Genomföra samtidig elektroencefalografi och funktionell nära infraröd spektroskopi inspelningar med en Flanker Uppgift

Summary

Det aktuella protokollet beskriver hur man utför samtidiga EEG- och fNIRS-inspelningar och hur du inspekterar förhållandet mellan EEG- och fNIRS-data.

Abstract

Samtidig EEG och fNIRS inspelningar erbjuder ett utmärkt tillfälle att få en fullständig förståelse av den neurala mekanismen för kognitiv bearbetning genom att inspektera förhållandet mellan neurala och hemodynamiska signaler. EEG är en elektrofysiologisk teknik som kan mäta den snabba neuronala aktiviteten i cortex, medan fNIRS förlitar sig på hemodynamic svaren för att sluta hjärnaktivering. Kombinationen av EEG och fNIRS neuroimaging tekniker kan identifiera fler funktioner och avslöja mer information i samband med funktionen av hjärnan. I detta protokoll utfördes smält EEG-fNIRS mätningar för samtidiga inspelningar av framkallat-elektriska potentialer och hemodynamiska svar under en Flanker uppgift. Dessutom tillhandahölls och diskuterades de kritiska stegen för att konfigurera maskin- och programvarusystemet samt förfarandena för datainsamling och analys i detalj. Det förväntas att det nuvarande protokollet kan bana en ny väg för att förbättra förståelsen av de neurala mekanismer som ligger till grund för olika kognitiva processer med hjälp av EEG och fNIRS signaler.

Introduction

Denna studie syftar till att utveckla ett arbetsprotokoll för att avslöja neurala aktivering mönster bakom Flanker uppgift med hjälp av smält EEG och fNIRS neuroimaging tekniker. Intressant, den samtidiga fNIRS-EEG inspelningar möjliggör inspektion av förhållandet mellan hemodynamic signaler i prefrontala cortex och olika händelse-relaterade potentiella (ERP) komponenter i hela hjärnan i samband med Flanker uppgift.

Integrationen av olika noninvasive neuroimaging modaliteter inklusive funktionella nära infraröd spektroskopi (fNIRS), elektroencefalografi (EEG), och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) är avgörande för att förbättra förståelsen av var och när informationsbehandling sker i hjärnan^1,2,3. Dessutom finns det potential att kombinera fNIRS och EEG att undersöka förhållandet mellan lokal neural aktivitet och efterföljande förändringar i hemodynamic svar, där EEG och fNIRS kan vara kompletterande i att avslöja den neurala mekanismen för mänskliga hjärnan kognitiv funktion. fNIRS är en vaskulär-baserad funktionell neuroimaging teknik som bygger på hemodynamic svaren att sluta hjärnan aktivering. fNIRS mäter de relativa oxyhemoglobin (HbO) och deoxyhemoglobin (HbR) koncentrationsförändringar i hjärnbarken, som spelar en viktig roll i studien av kognitiv bearbetning^3,,4,5,,6,7. Enligt neurovaskulära och neurometabolic koppling mekanism⁸, förändringen av lokala neurala aktivitet i samband med kognitiv bearbetning åtföljs i allmänhet av efterföljande förändringar i det lokala blodflödet och blodsyre med en fördröjning på 4-7 sekunder. Det visas att den neurovaskulära kopplingen sannolikt är en effektgivare, som integrerar den snabba dynamiken i neural aktivitet i vaskulär inmatning av långsam hemodynamik⁹. Specifikt används fNIRS främst för att inspektera den neurovaskulära aktiviteten i frontalloben, särskilt den prefrontala cortex som är ansvarig för höga kognitiva funktioner, såsom verkställande funktioner^10,,11,12, resonemang och planering¹³, beslutsfattande¹⁴, och social kognition och moralisk bedömning¹⁵. Emellertid, de hemodynamiska svaren mätt med fNIRS endast indirekt fånga neurala aktiviteten med en låg tidsmässig upplösning, medan EEG kan erbjuda tidsmässigt fina och direkta åtgärder av neurala aktiviteter. Följaktligen kan kombinationen av EEG och fNIRS inspelning identifiera fler funktioner och avslöja mer information i samband med hjärnans funktion.

