Het uitvoeren van gelijktijdige elektro-encefalografie en functionele nabij-infrarood spectroscopie-opnamen met een flanker taak
Summary
Het huidige protocol beschrijft hoe gelijktijdige EEG- en fNIRS-opnamen moeten worden uitgevoerd en hoe de relatie tussen de EEG- en fNIRS-gegevens kan worden geinspecterd.
Abstract
Gelijktijdige EEG- en fNIRS-opnames bieden een uitstekende gelegenheid om een volledig begrip te krijgen van het neurale mechanisme van cognitieve verwerking door de relatie tussen de neurale en hemodynamische signalen te inspecteren. EEG is een elektrofysiologische technologie die de snelle neuronale activiteit van de cortex kan meten, terwijl fNIRS vertrouwt op de hemodynamische reacties op hersenactivering. De combinatie van EEG en fNIRS neuroimaging technieken kunnen identificeren meer functies en onthullen meer informatie in verband met de werking van de hersenen. In dit protocol werden gefuseerde EEG-fNIRS-metingen uitgevoerd voor gelijktijdige opnames van opgeroepen-elektrische potentialen en hemodynamische reacties tijdens een Flanker-taak. Daarnaast werden de cruciale stappen voor het opzetten van het hardware- en softwaresysteem en de procedures voor het verzamelen en analyseren van gegevens in detail gegeven en besproken. De verwachting is dat het huidige protocol een nieuwe weg kan effenen voor het verbeteren van het begrip van de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan verschillende cognitieve processen met behulp van de EEG- en fNIRS-signalen.
Introduction
Deze studie is gericht op het ontwikkelen van een werkend protocol om het neurale activeringspatroon te onthullen dat ten grondslag ligt aan de Flanker-taak met behulp van gesmolten EEG- en fNIRS-neuroimagingtechnieken. Interessant is dat de gelijktijdige fNIRS-EEG-opnames het mogelijk maken om de relatie tussen de hemodynamische signalen in de prefrontale cortex en verschillende gebeurtenisgerelateerde potentiële (ERP)-componenten van het hele brein in verband met de Flanker-taak te inspecteren.
De integratie van verschillende niet-invasieve neuroimaging modaliteiten, waaronder functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS), elektro-encefalografie (EEG), en functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) is essentieel om het begrip van waar en wanneer informatieverwerking plaatsvindt in de hersenen1,2,3te verbeteren. Daarnaast is er het potentieel om fNIRS en EEG te combineren om de relatie tussen lokale neurale activiteit en latere veranderingen in hemodynamische reacties te onderzoeken, waarbij EEG en fNIRS complementair kunnen zijn bij het onthullen van het neurale mechanisme van de cognitieve functie van de menselijke hersenen. fNIRS is een vasculaire functionele neuroimaging techniek die is gebaseerd op de hemodynamische reacties op afte leiden hersenactivatie. fNIRS meet de relatieve oxyhemoglobine (HbO) en deoxyhemoglobine (HbR) concentratieveranderingen in de hersenschors, die een belangrijke rol speelt in de studie van cognitieve verwerking3,4,5,6,7. Volgens het neurovasculaire en neurometabolische koppelingsmechanisme8gaat de verandering van lokale neurale activiteit in verband met cognitieve verwerking over het algemeen gepaard met latere veranderingen in de lokale bloedstroom en bloedzuurstof met een vertraging van 4-7 seconden. Het is aangetoond dat de neurovasculaire koppeling is waarschijnlijk een macht transducer, die de snelle dynamiek van neurale activiteit integreert in de vasculaire input van langzame hemodynamica9. Specifiek, fNIRS wordt meestal gebruikt voor de inspectie van de neurovasculaire activiteit in de frontale kwab, met name de prefrontale cortex die verantwoordelijk is voor hoge cognitieve functies, zoals uitvoerende functies10,11,12, redeneren en planning13, besluitvorming14, en sociale cognitie en moreel oordeel15. Echter, de hemodynamische reacties gemeten door fNIRS alleen indirect vangen de neurale activiteit met een lage temporele resolutie, terwijl EEG kan bieden tijdelijk fijne en directe maatregelen van neurale activiteiten. Bijgevolg kan de combinatie van EEG en fNIRS-opname meer functies identificeren en meer informatie onthullen die verband houdt met de werking van de hersenen.
