Usando MazeSuite e Funcional espectroscopia no infravermelho próximo para o Estudo Aprendizagem em navegação espacial

Nosso objetivo nesta apresentação é duplo. Primeiro, para ilustrar o processo de design do protocolo experimental e o uso do pacote May e, segundo, para demonstrar a configuração e implantação do Sistema de Monitoramento de Atividade Cerebral FNIR. O conjunto de maio pode ser usado para projetar e editar ambientes 3D adaptados, bem como rastrear o desempenho comportamental do participante A.

Para demonstrá-los, uma subamostra de um estudo é relatada para mostrar como usar a suíte May e o FNIR em um único experimento. O estudo envolve a avaliação da atividade cognitiva do córtex pré-frontal lateral dorsal durante a aquisição e aprendizagem de tarefas de maça de computador para ordens de prática bloqueadas e aleatórias. FNIR É uma técnica de monitoramento óptico do cérebro que usa infravermelho próximo, como para rastrear mudanças nas respostas hemodinâmicas dentro do córtex.

O monitoramento não invasivo da hemodinâmica cerebral e da oxigenação foi demonstrado pela primeira vez por Job Ossy e colegas em 1977. Essa tecnologia permite o projeto de sistemas de monitoramento portáteis, seguros, acessíveis, não invasivos e minimamente intrusivos que podem ser usados para medir a atividade cerebral em ambientes naturais. Condições ambulatoriais e de campo próximas à luz infravermelha podem penetrar no tecido alguns centímetros dentro de 700 a 900 nanômetros.

Quando a luz entra no tecido, ela é absorvida ou espalhada. A absorção é devido à força cromogênica moléculas absorventes de luz, como hemoglobina e dispersão de água, ocorre na estrutura do tecido, como membranas e camadas celulares. Uma medição FNIR típica contém uma unidade de medida que possui fontes de luz e detectores.

Quando uma fonte de luz ativa a luz é introduzida sobre o couro cabeludo, penetra nele e viaja em todas as direções no tecido e perde intensidade à medida que viaja, parte da luz volta à superfície por causa do espalhamento sequencial múltiplo e é registrada pelo detector, os fótons que chegam ao detector realmente viajam através de um volume em forma de banana. As medições no detector fornecem informações sobre esse volume entre a fonte de luz e o detector. Casal chamado oid, a profundidade da penetração, ou seja, a curvatura da banana é função da distância entre a fonte de luz e o detector.

É por isso que a geometria do sensor FNIR é fundamental no projeto. Dependendo do tipo de medição da tarefa cognitiva e da medição do córtex pré-frontal, a separação optológica é geralmente de 2,5 centímetros a três centímetros. Neste estudo, utilizamos dispositivos FNIR modelo 1000.

Isso é baseado nos projetos de Chance e colegas na década de 1990 e desenvolvido no Laboratório de Imagens Cerebrais Ópticas da Universidade Drexel. Este instrumento não depende de fibras ou guias de luz para fazer a interface optos com a pele. Portanto, é mais fácil de configurar, mais confortável para sessões longas e menos propenso a artefatos de movimento.

No entanto, este sensor foi projetado especificamente para a detecção da ativação cortical do córtex pré-frontal lateral dorsal que está sob a testa e não pode ser usado em outras regiões da cabeça devido à interferência do cabelo. O sensor FNIR usado no estudo contém quatro diodos emissores de luz que emitem luz não coerente a 730 nanômetros e 850 nanômetros. Existem 10 detectores de fotos e LEDs brilhantes em ordem sequencial, além de usar detectores circundantes 16 locais de medição.

As caixas estão sendo amostradas em cada varredura. Isso inclui a medição da intensidade da luz de dois comprimentos de onda diferentes e também uma medição escura para a luz ambiente, totalizando três canais para cada local de medição, portanto, no total, há 48 canais gravados a partir da varredura. A almofada do sensor é colocada sobre a testa do lado do assunto.

Um deve estar à esquerda do sujeito e o lado dois. No lado direito do sujeito, o sensor deve ser colocado logo acima das sobrancelhas e deve ser centralizado verticalmente. A linha de simetria vertical imaginária passa pela linha média da testa e depois pelo nariz.