Ännu viktigare, multimodala förvärv av EEG och fNIRS signaler har genomförts för att inspektera hjärnan aktivering bakom olika kognitiva uppgifter^{16,17,18,19,20,21,,22} eller hjärna-dator gränssnitt^23,24. I synnerhet genomfördes samtidiga ERP (händelserelaterade potentiella) och fNIRS inspelningar baserat på händelserelaterade auditiva oddball paradigm¹, där fNIRS kan identifiera de hemodynamic förändringarna i frontotemporal cortex flera sekunder efter utseendet på P300 komponent. Horovitz et al. visade också samtidiga mätningar av fNIRS-signaler och P300-komponenten under en semantisk bearbetningsuppgift²⁵. Intressant, tidigare studier baserade på samtidig EEG och fNIRS inspelningar visade att P300 under oddball stimuli uppvisade en betydande korrelation med fNIRS signaler²⁶. Det upptäcktes att multimodala åtgärder har potential att avslöja den omfattande kognitiva neurala mekanismen baserad på händelserelaterade paradigm²⁶. Förutom oddball uppgiften, flanker uppgift i samband med ERP komponent N200 är också ett viktigt paradigm, som kan användas för undersökning av kognitiv förmåga upptäckt och utvärdering med friska kontroller och patienter med olika sjukdomar. Specifikt var N200 en negativ komponent som toppar 200-350 ms från den främre cingulated cortex frontal²⁷ och överlägsen temporal cortex²⁸. Även om tidigare studier undersökt förhållandet mellan den överlägsna främre hjärnbarken och alfa svängning i Flanker uppgift²⁹, sambandet mellan N200 amplitud och hemodynamic svar under Flanker uppgift har inte undersökts.

I detta protokoll, en hemmagjord EEG / fNIRS patch baserad på standard EEG mössa användes för samtidiga EEG och fNIRS inspelningar. Arrangemangen av optodes/elektroder med stöd uppnåddes genom placering av fNIRS optodes smält in i EEG locket. De samtidiga EEG- och fNIRS-datainsamlingarna utfördes med samma stimuliuppgifter som genererades av E-prime-programvaran. Vi tställa hypotesen att ERP komponenter som är associerade med Flanker uppgift kan uppvisa en betydande korrelation med hemodynamic svaren i prefrontala cortex. Under tiden kan de kombinerade ERP- och fNIRS-inspelningarna extrahera flera signalindikatorer för att identifiera hjärnans aktiveringsmönster med förbättrad noggrannhet. För att testa hypotesen integrerades fNIRS-installationen och EEG-maskinen för att avslöja den komplexa neurala kognitionsmekanismen som motsvarar den händelserelaterade Flanker-uppgiften.

Protocol

Före försöksproven undertecknade alla deltagare informerade samtyckesdokument. Protokollet för den aktuella studien godkändes av etikkommittén vid Universitetet i Macau. 1. Inställning för maskin- och programvara för samtidiga EEG- och fNIRS-inspelningar Konstruera ett huvudlock för samtidiga EEG-fNIRS-inspelningar. Välj lämplig takstorlek enligt deltagarnas huvudomkrets. I denna studie, använd ett medelstort lock eftersom det är lämpligt för de flesta ungdoma…

Representative Results

Figur 2 visar HbO-signalerna för alla kanaler medan figur 3 visar felen vid Fz och FCz för de två villkoren för Eror-uppgiften. Figure 4 illustrerade Pearson korrelation analysresultat visade att fNIRS signaler i SFC uppvisade en betydande korrelation med ERP N200 komponenten i Fz för inkongruent skick (P<0,05). Detta är dock inte fallet för kongruent villkor (P>0,05). <p class="jov…

Discussion

I detta protokoll utfördes kombinerade EEG och fNIRS inspelningar för att undersöka hjärnan aktivering mönster med en händelse-relaterade Flanker paradigm genom att registrera neurala signaler i hela hjärnan och samtidiga hemodynamic svar av prefrontala cortex. ERP-resultaten visade att N200 vid Fz avsevärt kunde skilja de kongruent och inkongruent förhållandena (P=0,037). Samtidigt uppvisade HbO-signalerna i SFC (kanaler 21) också en signifikant skillnad mellan kongruenta och inkongruenta förhållanden, som …

Materials

EEG cap	EASYCAP GmbH	–	–
EEG system	BioSemi	–	–
fNIRS system	TechEn	–	CW6 System