Udførelse af samtidig elektroencefalografi og funktionelle nær-infrarøde spektroskopi optagelser med en Flanker opgave

Summary

Denne protokol beskriver, hvordan man udfører samtidige EEG- og fNIRS-optagelser, og hvordan man inspicerer forholdet mellem EEG- og fNIRS-dataene.

Abstract

Samtidige EEG og fNIRS optagelser giver en glimrende mulighed for at få en fuld forståelse af den neurale mekanisme af kognitiv behandling ved at inspicere forholdet mellem neurale og hæmodynamiske signaler. EEG er en elektrofysiologisk teknologi, der kan måle cortex’s hurtige neuronalaktivitet, mens fNIRS er afhængig af de hæmodynamiske reaktioner på udledt hjerneaktivering. Kombinationen af EEG og fNIRS neuroimaging teknikker kan identificere flere funktioner og afsløre flere oplysninger i forbindelse med hjernens funktion. I denne protokol blev der udført sammensmeltede EEG-fNIRS-målinger for samtidige optagelser af fremkaldte elektriske potentialer og hæmodynamiske reaktioner under en Flanker-opgave. Desuden blev de kritiske trin til opsætning af hardware- og softwaresystemet samt procedurerne for dataindsamling og -analyse fremlagt og drøftet i detaljer. Det forventes, at den nuværende protokol kan bane en ny vej for at forbedre forståelsen af de neurale mekanismer, der ligger til grund for forskellige kognitive processer ved hjælp af EEG og fNIRS signaler.

Introduction

Denne undersøgelse har til formål at udvikle en arbejdsgruppe protokol til at afsløre neurale aktivering mønster underliggende Flanker opgave ved hjælp af sammensmeltede EEG og fNIRS neuroimaging teknikker. Interessant, de samtidige fNIRS-EEG optagelser giver mulighed for inspektion af forholdet mellem de hæmodynamiske signaler i den præfrontale cortex og forskellige event-relaterede potentielle (ERP) komponenter af hele hjernen er forbundet med Flanker opgave.

Integrationen af forskellige noninvasive neuroimaging modaliteter, herunder funktionelle nær-infrarødspektroskopi (fNIRS), elektroencefalografi (EEG), og funktionelle magnetisk resonans imaging (fMRI) er afgørende for at forbedre forståelsen af, hvor og hvornår informationsbehandling finder sted i hjernen^1,2,3. Derudover er der potentiale til at kombinere fNIRS og EEG at undersøge forholdet mellem lokale neurale aktivitet og efterfølgende ændringer i hæmodynamiske reaktioner, hvor EEG og fNIRS kan være komplementære i at afsløre neurale mekanisme af den menneskelige hjerne kognitive funktion. fNIRS er en vaskulær-baseret funktionel neuroimaging teknik, der bygger på hæmodynamiske reaktioner på udlede hjernen aktivering. fNIRS måler de relative oxyhemoglobin (HbO) og deoxyhemoglobin (HbR) koncentrationsændringer i hjernebarken, som spiller en vigtig rolle i studiet af kognitiv behandling^3,4,5,6,7. Ifølge den neurovaskulære og neurometaboliske kobling mekanisme⁸, ændringen af lokale neurale aktivitet forbundet med kognitiv behandling er generelt ledsaget af efterfølgende ændringer i den lokale blodgennemstrømning og blod ilt med en forsinkelse på 4-7 sekunder. Det er vist, at den neurovaskulære kobling sandsynligvis er en magt transducer, som integrerer den hurtige dynamik neurale aktivitet i vaskulære input af langsom hæmodynamik⁹. Specifikt, fNIRS er for det meste bruges til at inspicere den neurovaskulære aktivitet i frontallappen, især den præfrontale cortex, der er ansvarlig for høje kognitive funktioner, såsom udøvende funktioner^10,,11,12, ræsonnement og planlægning¹³, beslutningstagning¹⁴, og social kognition og moralsk dom¹⁵. Men de hæmodynamiske reaktioner målt ved fNIRS kun indirekte fange neurale aktivitet med en lav tidsmæssig opløsning, mens EEG kan tilbyde tidsmæssigt fine og direkte foranstaltninger af neurale aktiviteter. Derfor kan kombinationen af EEG og fNIRS optagelse identificere flere funktioner og afsløre flere oplysninger i forbindelse med hjernens funktion.

