Realización de electroencefalografía concurrente y grabaciones funcionales de espectroscopia de infrarrojo cercano con una tarea de flanqueador
Summary
El protocolo actual describe cómo realizar grabaciones simultáneas DeEEG y fNIRS y cómo inspeccionar la relación entre los datos EEG y fNIRS.
Abstract
Las grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS ofrecen una excelente oportunidad para obtener una comprensión completa del mecanismo neuronal del procesamiento cognitivo mediante la inspección de la relación entre las señales neuronales y hemodinámicas. EEG es una tecnología electrofisiológica que puede medir la rápida actividad neuronal de la corteza, mientras que fNIRS se basa en las respuestas hemodinámicas para inferir la activación cerebral. La combinación de eEG y técnicas de neuroimagen fNIRS puede identificar más características y revelar más información asociada con el funcionamiento del cerebro. En este protocolo, se realizaron mediciones fusionadas de EEG-fNIRS para grabaciones simultáneas de potenciales eléctricos evocados y respuestas hemodinámicas durante una tarea flankora. Además, se proporcionaron y discutieron en detalle los pasos críticos para configurar el sistema de hardware y software, así como los procedimientos para la adquisición y el análisis de datos. Se espera que el presente protocolo pueda allanar una nueva vía para mejorar la comprensión de los mecanismos neuronales subyacentes a diversos procesos cognitivos mediante el uso de las señales EEG y fNIRS.
Introduction
Este estudio tiene como objetivo desarrollar un protocolo de trabajo para revelar el patrón de activación neuronal subyacente a la tarea Flanker mediante el uso de técnicas de neuroimagen EEG y fNIRS fusionadas. Curiosamente, las grabaciones simultáneas fNIRS-EEG permiten la inspección de la relación entre las señales hemodinámicas en la corteza prefrontal y varios componentes potenciales relacionados con eventos (ERP) de todo el cerebro asociados con la tarea Flanker.
La integración de diversas modalidades neuroimagen no invasivas, incluyendo espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS), electroencefalografía (EEG) y resonancia magnética funcional (fMRI) es esencial para mejorar la comprensión de dónde y cuándo se está llevando a cabo el procesamiento de información en el cerebro1,2,3. Además, existe el potencial de combinar fNIRS y EEG para examinar la relación entre la actividad neuronal local y los cambios posteriores en las respuestas hemodinámicas, en las que EEG y fNIRS pueden ser complementarios al revelar el mecanismo neuronal de la función cognitiva del cerebro humano. fNIRS es una técnica de neuroimagen funcional basada en vasculares que se basa en las respuestas hemodinámicas para inferir la activación cerebral. fNIRS mide los cambios relativos de concentración de oxihemoglobina (HbO) y desoxihemoglobina (HbR) en la corteza cerebral, que desempeña un papel importante en el estudio del procesamiento cognitivo3,4,5,6,7. Según el mecanismo de acoplamiento neurovascular y neurometabólico8,el cambio de la actividad neuronal local asociada con el procesamiento cognitivo generalmente se acompaña de alteraciones posteriores en el flujo sanguíneo local y el oxígeno en la sangre con un retraso de 4-7 segundos. Se ha demostrado que el acoplamiento neurovascular es probablemente un transductor de potencia, que integra la dinámica rápida de la actividad neuronal en la entrada vascular de la hemodinámica lenta9. Específicamente, fNIRS se utiliza principalmente para inspeccionar la actividad neurovascular en el lóbulo frontal, especialmente la corteza prefrontal que se encarga de altas funciones cognitivas, tales como funciones ejecutivas10,,11,,12,razonamiento y planificación13,toma de decisiones14,y cognición social y juicio moral15. Sin embargo, las respuestas hemodinámicas medidas por fNIRS sólo capturan indirectamente la actividad neuronal con una resolución temporal baja, mientras que el EEG puede ofrecer medidas temporalmente finas y directas de las actividades neuronales. En consecuencia, la combinación de EEG y fNIRS grabación puede identificar más características y revelar más información asociada con el funcionamiento del cerebro.
Más importante aún, la adquisición multimodal de señales EEG y fNIRS se ha llevado a cabo para inspeccionar la activación cerebral subyacente a varias tareas cognitivas16,17,18,19,20,21,22 o interfaz cerebro-ordenador23,24. En particular, las grabaciones simultáneas de ERP (potencial relacionado con eventos) y fNIRS se llevaron a cabo sobre la base del paradigma de bola impar auditiva relacionado con eventos1, en el que fNIRS puede identificar los cambios hemodinámicos en la corteza frontotemporal varios segundos después de la aparición del componente P300. Horovitz et al. también demostraron las mediciones simultáneas de las señales fNIRS y el componente P300 durante una tarea de procesamiento semántico25. Curiosamente, estudios previos basados en grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS mostraron que P300 durante los estímulos de oddball exhibió una correlación significativa con las señales fNIRS26. Se descubrió que las medidas multimodales tienen el potencial de revelar el mecanismo neuronal cognitivo integral basado en el paradigma relacionado con el evento26. Además de la tarea de bola extraña, la tarea Flanker asociada con el componente ERP N200 es también un paradigma importante, que se puede utilizar para la investigación de la detección y evaluación de la capacidad cognitiva con controles saludables y pacientes con diversos trastornos. Específicamente, N200 fue un componente negativo que alcanza los picos 200-350 ms de la corteza frontal27 y la corteza temporal superior28. Aunque estudios anteriores examinaron la relación entre la corteza frontal superior y la oscilación alfa en la tarea Flanker29, no se ha explorado la correlación entre la amplitud N200 y las respuestas hemodinámicas durante la tarea Flanker.
En este protocolo, se utilizó un parche EEG/fNIRS casero basado en la tapa EEG estándar para las grabaciones simultáneas de EEG y fNIRS. Los arreglos de optodes/electrodos con soporte se lograron mediante la colocación de optodos fNIRS fusionados en la tapa del EEG. Las adquisiciones simultáneas de datos EEG y fNIRS se llevaron a cabo con las mismas tareas de estímulo generadas por el software E-prime. Suponemos que los componentes ERP asociados con la tarea Flanker pueden mostrar una correlación significativa con las respuestas hemodinámicas en la corteza prefrontal. Mientras tanto, las grabaciones combinadas de ERP y fNIRS pueden extraer múltiples indicadores de señal para identificar los patrones de activación cerebral con mayor precisión. Para probar la hipótesis, la configuración fNIRS y la máquina EEG se integraron para revelar el complejo mecanismo de cognición neuronal correspondiente a la tarea Flanker relacionada con eventos.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, se realizaron grabaciones combinadas de EEG y fNIRS para examinar los patrones de activación cerebral que implican un paradigma Flanker relacionado con eventos mediante el registro de las señales neuronales de todo el cerebro y las respuestas hemodinámicas simultáneas de la corteza prefrontal. Los resultados de ERP mostraron que N200 en Fz fue capaz de distinguir significativamente las condiciones congruentes e incongruentes (P-0.037). Mientras tanto, las señales de HbO en SFC (canales 21) tambié…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo se llevó a cabo en parte en el clúster de computación de alto rendimiento (HPCC), que cuenta con el apoyo de la oficina de tecnología de la información y la comunicación (ICTO) de la Universidad de Macao. Este estudio fue apoyado por las becas MYRG2019-00082-FHS y MYRG 2018-00081-FHS de la Universidad de Macao en Macao, y también financiado por el Fondo de Desarrollo de Ciencia y Tecnología, Macao SAR (FDCT 0011/2018/A1 y FDCT 025/2015/A1).
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
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