Durchführung gleichzeitiger Elektroenzephalographie und funktioneller Nahinfrarot-Spektroskopie-Aufnahmen mit einer Flanker-Aufgabe
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt, wie gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufzeichnungen durchgeführt werden und wie die Beziehung zwischen eEG- und fNIRS-Daten überprüft wird.
Abstract
Gleichzeitige EEG- und fNIRS-Aufnahmen bieten eine ausgezeichnete Gelegenheit, den neuronalen Mechanismus der kognitiven Verarbeitung vollständig zu verstehen, indem die Beziehung zwischen den neuronalen und hämodynamischen Signalen untersucht wird. EEG ist eine elektrophysiologische Technologie, die die schnelle neuronale Aktivität des Kortex messen kann, während fNIRS auf den hämodynamischen Reaktionen beruht, um die Aktivierung des Gehirns abzuleiten. Die Kombination von EEG und fNIRS Neuroimaging-Techniken können mehr Funktionen identifizieren und mehr Informationen im Zusammenhang mit der Funktion des Gehirns offenbaren. In diesem Protokoll wurden verschmolzene EEG-fNIRS-Messungen für gleichzeitige Aufnahmen evoziert-elektrischer Potentiale und hämodynamischer Reaktionen während einer Flanker-Aufgabe durchgeführt. Darüber hinaus wurden die entscheidenden Schritte zum Aufbau des Hard- und Softwaresystems sowie die Verfahren zur Datenerfassung und -analyse detailliert zur Verfügung gestellt und diskutiert. Es wird erwartet, dass das vorliegende Protokoll einen neuen Weg zur Verbesserung des Verständnisses der neuronalen Mechanismen ebnen kann, die verschiedenen kognitiven Prozessen zugrunde liegen, indem die EEG- und fNIRS-Signale verwendet werden.
Introduction
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 stattfindet1,2,3. 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 Verarbeitung3,4,5,6,7spielt. 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 Functions10,11,12, 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 liegt16,17,18,19,20,21,22 oder Gehirn-Computer-Schnittstelle23,24. 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Protokoll wurden kombinierte EEG- und fNIRS-Aufnahmen durchgeführt, um die Gehirnaktivierungsmuster mit einem ereignisbezogenen Flanker-Paradigma zu untersuchen, indem die neuronalen Signale des gesamten Gehirns und gleichzeitige hämodynamische Reaktionen des präfrontalen Kortex aufgezeichnet wurden. Die ERP-Ergebnisse zeigten, dass N200 bei Fz in der Lage war, die kongruenten und inkongruenten Bedingungen signifikant zu unterscheiden (P=0,037). In der Zwischenzeit zeigten die HbO-Signale in SFC (Kanäle 21)…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeiten wurden zum Teil im High Performance Computing Cluster (HPCC) durchgeführt, der vom Informations- und Kommunikationstechnologiebüro (ICTO) der Universität Macau unterstützt wird. Diese Studie wurde von MYRG2019-00082-FHS und MYRG 2018-00081-FHS Stipendien der University of Macau in Macau unterstützt und auch vom Science and Technology Development Fund, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 und FDCT 025/2015/A1) finanziert.
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
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