Wat nog belangrijker is, de multimodale verwerving van EEG en fNIRS signalen is uitgevoerd om de hersenactivatie die ten grondslag liggen aan verschillende cognitieve taken16,17,,18,19,20,,21,,22 of brain-computer interface23,24te inspecteren . In het bijzonder werden gelijktijdige ERP -opnames (event-related potential) en fNIRS-opnames uitgevoerd op basis van het gebeurtenisgerelateerde auditieve oddball paradigma1, waarin fNIRS enkele seconden na het verschijnen van p300-component de hemodynamische veranderingen in de frontotemporale cortex kan identificeren. Horovitz et al. demonstreerden ook de gelijktijdige metingen van fNIRS-signalen en de P300-component tijdens een semantische verwerkingstaak25. Interessant is dat eerdere studies op basis van gelijktijdige EEG- en fNIRS-opnames toonden aan dat P300 tijdens oddballstimuli een significante correlatie vertoonde met fNIRS-signalen26. Het werd ontdekt dat de multi-modale maatregelen hebben het potentieel om de uitgebreide cognitieve neurale mechanisme op basis van de gebeurtenis-gerelateerde paradigma26onthullen. Naast de oddball taak, de Flanker taak in verband met ERP component N200 is ook een belangrijk paradigma, die kan worden gebruikt voor het onderzoek van cognitieve vermogen detectie en evaluatie met gezonde controles en patiënten met verschillende aandoeningen. Specifiek, N200 was een negatieve component die pieken 200-350 ms van de voorste cingulated cortex frontale27 en superieure temporele cortex28. Hoewel eerdere studies onderzocht de relatie tussen de superieure frontale cortex en alfa oscillatie in de Flanker taak29, de correlatie tussen de N200 amplitude en de hemodynamische reacties tijdens de Flanker taak is niet onderzocht.
In dit protocol werd een zelfgemaakte EEG/fNIRS patch op basis van standaard EEG cap gebruikt voor de gelijktijdige EEG en fNIRS opnames. De regelingen van optodes/elektroden met steun werden bereikt door de plaatsing van fNIRS optodes die in de EEG glb worden gesmolten. De gelijktijdige EEG- en fNIRS-data-acquisities werden uitgevoerd met dezelfde stimulitaken gegenereerd door E-prime software. We veronderstellen dat ERP-componenten in verband met de Flanker taak een significante correlatie kunnen vertonen met de hemodynamische reacties in de prefrontale cortex. Ondertussen kunnen de gecombineerde ERP- en fNIRS-opnames meerdere signaalindicatoren extraheren om de hersenactiveringspatronen met verbeterde nauwkeurigheid te identificeren. Om de hypothese te testen, werden de fNIRS setup en EEG machine geïntegreerd om het complexe neurale cognitiemechanisme te onthullen dat overeenkomt met de gebeurtenisgerelateerde Flankertaak.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol werden gecombineerde EEG- en fNIRS-opnames uitgevoerd om de hersenactiveringspatronen met een gebeurtenisgerelateerd flankerparadigma te onderzoeken door de neurale signalen van het hele brein en gelijktijdige hemodynamische reacties van de prefrontale cortex te registreren. Uit de ERP-resultaten bleek dat N200 bij Fz de congruente en incongruente omstandigheden aanzienlijk kon onderscheiden (P=0.037). Ondertussen vertoonden de HbO-signalen in SFC (kanalen 21) ook een significant verschil tussen de congru…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd op het high performance computing cluster (HPCC), dat wordt ondersteund door information and communication technology office (ICTO) van de Universiteit van Macau. Deze studie werd ondersteund door MYRG2019-00082-FHS en MYRG 2018-00081-FHS subsidies van de Universiteit van Macau in Macau, en ook gefinancierd door The Science and Technology Development Fund, Macau SAR (FDCT 0011/2018/A1 en FDCT 025/2015/A1).
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
Riferimenti
- 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. Neuroscienze. 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).
