Het uitvoeren van gelijktijdige elektro-encefalografie en functionele nabij-infrarood spectroscopie-opnamen met een flanker taak

Deze studie is gericht op het ontwikkelen van een werkend protocol om het neurale activeringspatroon te onthullen dat ten grondslag ligt aan de Flanker-taak met behulp van gesmolten EEG- en fNIRS-neuroimagingtechnieken. Interessant is dat de gelijktijdige fNIRS-EEG-opnames het mogelijk maken om de relatie tussen de hemodynamische signalen in de prefrontale cortex en verschillende gebeurtenisgerelateerde potentiële (ERP)-componenten van het hele brein in verband met de Flanker-taak te inspecteren.

De integratie van verschillende niet-invasieve neuroimaging modaliteiten, waaronder functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS), elektro-encefalografie (EEG), en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) is essentieel om het begrip van waar en wanneer informatieverwerking plaatsvindt in de hersenen^1,2,3te verbeteren. Daarnaast is er het potentieel om fNIRS en EEG te combineren om de relatie tussen lokale neurale activiteit en latere veranderingen in hemodynamische reacties te onderzoeken, waarbij EEG en fNIRS complementair kunnen zijn bij het onthullen van het neurale mechanisme van de cognitieve functie van de menselijke hersenen. fNIRS is een vasculaire functionele neuroimaging techniek die is gebaseerd op de hemodynamische reacties op afte leiden hersenactivatie. fNIRS meet de relatieve oxyhemoglobine (HbO) en deoxyhemoglobine (HbR) concentratieveranderingen in de hersenschors, die een belangrijke rol speelt in de studie van cognitieve verwerking^3,4,5,6,7. Volgens het neurovasculaire en neurometabolische koppelingsmechanisme⁸gaat de verandering van lokale neurale activiteit in verband met cognitieve verwerking over het algemeen gepaard met latere veranderingen in de lokale bloedstroom en bloedzuurstof met een vertraging van 4-7 seconden. Het is aangetoond dat de neurovasculaire koppeling is waarschijnlijk een macht transducer, die de snelle dynamiek van neurale activiteit integreert in de vasculaire input van langzame hemodynamica⁹. Specifiek, fNIRS wordt meestal gebruikt voor de inspectie van de neurovasculaire activiteit in de frontale kwab, met name de prefrontale cortex die verantwoordelijk is voor hoge cognitieve functies, zoals uitvoerende functies^10,11,12, redeneren en planning¹³, besluitvorming¹⁴, en sociale cognitie en moreel oordeel¹⁵. Echter, de hemodynamische reacties gemeten door fNIRS alleen indirect vangen de neurale activiteit met een lage temporele resolutie, terwijl EEG kan bieden tijdelijk fijne en directe maatregelen van neurale activiteiten. Bijgevolg kan de combinatie van EEG en fNIRS-opname meer functies identificeren en meer informatie onthullen die verband houdt met de werking van de hersenen.

Wat nog belangrijker is, de multimodale verwerving van EEG en fNIRS signalen is uitgevoerd om de hersenactivatie die ten grondslag liggen aan verschillende cognitieve taken^16,17,,18,19,^20,,21,,22 of brain-computer interface^23,24te inspecteren . In het bijzonder werden gelijktijdige ERP -opnames (event-related potential) en fNIRS-opnames uitgevoerd op basis van het gebeurtenisgerelateerde auditieve oddball paradigma¹, waarin fNIRS enkele seconden na het verschijnen van p300-component de hemodynamische veranderingen in de frontotemporale cortex kan identificeren. Horovitz et al. demonstreerden ook de gelijktijdige metingen van fNIRS-signalen en de P300-component tijdens een semantische verwerkingstaak²⁵. Interessant is dat eerdere studies op basis van gelijktijdige EEG- en fNIRS-opnames toonden aan dat P300 tijdens oddballstimuli een significante correlatie vertoonde met fNIRS-signalen²⁶. Het werd ontdekt dat de multi-modale maatregelen hebben het potentieel om de uitgebreide cognitieve neurale mechanisme op basis van de gebeurtenis-gerelateerde paradigma²⁶onthullen. Naast de oddball taak, de Flanker taak in verband met ERP component N200 is ook een belangrijk paradigma, die kan worden gebruikt voor het onderzoek van cognitieve vermogen detectie en evaluatie met gezonde controles en patiënten met verschillende aandoeningen. Specifiek, N200 was een negatieve component die pieken 200-350 ms van de voorste cingulated cortex frontale²⁷ en superieure temporele cortex²⁸. Hoewel eerdere studies onderzocht de relatie tussen de superieure frontale cortex en alfa oscillatie in de Flanker taak²⁹, de correlatie tussen de N200 amplitude en de hemodynamische reacties tijdens de Flanker taak is niet onderzocht.

In dit protocol werd een zelfgemaakte EEG/fNIRS patch op basis van standaard EEG cap gebruikt voor de gelijktijdige EEG en fNIRS opnames. De regelingen van optodes/elektroden met steun werden bereikt door de plaatsing van fNIRS optodes die in de EEG glb worden gesmolten. De gelijktijdige EEG- en fNIRS-data-acquisities werden uitgevoerd met dezelfde stimulitaken gegenereerd door E-prime software. We veronderstellen dat ERP-componenten in verband met de Flanker taak een significante correlatie kunnen vertonen met de hemodynamische reacties in de prefrontale cortex. Ondertussen kunnen de gecombineerde ERP- en fNIRS-opnames meerdere signaalindicatoren extraheren om de hersenactiveringspatronen met verbeterde nauwkeurigheid te identificeren. Om de hypothese te testen, werden de fNIRS setup en EEG machine geïntegreerd om het complexe neurale cognitiemechanisme te onthullen dat overeenkomt met de gebeurtenisgerelateerde Flankertaak.