フランカータスクによる同時脳波と機能的近赤外分光記録の実施
Summary
本プロトコルは、EEG および fNIRS の同時記録を実行する方法と、EEG と fNIRS データの関係を検査する方法を記述しています。
Abstract
同時脳脳とfNIRSの記録は、神経と血行力信号の関係を検査することによって、認知処理の神経機構を完全に理解する絶好の機会を提供します。脳波は、皮質の急速な神経活動を測定できる電気生理学的技術であり、fNIRSは脳の活性化を推測するために血行力学的応答に依存する。脳脳とfNIRSの神経イメージング技術の組み合わせは、より多くの特徴を識別し、脳の機能に関連するより多くの情報を明らかにすることができます。このプロトコルでは、フランカータスク中に、呼び起こされる電位と血行力学的応答の同時記録に対して融合したEEG-fNIRS測定を行った。さらに、ハードウェアおよびソフトウェアシステムを設定するための重要な手順と、データの取得と分析の手順が提供され、詳細に説明されました。本プロトコルは、脳科学とfNIRS信号を用いることで、様々な認知プロセスの基礎となる神経機構の理解を深める新たな道を開くことができると期待される。
Introduction
本研究は、融合されたEEGとfNIRSの神経イメージング技術を用いて、フランカータスクの根底にある神経活性化パターンを明らかにする働くプロトコルを開発することを目的としている。興味深いことに、同時fNIRS-EEGの記録は前頭前野の血行力学的信号と、フランカータスクに関連する脳全体の様々な事象関連ポテンシャル(ERP)成分との関係を検査することを可能にする。
機能近赤外分光法(fNIRS)、脳波(EEG)、および機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を含む様々な非侵襲的神経イメージングモダリティの統合は、脳1、2、32,3において情報処理が行われている場所と1時期の理解を深めるために不可欠である。さらに、fNIRSとEEGを組み合わせて、局所的な神経活動とその後の血行力学的応答の変化との関係を調べる可能性があり、脳脳とfNIRSは人間の脳認知機能の神経機構を明らかにする上で補完的であり得る。fNIRSは、脳の活性化を推測するために血行力学的応答に依存する血管ベースの機能的神経イメージング技術である。,fNIRSは、認知処理33、4、5、6、7の研究において重要な役割を果たす大脳皮質における相対的なオキシヘモグロビン(HbO)およびデオキシヘモグロビン(HbR)濃度変化6を7測定する。,4,5神経血管および神経代謝結合機構8によれば、認知処理に伴う局所神経活動の変化は、一般的に、4〜7秒の遅延を伴う局所血流および血液酸素におけるその後の変化を伴う。神経血管結合は、電力トランスデューサーである可能性が高く、神経活動の速いダイナミクスを遅い血圧力学9の血管入力に統合することが示されている。具体的には、fNIRSは、主に前頭葉の神経血管活動を検査するために用いられ、特に、執行機能10、11、12、11,12推論および計画1013、意思決定14、及び社会的認知および道徳的判断15のような高い認知機能を担う前頭前野を検査する。しかし、fNIRSによって測定された血行力学的応答は、間接的に低い時間的解像度で神経活動を捉えるのに対し、EEGは神経活動の時間的に微細で直接的な尺度を提供することができる。その結果、脳とfNIRSの記録の組み合わせは、より多くの特徴を識別し、脳の機能に関連するより多くの情報を明らかにすることができます。
さらに重要なことは、脳脳およびfNIRS信号のマルチモーダル獲得は、脳活性化を検査するために行われ、様々な認知タスク16、17、18、19、20、21、22、または脳とコンピュータのインターフェース,2220,2116,17,18,19,23、24,24の基礎となる。特に、同時ERP(事象関連電位)およびfNIRS記録は、イベント関連の聴覚奇数パラダイム1に基づいて行われ、fNIRSはP300成分の出現から数秒後に前頭側頭皮質の血行力学的変化を同定することができる。ホロヴィッツらも、意味的処理タスク25の間にfNIRS信号とP300成分の同時測定を実証した。興味深いことに、同時EEGとfNIRSの記録に基づく以前の研究は、奇数ボール刺激の間P300がfNIRS信号26と有意な相関を示したことを示した。マルチモーダル対策は、イベント関連パラダイム26に基づく包括的な認知神経機構を明らかにする可能性を有することが発見された。奇妙なタスクに加えて、ERPコンポーネントN200に関連するフランカータスクはまた、健康なコントロールと様々な障害を有する患者と認知能力の検出および評価の調査に使用することができる重要なパラダイムである。具体的には、N200は前帯状皮質前頭27および優側側皮質28から200〜350msをピークとする陰性成分であった。これまでの研究では、フランカータスク29における優れた前頭皮質とα振動の関係を調べたが、フランカータスク中のN200振幅と血行力学的応答との相関は検討されていなかった。
このプロトコルでは、標準のEEGキャップに基づく自家製のEEG/fNIRSパッチが同時のEEGおよびfNIRS録音に利用されました。サポートを伴うオプトデス/電極の配置は、EEGキャップに融合したfNIRSオプトディスクの配置によって達成されました。同時にE-primeソフトウェアによって生成された同じ刺激タスクでEEGとfNIRSの同時取得を行いました。我々は、フランカータスクに関連するERP成分が前頭前野の血行力学的応答と有意な相関関係を示すことができると仮定する。一方、組み合わされたERPとfNIRSの記録は、複数のシグナル指標を抽出して、脳活性化パターンを強化された精度で識別することができます。この仮説をテストするために、fNIRSセットアップと脳脳装置を統合し、イベント関連のフランカータスクに対応する複雑な神経認知メカニズムを明らかにした。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルでは、脳全体の神経信号と前頭前野の同時血行力応答を記録することによって、イベント関連のフランカーパラダイムを含む脳活性化パターンを調べるために、脳とfNIRSの組み合わせの記録が行われました。ERPの結果は、FzのN200が一致条件と不一致条件(P=0.037)を有意に区別できたことを示した。一方、SFC(チャネル21)におけるHbO信号は、フランカータスクに関連する脳認知機能?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、マカオ大学情報通信技術事務所(ICTO)が支援するハイパフォーマンスコンピューティングクラスター(HPCC)で一部行われました。この研究は、マカオのマカオ大学からのMYRG2019-00082-FHSおよびMYRG 2018-00081-FHS助成金によって支援され、また、科学技術開発基金、マカオSAR(FDCT 0011/2018/A1およびFDCT 025/2015/A1)によって資金提供されました。
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
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