Flanker Görevi ile Eşzamanlı Elektroensefalografi ve Fonksiyonel Yakın Kızılötesi Spektroskopi Kayıtlarının Yapılması
Summary
Bu protokol, eşzamanlı EEG ve fNIRS kayıtlarının nasıl gerçekleştirildirilebildiğini ve EEG ile fNIRS verileri arasındaki ilişkinin nasıl denetleniyi açıklamaktadır.
Abstract
Eşzamanlı EEG ve fNIRS kayıtları, nöral ve hemodinamik sinyaller arasındaki ilişkiyi inceleyerek bilişsel işlemenin sinirsel mekanizmasını tam olarak anlamak için mükemmel bir fırsat sunar. EEG korteksin hızlı nöronal aktivitesini ölçebilen elektrofizyolojik bir teknolojidir, oysa fNIRS beyin aktivasyonunu inferetmek için hemodinamik yanıtlara dayanır. EEG ve fNIRS nörogörüntüleme teknikleri kombinasyonu daha fazla özellikleri belirlemek ve beynin işleyişi ile ilgili daha fazla bilgi ortaya çıkarabilir. Bu protokolde, flanker görevi sırasında uyarılmış elektriksel potansiyellerin ve hemodinamik yanıtların eşzamanlı kayıtları için erimiş EEG-fNIRS ölçümleri yapılmıştır. Buna ek olarak, donanım ve yazılım sisteminin kurulmasına yönelik kritik adımlar ve veri toplama ve analiz prosedürleri ayrıntılı olarak sağlanmış ve tartışılmıştır. Mevcut protokolün EEG ve fNIRS sinyallerini kullanarak çeşitli bilişsel süreçlerin altında yatan nöral mekanizmaların anlaşılmasını iyileştirmek için yeni bir yol açabileceği beklenmektedir.
Introduction
Bu çalışma, erimiş EEG ve fNIRS nörogörüntüleme tekniklerini kullanarak Flanker görevinin altında yatan nöral aktivasyon modelini ortaya çıkarmak için bir çalışma protokolü geliştirmeyi amaçlamaktadır. İlginçtir, eşzamanlı fNIRS-EEG kayıtları prefrontal korteks ve flanker görevi ile ilişkili tüm beynin çeşitli olay ile ilgili potansiyel (ERP) bileşenleri hemodinamik sinyaller arasındaki ilişkinin incelenmesi için izin verir.
Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS), elektroensefalografi (EEG) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) dahil olmak üzere çeşitli noninvaziv nörogörüntüleme yöntemlerientegrasyonu nerede ve ne zaman bilgi işlemebeyindeyer alıyor anlayışını geliştirmek için esastır 1,2,3. Ayrıca, yerel nöral aktivite ve hemodinamik yanıtlarda sonraki değişiklikler arasındaki ilişkiyi incelemek için fNIRS ve EEG birleştirmek için potansiyel vardır, hangi EEG ve fNIRS insan beyninin bilişsel fonksiyonun nöral mekanizması nı ortaya tamamlayıcı olabilir. fNIRS beyin aktivasyonu çıkarım hemodinamik yanıtları dayanan bir vasküler tabanlı fonksiyonel nörogörüntüleme tekniğidir. fNIRS serebral kortekste göreceli oksihemoglobin (HbO) ve deoksihemoglobin (HbR) konsantrasyon değişiklikleri ölçer, bilişsel işleme çalışmalarında önemli bir rol oynar3,4,5,6,7. Nörovasküler ve nörometabolik kaplin mekanizmasına göre8, bilişsel işleme ile ilişkili lokal nöral aktivite değişikliği genellikle 4-7 saniye lik bir gecikme ile yerel kan akımı ve kan oksijen sonraki değişiklikler eşlik eder. Bu nörovasküler kaplin büyük olasılıkla bir güç dönüştürücü olduğu gösterilmiştir, hangi yavaş hemodinamik vasküler girişi içine nöral aktivitenin hızlı dinamikleri entegre9. Özellikle, fNIRS çoğunlukla frontal lob nörovasküler aktiviteyi incelemek için kullanılır, yüksek bilişsel işlevler sorumludur özellikle prefrontal korteks, gibi yürütme fonksiyonları10,11,12, muhakeme ve planlama13, karar verme14, ve sosyal biliş ve ahlaki yargı15. Ancak, fNIRS tarafından ölçülen hemodinamik yanıtlar sadece dolaylı olarak düşük zamansal çözünürlük ile nöral aktivite yakalamak, EEG nöral faaliyetlerin zamansal olarak ince ve doğrudan önlemler sunabilir ise. Sonuç olarak, EEG ve fNIRS kayıt kombinasyonu daha fazla özellik belirlemek ve beynin işleyişi ile ilgili daha fazla bilgi ortaya çıkarabilir.