A linha central das almofadas do sensor coincide com a linha média da testa e do nariz. Uma vez que a almofada do sensor é posicionada, os cabos são puxados nos dois lados e conectados na parte de trás do cabeçote. Com o cabo preso com o clipe, é fundamental verificar se a almofada do sensor está devidamente acoplada à pele e se não há saliências ou espaços entre os optos e a pele.

Uma boa maneira de verificar o acoplamento adequado é aplicar um pouco de pressão sobre a almofada do sensor e sentir se o posicionamento muda com a pressão. Às vezes, uma faixa de cabeça, elástico e/ou pano firme, como uma faixa de tênis ou bandana, pode ser colocada sobre o sensor FNIR para garantir o acoplamento dos optos com a pele. Após a posição do sensor, os sinais em todos os canais devem ser verificados iniciando a aquisição de dados Primeiro, o sensor pad deve ser conectado à caixa de controle do hardware FNIR.

O dispositivo deve ser conectado ao computador por cabo USB e ambos os sistemas devem estar ligados. Em seguida, execute o Kobe Studio no computador clicando no atalho no painel esquerdo, clique no link iniciar o dispositivo atual. Se as configurações estiverem corretas, o painel de mensagens exibirá que o dispositivo foi iniciado e os gráficos exibirão os sinais recém-adquiridos.

Os níveis de sinal dependem das configurações de corrente e ganho do LED. Uma boa regra é ter esses parâmetros acima de 700 milivolts e abaixo de 4.000 milivolts. Além disso, os sinais devem ser estáveis.

Muita variação e picos podem indicar acoplamento inadequado do sensor ou problemas de conectividade de cabo ou hardware. Em alguns casos, um ou dois canais laterais, um e dois à esquerda e 15 e 16 à direita, podem ser colocados sobre o cabelo e seus valores de sinal são muito baixos. Você pode simplesmente continuar e eliminar esses canais mais tarde na análise.

Pode ser necessário ajustar as configurações com base em cada assunto, pois pode haver grandes diferenças individuais devido às diferentes propriedades ópticas de uma pele individual. Para alterar as configurações do dispositivo primeiro, clique em parar dispositivo atual. Em seguida, clique em propriedades do dispositivo no painel esquerdo.

Vá para a guia de configurações de aquisição de dados na caixa de diálogo. Se você quiser aumentar os valores do sinal primeiro, aumente o valor da corrente do LED. Um aumento no valor da corrente do LED significa que os LEDs brilharão mais.

Se você quiser graduar os níveis de sinal primeiro, diminua o ganho. O valor de ganho inicial é usado para todos os voxel. Depois de definir os valores, clique em salvar e em iniciar.

Dispositivo atual para iniciar a aquisição de dados com parâmetros recém-definidos, também é comum e útil usar marcadores para identificar certos eventos durante os experimentos. Existem dois tipos de marcadores, manuais e automáticos. Os marcadores manuais são gerados por cliques de botão na janela principal do K e são marcados e salvos com dados FNIR.

Os marcadores automáticos são recebidos de um dispositivo externo ou software de computador para receber marcadores automáticos enquanto o dispositivo está parado. Vá para as configurações do dispositivo localizadas no painel esquerdo e, na guia de configurações de sincronização, verifique os marcadores. A porta serial é um método sugerido para comunicação de marcadores.

Verifique se o número da porta serial está definido como um número de porta válido no computador. Em seguida, softwares de estímulo, como ePrime ou May Suite, podem ser enviados para enviar marcadores por valores que são recebidos, marcados e salvos junto com os dados FNIR neste computador. Os sinais FNIR brutos são sinais de séries temporais com intensidade de luz.

O ruído nos dados pode ser removido antes ou depois da conversão da luz bruta. Intensidade. Valores para valores de oxigenação os dados fisiologicamente irrelevantes, como respiração, pulsação cardíaca e ruído do equipamento, precisam ser eliminados das medições brutas de FNIR. O componente relacionado à frequência cardíaca geralmente tem um pico em torno ou acima de 0,5 hertz e a respiração está entre 0,2 hertz e 0,4 hertz para eliminar esses artefatos fisiológicos.

São usados filtros passa-baixo de resposta ao impulso finito e fase linear. Os sinais também podem ser corrompidos por artefatos de movimento. Quando as fontes de luz do sensor FNIR e/ou detectores deslizam de seu local original ou perdem contato com a pele devido ao movimento da cabeça, podem ocorrer explosões ou picos repentinos inesperados nas medições FNIR.

