Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe

Diese Studie zielt darauf ab, ein Arbeitsprotokoll zu entwickeln, um das neuronale Aktivierungsmuster aufzudecken, das der Flanker-Aufgabe zugrunde liegt, indem verschmelzende EEG- und fNIRS-Neuroimaging-Techniken verwendet werden. Interessanterweise ermöglichen die gleichzeitigen fNIRS-EEG-Aufnahmen die Untersuchung der Beziehung zwischen den hämodynamischen Signalen im präfrontalen Kortex und verschiedenen ereignisbezogenen Potentialkomponenten (ERP) des gesamten Gehirns, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind.

Die Integration verschiedener nichtinvasiver neuroimagingrischer Modalitäten, einschließlich der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), der Elektroenzephalographie (EEG) und der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI), ist wesentlich, um das Verständnis zu verbessern, wo und wann die Informationsverarbeitung im Gehirn stattfindet^1,2,3. Zusätzlich besteht das Potenzial, fNIRS und EEG zu kombinieren, um die Beziehung zwischen lokaler neuronaler Aktivität und nachfolgenden Veränderungen der hämodynamischen Reaktionen zu untersuchen, bei denen EEG und fNIRS sich ergänzen können, wenn es darum geht, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Funktion des menschlichen Gehirns zu offenbaren. fNIRS ist eine vaskuläre funktionelle Neuroimaging-Technik, die auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. fNIRS misst die relativen Oxyhämoglobin – und Deoxyhämoglobin (HbR) Konzentrationsänderungen in der Großhirnrinde, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung der kognitiven Verarbeitung^3,4,5,6,7spielt. Gemäß dem neurovaskulären und neurometabolischen Kopplungsmechanismus⁸wird die Veränderung der lokalen neuronalen Aktivität im Zusammenhang mit der kognitiven Verarbeitung in der Regel von nachfolgenden Veränderungen des lokalen Blutflusses und des Blutsauerstoffs mit einer Verzögerung von 4-7 Sekunden begleitet. Es wird gezeigt, dass die neurovaskuläre Kopplung wahrscheinlich ein Leistungswandler ist, der die schnelle Dynamik der neuronalen Aktivität in den vaskulären Input der langsamen Hämodynamik⁹integriert. Insbesondere wird fNIRS hauptsächlich zur Untersuchung der neurovaskulären Aktivität im Frontallappen verwendet, insbesondere des präfrontalen Kortex, der für hohe kognitive Funktionen verantwortlich ist, wie Executive Functions^10,11,12, Argumentation und Planung¹³, Entscheidungsfindung¹⁴, und soziale Kognition und moralisches Urteilsvermögen¹⁵. Die hämodynamischen Reaktionen, die mit fNIRS gemessen werden, erfassen jedoch nur indirekt die neuronale Aktivität mit einer geringen zeitlichen Auflösung, während EEG zeitlich feine und direkte Messungen neuronaler Aktivitäten bieten kann. Folglich kann die Kombination von EEG- und fNIRS-Aufzeichnung mehr Merkmale identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns aufdecken.

Noch wichtiger ist, dass die multimodale Erfassung von EEG- und fNIRS-Signalen durchgeführt wurde, um die Gehirnaktivierung zu untersuchen, die verschiedenen kognitiven Aufgaben zugrunde liegt^{16,17,18,19,20,21,22} oder Gehirn-Computer-Schnittstelle^23,24. Insbesondere wurden gleichzeitige ERP- (ereignisbezogenes Potential) und fNIRS-Aufnahmen auf Basis des ereignisbezogenen auditorischen Oddball-Paradigmas¹durchgeführt, bei dem fNIRS die hämodynamischen Veränderungen im frontotemporalen Kortex einige Sekunden nach dem Auftreten der P300-Komponente identifizieren kann. Horovitz et al. demonstrierten auch die gleichzeitigen Messungen von fNIRS-Signalen und der P300-Komponente während einer semantischen Verarbeitungsaufgabe²⁵. Interessanterweise zeigten frühere Studien, die auf simultanen EEG- und fNIRS-Aufnahmen basierten, dass P300 während Oddball-Stimuli eine signifikante Korrelation mit fNIRS-Signalen²⁶aufwiesen. Es wurde entdeckt, dass die multimodalen Maßnahmen das Potenzial haben, den umfassenden kognitiven neuronalen Mechanismus auf der Grundlage des ereignisbezogenen Paradigmas²⁶zu enthüllen. Neben der Oddball-Aufgabe ist die Flanker-Aufgabe im Zusammenhang mit der ERP-Komponente N200 auch ein wichtiges Paradigma, das für die Untersuchung der Erkennung kognitiver Fähigkeiten und der Bewertung mit gesunden Kontrollen und Patienten mit verschiedenen Störungen verwendet werden kann. Insbesondere war N200 eine negative Komponente, die 200-350 ms vom vorderen zerkäuterten Kortex frontal²⁷ und dem überlegenen temporalen Kortex²⁸erreicht. Obwohl frühere Studien die Beziehung zwischen dem überlegenen frontalen Kortex und der Alpha-Oszillation in der Flanker-Aufgabe²⁹untersuchten, wurde die Korrelation zwischen der N200-Amplitude und den hämodynamischen Reaktionen während der Flanker-Aufgabe nicht untersucht.

In diesem Protokoll wurde ein hausgemachter EEG/fNIRS-Patch auf Basis der Standard-EEG-Kappe für die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Aufnahmen verwendet. Die Anordnung von Optoden/Elektroden mit Unterstützung wurde durch die Platzierung von fNIRS-Optoden erreicht, die in die EEG-Kappe verschmolzen sind. Die gleichzeitigen EEG- und fNIRS-Datenerfassungen wurden mit den gleichen Reizaufgaben der E-prime-Software durchgeführt. Wir gehen davon aus, dass ERP-Komponenten, die mit der Flanker-Aufgabe verbunden sind, eine signifikante Korrelation mit den hämodynamischen Reaktionen im präfrontalen Kortex aufweisen können. In der Zwischenzeit können die kombinierten ERP- und fNIRS-Aufnahmen mehrere Signalindikatoren extrahieren, um die Aktivierungsmuster des Gehirns mit erhöhter Genauigkeit zu identifizieren. Um die Hypothese zu testen, wurden das fNIRS-Setup und die EEG-Maschine integriert, um den komplexen neuronalen Kognitionsmechanismus aufzudecken, der der ereignisbezogenen Flanker-Aufgabe entspricht.