Daha da önemlisi, EEG ve fNIRS sinyalleri multi-modal edinimi çeşitli bilişsel,görevler 16 ,17,18,,1919,20,21,22veya beyin-bilgisayar arayüzü23,24altında yatan beyin aktivasyonu incelemek için yapılmıştır .22 Özellikle, eşzamanlı ERP (olayile ilgili potansiyel) ve fNIRS kayıtları olayile ilgili işitsel1oddball paradigması 1 dayalı yapılmıştır , hangi fNIRS p300 bileşeninin ortaya çıkmasından birkaç saniye sonra frontotemporal kortekste hemodinamik değişiklikleri tespit edebilirsiniz. Horovitz ve ark. ayrıca bir semantik işleme görevi sırasında fNIRS sinyalleri ve P300 bileşeni nin eşzamanlı ölçümleri gösterdi25. İlginçtir, eşzamanlı EEG ve fNIRS kayıtlarına dayalı önceki çalışmalar, oddball uyaranları sırasında P300 fNIRS sinyalleri ile önemli bir korelasyon sergilediğini gösterdi26. Bu çok modal önlemler olay ile ilgili paradigma dayalı kapsamlı bilişsel sinirsel mekanizma ortaya çıkarmak için potansiyele sahip olduğu keşfedildi26. Tuhaf görevin yanı sıra, ERP bileşeni N200 ile ilişkili Flanker görevi de önemli bir paradigmadır, hangi bilişsel yetenek algılama ve sağlıklı kontroller ve çeşitli bozuklukları olan hastalar ile değerlendirme soruşturma için kullanılabilir. Özellikle, N200 ön sintiküllü korteks frontal27 ve üstün temporal korteks28200-350 ms zirveleri negatif bir bileşeni oldu. Önceki çalışmalarda Flanker görev29üstün frontal korteks ve alfa salınım arasındaki ilişki incelenmiş olmasına rağmen, Flanker görev sırasında N200 genlik ve hemodinamik yanıtları arasındaki korelasyon araştırılmış değil.
