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Neurosciences

Realização de Eletroencefalografia simultânea e gravações de espectroscopia quase infravermelha funcional com uma tarefa flanker

Published: May 24, 2020
doi:
10.3791/60669
, , , ,
1Centre for Cognitive and Brain Sciences,University of Macau, 2Faculty of Health Sciences,University of Macau

Summary

O presente protocolo descreve como realizar gravações eEG simultâneas e fNIRS e como inspecionar a relação entre os dados de EEG e fNIRS.

Abstract

As gravações simultâneas de EEG e fNIRS oferecem uma excelente oportunidade para obter uma compreensão completa do mecanismo neural do processamento cognitivo inspecionando a relação entre os sinais neurais e hemodinâmicos. O EEG é uma tecnologia eletrofisiológica que pode medir a atividade neuronal rápida do córtex, enquanto o fNIRS depende das respostas hemodinâmicas para inferir a ativação cerebral. A combinação de técnicas de neuroimagem EEG e fNIRS pode identificar mais características e revelar mais informações associadas ao funcionamento do cérebro. Neste protocolo, foram realizadas medições fundidas de EEG-fNIRS para gravações simultâneas de potenciais elétricos evocados e respostas hemodinâmicas durante uma tarefa flanker. Além disso, as etapas críticas para a configuração do sistema de hardware e software, bem como os procedimentos de aquisição e análise de dados foram fornecidas e discutidas detalhadamente. Espera-se que o presente protocolo possa pavimentar um novo caminho para melhorar a compreensão dos mecanismos neurais subjacentes a diversos processos cognitivos por meio dos sinais EEG e fNIRS.

Introduction

Este estudo tem como objetivo desenvolver um protocolo de trabalho para revelar o padrão de ativação neural subjacente à tarefa flanker usando técnicas de eEG fundido e neuroimagem fNIRS. Curiosamente, as gravações simultâneas fNIRS-EEG permitem a inspeção da relação entre os sinais hemodinâmicos no córtex pré-frontal e vários componentes potenciais relacionados a eventos (ERP) de todo o cérebro associados à tarefa flanker.

A integração de várias modalidades de neuroimagem não invasivas, incluindo espectroscopia funcional de quase infravermelho (fNIRS), eletroencefalografia (EEG) e ressonância magnética funcional (fMRI) é essencial para melhorar a compreensão de onde e quando o processamento de informações está ocorrendo no cérebro1,2,3. Além disso, há o potencial de combinar fNIRS e EEG para examinar a relação entre a atividade neural local e subsequentes mudanças nas respostas hemodinâmicas, nas quais o EEG e o fNIRS podem ser complementares na revelação do mecanismo neural da função cognitiva cerebral humana. fNIRS é uma técnica de neuroimagem funcional baseada em vasculares que se baseia nas respostas hemodinâmicas para inferir a ativação cerebral. fNIRS mede as alterações relativas de concentração de oxihemoglobina (HbO) e desoxiemoglobina (HbR) no córtex cerebral, que desempenha um papel importante no estudo do processamento cognitivo3,4,5,6,7. De acordo com o mecanismo de acoplamento neurovascular e neurometabólico8,a mudança da atividade neural local associada ao processamento cognitivo é geralmente acompanhada de alterações subseqüentes no fluxo sanguíneo local e oxigênio no sangue com um atraso de 4-7 segundos. Mostra-se que o acoplamento neurovascular é provavelmente um transdutor de energia, que integra a dinâmica rápida da atividade neural na entrada vascular da hemodinâmica lenta9. Especificamente, o fNIRS é mais utilizado para inspecionar a atividade neurovascular no lobo frontal, especialmente o córtex pré-frontal responsável por altas funções cognitivas, como funções executivas10,11,12, raciocínio e planejamento13, tomada de decisão14, e cognição social e julgamento moral15. No entanto, as respostas hemodinâmicas medidas pelo FNIRS capturam apenas indiretamente a atividade neural com baixa resolução temporal, enquanto o EEG pode oferecer medidas temporais finas e diretas de atividades neurais. Consequentemente, a combinação de gravação de EEG e fNIRS pode identificar mais recursos e revelar mais informações associadas ao funcionamento do cérebro.