Além disso, se a fonte de luz perder o acoplamento com a pele, o detector pode registrar valores muito baixos, uma vez que nenhuma luz pode passar em sua direção, ou intensidades extremamente altas e saturação momentânea devido à luz refletida da superfície da pele. Efeitos de saturação semelhantes podem acontecer se o detector estourar e perder o contato com a pele. Fazer com que a luz ambiente vaze o movimento da cabeça pode causar alterações na pressão aplicada ao sensor ou às fontes de luz e detectores.

Essas mudanças podem permitir que mais fótons entrem no tecido, variando temporariamente a intensidade da luz detectada. Além de apenas inspecionar visualmente os dados em busca de possíveis artefatos de movimento, há um número crescente de algoritmos de detecção e remoção de artefatos de movimento para automatizar o processo e eliminar a subjetividade Os algoritmos de remoção de artefatos na literatura variam de filtros passa-baixa simples e de passagem VAM à análise de wavelets, desde a análise de componentes independentes ou principais até a filtragem ideal, como filtros adaptativos de wiener e cowman Sistemas de ondas contínuas. Os sinais brutos de FNIR são convertidos para as mudanças relativas de oxigenação usando a Lei de Lambert modificada da cerveja.

A densidade óptica em um comprimento de onda de entrada específico é a razão logarítmica da intensidade da luz de entrada e da intensidade da luz de saída OD também está relacionada à concentração e coeficiente de absorção da força cromo, a distância corrigida da fonte de luz e do detector mais um fator de atenuação constante com a mesma intensidade de luz de entrada em duas instâncias de tempo diferentes. A diferença no OD pode ser escrita em termos apenas de valores de intensidade de luz detectados. Normalmente, os dois comprimentos de onda escolhidos são um entre 700 a 900 nanômetros, onde a absorção de oxihemoglobina e desoxihemoglobina são dominantes em comparação com outros cromóforos de tecido e dois, um abaixo e outro acima do iso espástico, que é de aproximadamente 805 nanômetros, onde os espectros de absorção de desoxi e oxihemoglobina se cruzam.

Esta equação pode ser definida para resolver as concentrações se a matriz dois por dois não for significativa. Após alterações relativas da hemoglobina oxigenada e desoxigenada, os valores são calculados. O próximo passo é extrair recursos dependendo do protocolo experimental e da tarefa cognitiva usada.

A extração de recursos é mais comumente usada para reduzir a quantidade de dados e fazer comparações entre diferentes tarefas cognitivas, grupos de sujeitos e locais anatômicos usando análise estatística. As características comumente usadas envolvem o valor máximo mínimo médio ou médio da hemoglobina oxigenada e desoxigenada e o tempo de reação, que é o tempo decorrido até que o mínimo ou máximo seja atingido. Essas características podem ser extraídas dentro de uma resposta hemodinâmica evocada a certos estímulos cognitivos obtidos através do uso de paradigmas de ensaio único ou com época de dados ou bloco de dados correspondentes a certas condições implementadas por meio de desenhos e paradigmas de ensaios em bloco.

Suíte de maio Consiste em três componentes, cada um direcionado para um estágio específico do experimento. Design, experimentação e análise. O Maze Maker permite que o usuário projete facilmente um ambiente 3D para cada estágio do protocolo experimental.

Ambientes simples podem ser criados em instantes. Primeiro, defina a área do piso e, em seguida, use a ferramenta de parede para definir os limites do labirinto. Finalmente, coloque uma posição inicial do assunto e, em seguida, saia da área.

Depois de salvar, a ferramenta de execução rápida pode ser usada para testar imediatamente o ambiente. Ambientes mais complicados podem ser criados para atender aos requisitos de um projeto experimental específico. Os ambientes podem ser personalizados com a introdução de objetos interativos, controles de iluminação e texturização.

Usando o Maze List Builder Podem ser criados e salvos arquivos Mel que combinam combinações específicas de labirintos e mensagens do usuário para uso como procedimentos experimentais. A funcionalidade Masis pode ser usada para realizar os níveis específicos de design experimental, pode ser organizada com dificuldade crescente ou aleatória como um storyboard ou com níveis de controle versus experimentais. Testes individuais do experimento são executados através do uso do programa Maze Walker.