Bu protokolde eşzamanlı EEG ve fNIRS kayıtları için standart EEG kapağına dayalı ev yapımı EEG/fNIRS yaması kullanılmıştır. Optod/elektrotların destek le düzenlenmesi, EEG kapağına kaynaşmış fNIRS optodlarının yerleştirilmesi ile sağlanmıştır. Eşzamanlı EEG ve fNIRS veri alımları, E-prime yazılımı tarafından oluşturulan aynı uyaran görevleri ile gerçekleştirilmiştir. Flanker görevi ile ilişkili ERP bileşenlerinin prefrontal korteksteki hemodinamik yanıtlarla anlamlı bir korelasyon gösterebileceğini varsabiliyoruz. Bu arada, kombine ERP ve fNIRS kayıtları gelişmiş doğruluk ile beyin aktivasyon desenleri tanımlamak için birden fazla sinyal göstergeleri ayıklayabilirsiniz. Hipotezi test etmek için, fNIRS kurulumu ve EEG makinesi, olayla ilgili Flanker görevine karşılık gelen karmaşık nöral biliş mekanizmasını ortaya çıkarmak için entegre edildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde, tüm beynin nöral sinyallerini ve prefrontal korteksin eşzamanlı hemodinamik yanıtlarını kaydederek olaya bağlı flanker paradigmasını içeren beyin aktivasyon modellerini incelemek için kombine EEG ve fNIRS kayıtları yapılmıştır. ERP sonuçları, Fz’deki N200’in uyumlu ve uyumsuz koşulları önemli ölçüde ayırt edebildiğini göstermiştir (P=0.037). Bu arada, SFC HbO sinyalleri (kanal 21) da uyumlu ve uyumsuz koşullar arasında önemli bir fark sergiledi, hangi flanker görev ile il…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen, Macau Üniversitesi bilgi ve iletişim teknolojisi ofisi (ICTO) tarafından desteklenen yüksek performanslı bilgi işlem kümesinde (HPCC) gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma, Macau’daki Makao Üniversitesi’nden MYRG2019-00082-FHS ve MYRG 2018-00081-FHS hibeleri tarafından desteklenmiş ve Ayrıca Bilim ve Teknoloji Geliştirme Fonu, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 ve FDCT 025/2015/A1) tarafından finanse edilmiştir.
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
References
- Kennan, R. P., et al. Simultaneous recording of event-related auditory oddball response using transcranial near infrared optical topography and surface EEG. NeuroImage. 16 (3), 587-592 (2002).
- Horovitz, S. G., Gore, J. C. Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing. Human Brain Mapping. 22 (2), 110-115 (2004).
- Yuan, Z., Ye, J. Fusion of fNIRS and fMRI data: identifying when and where hemodynamic signals are changing in human brains. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 676 (2013).
- Lin, X., Sai, L., Yuan, Z. Detecting Concealed Information with Fused Electroencephalography and Functional Near-infrared Spectroscopy. Neurosciences. 386, 284-294 (2018).
- Ieong, H. F., Yuan, Z. Emotion recognition and its relation to prefrontal function and network in heroin plus nicotine dependence: a pilot study. Neurophotonics. 5 (02), 1 (2018).
- Hu, Z., et al. Optical Mapping of Brain Activation and Connectivity in Occipitotemporal Cortex During Chinese Character Recognition. Brain Topography. 31 (6), 1014-1028 (2018).
- Wang, M. -. Y., et al. Concurrent mapping of brain activation from multiple subjects during social interaction by hyperscanning: a mini-review. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 8 (8), 819-837 (2018).
- Scholkmann, F., et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage. 85, 6-27 (2014).
- Wan, X., et al. The neural basis of the hemodynamic response nonlinearity in human primary visual cortex: Implications for neurovascular coupling mechanism. NeuroImage. 32 (2), 616-625 (2006).
- Miller, E. K. The prefontral cortex and cognitive control. Nature Reviews Neuroscience. 1 (1), 59-65 (2000).
- Miller, E. K., Cohen, J. D. An integrative theory of prefrontal cortex function. Annual review of Neuroscience. 24 (1), 167-202 (2001).
- Mansouri, F. A., Tanaka, K., Buckley, M. J. Conflict-induced behavioural adjustment: a clue to the executive functions of the prefrontal cortex. Nature Reviews Neuroscience. 10 (2), 141-152 (2009).
- Wood, J. N., Grafman, J. Human prefrontal cortex: processing and representational perspectives. Nature Reviews Neuroscience. 4 (2), 139-147 (2003).
- Wallis, J. D. Orbitofrontal Cortex and Its Contribution to Decision-Making. Annual Review of Neuroscience. 30 (1), 31-56 (2007).
- Forbes, C. E., Grafman, J. The Role of the Human Prefrontal Cortex in Social Cognition and Moral Judgment. Annual Review of Neuroscience. 33 (1), 299-324 (2010).