Mais importante, a aquisição multimodal de sinais EEG e fNIRS tem sido realizada para inspecionar a ativação cerebral subjacente a várias tarefas cognitivas16,17,,18,,19,20,21,,22 ou interface cérebro-computador23,24. Em particular, foram realizadas gravações simultâneas de ERP (potencial relacionado a eventos) e fNIRS com base no paradigma oddball auditivo relacionado ao evento1, no qual o fNIRS pode identificar as alterações hemodinâmicas no córtex frontotemporal vários segundos após o aparecimento do componente P300. Horovitz et al. também demonstraram as medições simultâneas dos sinais fNIRS e do componente P300 durante uma tarefa de processamento semântico25. Curiosamente, estudos anteriores baseados em registros simultâneos de EEG e fNIRS mostraram que P300 durante estímulos oddball apresentaram correlação significativa com os sinais fNIRS26. Descobriu-se que as medidas multimodais têm o potencial de revelar o mecanismo neural cognitivo abrangente com base no paradigma26relacionado ao evento . Além da tarefa oddball, a tarefa flanker associada ao componente ERP N200 também é um importante paradigma, que pode ser utilizado para a investigação da detecção e avaliação da capacidade cognitiva com controles saudáveis e pacientes com diversos transtornos. Especificamente, N200 foi um componente negativo que atinge 200-350 ms do córtex anterior cingulado frontal27 e córtex temporal superior28. Embora estudos anteriores tenham examinado a relação entre o córtex frontal superior e a oscilação alfa na tarefa Flanker29, a correlação entre a amplitude N200 e as respostas hemodinâmicas durante a tarefa flanker não foi explorada.

Neste protocolo, foi utilizado um patch EEG/fNIRS caseiro com base na tampa eEG padrão para as gravações eEG e fNIRS simultâneas. Os arranjos de optodes/eletrodos com suporte foram realizados através da colocação de optodes fNIRS fundidos na tampa do EEG. As aquisições simultâneas de dados EEG e fNIRS foram realizadas com as mesmas tarefas de estímulo geradas pelo software E-prime. Temos a hipótese de que os componentes ERP associados à tarefa Flanker podem apresentar uma correlação significativa com as respostas hemodinâmicas no córtex pré-frontal. Enquanto isso, as gravações combinadas de ERP e fNIRS podem extrair múltiplos indicadores de sinal para identificar os padrões de ativação cerebral com maior precisão. Para testar a hipótese, a configuração fNIRS e a máquina EEG foram integradas para revelar o complexo mecanismo de cognição neural correspondente à tarefa flanker relacionada ao evento.

Protocol

Antes dos testes experimentais, todos os participantes assinaram documentos de consentimento informado. O protocolo para o presente estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética da Universidade de Macau. 1. Configuração de hardware e software para gravações eEG simultâneas e fNIRS Construa uma tampa de cabeça para gravações EEG-fNIRS simultâneas. Selecione o tamanho da tampa apropriada de acordo com a circunferência da cabeça dos participantes. Neste estudo, utilize u…

Representative Results

A Figura 2 mostra os sinais de HbO para todos os canais, enquanto a Figura 3 exibe os ERPs em Fz e FCz para as duas condições da tarefa Flanker. Figure 4 ilustrou os resultados da análise de correlação de Pearson mostraram que os sinais fNIRS em SFC apresentaram uma correlação significativa com o componente ERP N200 na Fz para a condição incongruente (P<0,05). No entanto, este não é o caso p…

Discussion

Neste protocolo, foram realizadas gravações combinadas de EEG e fNIRS para examinar os padrões de ativação cerebral envolvendo um paradigma Flanker relacionado a eventos, registrando os sinais neurais de todo o cérebro e respostas hemodinâmicas simultâneas do córtex pré-frontal. Os resultados do ERP mostraram que n200 em Fz foi capaz de distinguir significativamente as condições congruentes e incongruentes (P=0,037). Enquanto isso, os sinais de HbO em SFC (canais 21) também apresentaram diferença significat…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi realizado em parte no cluster de computação de alto desempenho (HPCC), que é apoiado pelo Escritório de Tecnologia da Informação e Comunicação (ICTO) da Universidade de Macau. Este estudo foi apoiado por bolsas MYRG2019-00082-FHS e MYRG 2018-00081-FHS da Universidade de Macau, em Macau, e também financiado pelo Fundo de Desenvolvimento de Ciência e Tecnologia, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 e FDCT 025/2015/A1).

Materials

EEG cap EASYCAP GmbH – –
EEG system BioSemi – –
fNIRS system TechEn – CW6 System
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EEGFNIRSConcurrent RecordingFlanker TaskNeurovascular ActivityPrefrontal CortexERP ComponentsHaemodynamic ResponseNeuro-cognitionHardware And Software SetupEEG CapOptode Layout

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Citer Cet Article
Xu, S. Y., Cheong, L. I., Zhuang, Y., Couto, T. A. P., Yuan, Z. Conducting Concurrent Electroencephalography and Functional Near-Infrared Spectroscopy Recordings with a Flanker Task. J. Vis. Exp. (159), e60669, doi:10.3791/60669 (2020).
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