti sul cervello di procedure di formazione per le attività della vita quotidiana (ad es., In una cucina), o di farmaci su particolari popolazioni di neuroni in relazione a tali attività. Ma la tecnologia potrebbe essere forse sviluppato per ambienti educativi pure ed es., Per l'uso di "tempo reale" auto-monitoraggio di attività cerebrale. La portabilità, a basso rischio, e la capacità di utilizzare in situ in ambienti reali con vincolo minimo dal comportamento, rende questo metodo molto diverso dagli altri che sono attualmente disponibili.
Tuttavia, anche se i sistemi indossabili fNIRS mostrano il potenziale per le osservazioni del mondo reale, ci sono altre limitazioni che devono essere rispettate quando si ricorre fNIRS durante camminata naturale. Poiché la luce infrarossa viaggia attraverso il cuoio capelluto, è sensibile a processi che avvengono sia a un cerebralend compartimenti extra-cerebrali della testa. Precedenti studi hanno dimostrato che una certa quantità di segnali misurati attraverso fNIRS deriva da cambiamenti sistemici 34, 39, 44 che non sono direttamente legate alle attività del cervello (vedi Scholkmann et al. 9 per una rassegna). Come emodinamica intra ed extra-cerebrale sono affetti da cambiamenti sistemici sia compito evocata e spontanea (ad es., La frequenza cardiaca, la pressione sanguigna, la respirazione, la pelle del flusso sanguigno), cambiamenti fisiologici legati all'attività piedi devono essere considerati. Provengono dal sistema nervoso autonomo (ANS) attività, che regola la frequenza cardiaca, la respirazione, la pressione del sangue e vasi di diametro attraverso le sue fibre efferenti. Più precisamente, la divisione simpatica del SNA è iper-attivo durante l'esercizio che porta a frequenza cardiaca, pressione sanguigna e incrementi di respirazione 45. Per esempio, studi precedenti hanno dimostrato che la respirazione induce cambiamenti nella pressione parziale di carbonio DIOXide nel sangue arterioso (PaCO2), che a sua volta influenza il flusso ematico cerebrale e cerebrale volume del sangue 46, 47. Inoltre, la figura 3A mostra un esempio di periodici aumenti HHB e HBO 2 diminuzioni che si verificano all'interno periodi a piedi che possono essere confusi con disattivazione del cervello. Al fine di effettuare confronti coerenti tra condizioni (ad es., Se valutare modificazioni significative nella concentrazione verificano rispetto ad un periodo di riferimento), tutte le fasi sperimentali dovrebbero essere misurati sotto stesso stato attività fisica. Per questo motivo, una fase di riposo camminato (Resto 2) è stata inserita nel nostro protocollo a base di vita. Una corretta interpretazione dei dati fNIRS richiede anche una buona SNR. Normalmente ciò viene ottenuto con il blocco convenzionale e disegni da eventi connesse le stimolazioni sono ripetute più volte. Ripetizioni di prova e disegni strutturati non sono sempre possibili in esperimenti di vita. Per questo motivo, sensori aggiuntivi e appropriato te analisirie per tenere conto di cambiamenti sistemici 48 e motion manufatti necessari per migliorare il SNR e di interpretare correttamente i segnali del cervello. Abbiamo in programma di studiare l'impatto di tali cambiamenti sistemici piedi legati attraverso l'uso di dispositivi portatili per monitorare la frequenza respiratoria, frequenza cardiaca e passo d'uomo. Inoltre, il problema di eventi recupero deve essere affrontato, anche. Negli esperimenti neuroscienze cognitive, l'attività cerebrale è indagato in relazione a stimoli o ambienti incontrati dai partecipanti ', e il loro comportamento in risposta a, o l'anticipazione di loro. Gli sperimentatori devono quindi (a) sa che cosa è attualmente a disposizione del partecipante nel loro ambiente, e (b) hanno un record di momento per momento del comportamento del partecipante. In una situazione tipica laboratorio questi fattori possono essere facilmente controllati dal momento che il sperimentatore può limitare ciò che incontrano i partecipanti, e la forma e il numero di comportamenti che il partecipante può scaturire in. Tuttavia, questo non èil caso in ambienti "mondo reale" al di fuori del laboratorio, dove molti eventi ed esperienze che il partecipante alla ricerca avranno sfuggono al controllo rigoroso dello sperimentatore 49. Di conseguenza, nel "mondo reale" tipo compiti del genere studiato qui, registrazioni video vengono utilizzati per l'analisi (ad es., Shallice e Burgess, 1991 3). Questo permette di recuperare sia sostenuta (ad es., A livello di blocco) e transitorie (ad es., Evento-correlati) i processi che supportano diversi aspetti della prestazione (per recensione vedi Gonen-Yaacovi e Burgess, 2012 21). Gli eventi da recuperare dalle registrazioni video dipenderà dalla questione teorica affrontata nell'esperimento. Nel caso studio riportato, insorgenze di eventi sono stati recuperati dai video girati dai 3 telecamere. Questa procedura di determinare l'insorgenza e la cessazione di particolari spunti e risposte comportamentali è laboriosa e richiede l'abilità quando sottoposti i dat a base di vitaun. Una questione centrale è che con "vita reale" tipo esperimenti di solito non è lo stesso grado di conoscenza a priori di eventi come con quelle basate su laboratori, ei partecipanti di solito hanno più spazio in modo da poter rispondere. Inoltre, poiché i partecipanti sono liberi di muoversi in un ambiente naturale e incontrollato, sono di fronte a una varietà di stimoli rapida evoluzione ed è difficile recuperare la risposta emodinamica alla reale evento di interesse. Ad esempio, nel caso di studio, le tendenze emodinamici osservati per HbO 2 e HHb (Figura 3D-E) non sono ad aggancio di fase per l'insorgenza video recuperato come la tipica risposta emodinamica evento correlati 38. HbO 2 e HHb cominciano rispettivamente ad aumentare e diminuire di 20 secondi prima della comparsa dello stimolo e di raggiungere un picco dopo. Ulteriori analisi sono quindi necessari per stabilire se PM spunti eventi stanno accadendo in realtà quando il partecipante vede il bersaglio, quando si avvicina verso di esso oquando raggiunge. Dato il potenziale delle tecnologie fNIRS fiberless per le applicazioni cliniche di vita reale, il lavoro futuro affronterà il problema di video-codifica attraverso lo sviluppo di nuovi algoritmi per identificare insorgenze di eventi in modo più obiettivo, così come esplorare la possibilità di farlo direttamente dai dati 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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