Endnu vigtigere er det, at multimodal erhvervelse af EEG- og fNIRS-signaler er blevet gennemført for at inspicere den hjerneaktivering^,der ligger til grund for forskellige kognitive opgaver¹⁶,^{17,18,19,20,21,22} eller hjerne-computer interface^23,24. Især samtidige ERP (event-relaterede potentiale) og fNIRS optagelser blev udført baseret på den begivenhed-relaterede auditive særling paradigme¹, hvor fNIRS kan identificere de hæmodynamiske ændringer i frontotemporal cortex flere sekunder efter fremkomsten af P300 komponent. Horovitz et al. demonstrerede også de samtidige målinger af fNIRS-signaler og P300-komponenten under en semantisk behandlingsopgave²⁵. Interessant, tidligere undersøgelser baseret på samtidige EEG og fNIRS optagelser viste, at P300 under særling stimuli udstillet en betydelig sammenhæng med fNIRS signaler²⁶. Det blev opdaget, at de multi-modale foranstaltninger har potentiale til at afsløre den omfattende kognitive neurale mekanisme baseret på den begivenhed-relaterede paradigme²⁶. Ud over den særling opgave, flanker opgave forbundet med ERP komponent N200 er også et vigtigt paradigme, som kan bruges til undersøgelse af kognitive evner afsløring og evaluering med sunde kontroller og patienter med forskellige lidelser. Specifikt, N200 var en negativ komponent, toppe 200-350 ms fra den forreste cinguleret cortex frontal²⁷ og overlegen tidsmæssig cortex²⁸. Selv om tidligere undersøgelser undersøgt forholdet mellem den overlegne frontal cortex og alfa svingninger i Flanker opgave²⁹, sammenhængen mellem N200 amplitude og hæmodynamiske svar under Flanker opgaven er ikke blevet undersøgt.

I denne protokol blev en hjemmelavet EEG/fNIRS patch baseret på standard EEG cap udnyttet til de samtidige EEG- og fNIRS-optagelser. Arrangementerne af optoder/elektroder med støtte blev opnået ved placering af fNIRS optoder smeltet sammen i EEG-hætten. De samtidige EEG- og fNIRS-dataopkøb blev udført med de samme stimuli-opgaver, der blev genereret af E-prime-software. Vi antager, at ERP-komponenter, der er forbundet med Flanker-opgaven, kan udvise en signifikant korrelation med de hæmodynamiske reaktioner i den præfrontale cortex. I mellemtiden kan de kombinerede ERP- og fNIRS-optagelser udtrække flere signalindikatorer for at identificere hjernens aktiveringsmønstre med forbedret nøjagtighed. For at teste hypotesen blev fNIRS-opsætningen og EEG-maskinen integreret for at afsløre den komplekse neurale kognitionsmekanisme, der svarer til den hændelsesrelaterede Flanker-opgave.

Protocol

Forud for forsøgstestene underskrev alle deltagere dokumenter med informeret samtykke. Protokollen for denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité ved Universitetet i Macau. 1. Hardware- og softwareindstilling for samtidige EEG- og fNIRS-optagelser Konstruere et hoved loft for samtidige EEG-fNIRS optagelser. Vælg den passende hættestørrelse i henhold til deltagernes hovedomkreds. I denne undersøgelse, bruge en mellemstor cap, da det er egnet til de fleste ung…

Representative Results

Figur 2 viser HbO-signalerne for alle kanaler, mens figur 3 viser ERPs i Fz og FCz for de to betingelser for Flanker-opgaven. Figure 4 illustrerede Pearsons korrelationsanalyseresultater viste, at fNIRS-signalerne i SFC udviste en signifikant korrelation med ERP N200-komponenten ved Fz for den inkongruente tilstand (P<0.05). Dette er dog ikke tilfældet for de kongruente betingelser (P>0,05).<…

Discussion

I denne protokol blev kombinerede EEG- og fNIRS-optagelser udført for at undersøge hjernens aktiveringsmønstre, der involverede et hændelsesrelateret Flanker-paradigme ved at registrere de neurale signaler fra hele hjernen og samtidige hæmodynamiske reaktioner fra den præfrontale cortex. ERP-resultaterne viste, at N200 ved Fz var i stand til i væsentlig grad at skelne mellem de kongruente og inkongruente forhold (P=0,037). I mellemtiden, HbO signaler i SFC (kanal 21) også udstillet en betydelig forskel mellem de …

Materials

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