- Nguyen, D. K., et al. Non-invasive continuous EEG-fNIRS recording of temporal lobe seizures. Epilepsy Research. 99 (1-2), 112-126 (2012).
- Peng, K., et al. fNIRS-EEG study of focal interictal epileptiform discharges. Epilepsy Research. 108 (3), 491-505 (2014).
- Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. Multisubject “learning” for mental workload classification using concurrent EEG, fNIRS, and physiological measures. Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).
- Aghajani, H., Garbey, M., Omurtag, A. Measuring mental workload with EEG+fNIRS. Frontiers in Human Neuroscience. 11, (2017).
- Balconi, M., Vanutelli, M. E. Hemodynamic (fNIRS) and EEG (N200) correlates of emotional inter-species interactions modulated by visual and auditory stimulation. Scientific Reports. 6, (2016).
- Donohue, S. E., Appelbaum, L. G., McKay, C. C., Woldorff, M. G. The neural dynamics of stimulus and response conflict processing as a function of response complexity and task demands. Neuropsychologia. 84, 14-28 (2016).
- Liu, Y., Ayaz, H., Shewokis, P. A. Mental workload classification with concurrent electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy. Brain-Computer Interfaces. 4 (3), 175-185 (2017).
- Fazli, S., et al. Enhanced performance by a hybrid NIRS-EEG brain computer interface. NeuroImage. 59 (1), 519-529 (2012).
- Putze, F., et al. Hybrid fNIRS-EEG based classification of auditory and visual perception processes. Frontiers in Neuroscience. 8, 373 (2014).
- Horovitz, S. G., Gore, J. C. Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing. Human Brain Mapping. 22 (2), 110-115 (2004).
- Lin, X., et al. Mapping the small-world properties of brain networks in Chinese to English simultaneous interpreting by using functional near-infrared spectroscopy. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 11 (03), 1840001 (2018).
- Folstein, J. R., Van Petten, C. Influence of cognitive control and mismatch on the N2 component of the ERP: A review. Psychophysiology. 45 (1), 152 (2008).
- Patel, S. H., Azzam, P. N. Characterization of N200 and P300: Selected studies of the Event-Related Potential. International Journal of Medical Sciences. 2 (4), 147-154 (2005).
- Suzuki, K., et al. The relationship between the superior frontal cortex and alpha oscillation in a flanker task: Simultaneous recording of electroencephalogram (EEG) and near infrared spectroscopy (NIRS). Neuroscience Research. 131, 30-35 (2018).
- Keles, H. O., Barbour, R. L., Omurtag, A. Hemodynamic correlates of spontaneous neural activity measured by human whole-head resting state EEG + fNIRS. NeuroImage. 138, 76-87 (2016).
- Eriksen, B. A., Eriksen, C. W. Effects of noise letters upon the identification of a target letter in a nonsearch task. Perception & Psychophysics. 16 (1), 143-149 (1974).
- Huppert, T. J., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Applied optics. 48 (10), 280-289 (2009).
- Kocsis, L., Herman, P., Eke, A. The modified Beer-Lambert law revisited. Physics in Medicine and Biology. 51 (5), (2006).
- Herold, F., Wiegel, P., Scholkmann, F., Müller, N. Applications of Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) Neuroimaging in Exercise-Cognition Science: A Systematic, Methodology-Focused Review. Journal of Clinical Medicine. 7 (12), 466 (2018).
- Duncan, A., et al. Optical pathlength measurements on adult head, calf and forearm and the head of the newborn infant using phase resolved optical spectroscopy. Physics in Medicine and Biology. 40 (2), 295-304 (1995).
- Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: A comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85, 181-191 (2014).
- Lopez-Calderon, J., Luck, S. J. ERPLAB: an open-source toolbox for the analysis of event-related potentials. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 213 (2014).