Alterar as configurações no Maze Walker permite que os usuários especifiquem ainda mais as condições do experimento. O controle pode ser alterado para aceitar entrada de diferentes dispositivos, incluindo teclado, mouse e joystick. Dispositivos externos podem se envolver em comunicação bidirecional com o Maze Walker, coletando informações ou desencadeando mudanças no ambiente.

A comunicação do dispositivo pode ser tratada por T-C-P-I-P ou cabo serial e pode interagir com uma ampla variedade de dispositivos, incluindo E-E-G-F-M-R-I e FNIR. Durante as sessões, mais Walker registrava o movimento do sujeito junto com quaisquer eventos que ocorressem durante a sessão. Com o programa Maze Analyzer, os arquivos MACE podem ser exibidos com um caminho de usuário gravado para revisão.

Diferentes caminhos podem ser sobrepostos para ajudar na análise e informações estatísticas sobre diferentes ensaios podem ser calculadas. Além disso, as informações coletadas podem ser exportadas para Excel ou MATLAB para processamento adicional. Nosso repertório cognitivo inclui uma ampla gama de funções e habilidades que podem ser acessadas por meio do uso de uma variedade de tarefas, incluindo navegação espacial virtual, labirintos, ativação cerebral, Os padrões no córtex frontal variam desde o desempenho inicial da nova tarefa após a prática e durante a retenção.

Usando o FNIR e focando no córtex pré-frontal, estamos capitalizando a função do PFC, especialmente a função executiva, a regulação da função cognitiva em ação, o uso do PFC durante tarefas de resolução de problemas e o uso de estruturas de nível superior, mantendo vários itens na memória de trabalho. A organização da prática ao aprender várias tarefas semelhantes é um fenômeno de aprendizagem chamado efeito de interferência contextual. Os efeitos da interferência contextual são evidentes quando os indivíduos adquirem várias tarefas em diferentes horários de prática.

Alta interferência contextual é criada quando as tarefas a serem aprendidas são apresentadas em uma ordem imprevisível não sequencial. A prática de bloqueio de baixa interferência contextual é criada quando as tarefas a serem aprendidas são apresentadas em uma ordem previsível. Cada um realizou 315 testes de aquisição, 105 testes de cada um dos três labirintos em três dias, segunda, quarta e sexta-feira.

Na segunda-feira seguinte, 72 horas após a aquisição, 30 tentativas de retenção e 20 de transferência foram realizadas em ordem aleatória. A atividade do PFC foi monitorada durante todas as fases para 16 opto sites. O uso de medidas dependentes de FNIR incluiu mudanças relativas na média de oxigenação, hemoglobina e medidas comportamentais de tempo total, caminho, comprimento e velocidade média para os labirintos.

Os resultados do comportamento mostram que, para ambas as ordens de prática, há uma tendência decrescente monotônica para o tempo do labirinto, o tempo total necessário para completar o labirinto sugerindo que, à medida que os participantes praticam, eles completaram o labirinto em períodos mais curtos de tempo, o que é esperado para avaliações comportamentais de aprendizagem. Além disso, a velocidade do labirinto, a velocidade média na qual os participantes navegam no labirinto, aumenta com a prática. Novamente, espera-se uma melhoria nas medidas comportamentais ao longo do tempo como inferências de aprendizado para esses resultados.

Há uma comparação lado a lado da prática aleatória versus bloco para cada tarefa de transferência para a tarefa de transferência mais fácil. A prática de quatro blocos de maio superou a prática aleatória. No entanto, para a tarefa de transferência mais difícil, labirinto cinco, a prática aleatória foi superior à média de bloqueio oxigenada.

As alterações na concentração de hemoglobina durante os testes práticos indicam que a ordem bloqueada exigiu maior ativação cerebral em comparação com a ordem aleatória. Além disso, ao comparar dentro de uma ordem de prática para o aprendizado de ordem bloqueada, uma nova tarefa, como na fase de transferência, exigia maior ativação cerebral. Dado que a ordem prática era diferente para as tarefas já aprendidas.

Para o participante que aprendeu a tarefa em uma ordem bloqueada, essa ordem de prática aleatória estratificada pode ter sido suficientemente nova para exigir esforço adicional e recursos cognitivos para realizar a tarefa. Além disso, para a ordem de prática aleatória, a fase de transferência da ativação neural não foi maior do que a fase de retenção. Em conclusão, este estudo exploratório demonstrou o uso de May suite e FNIR para estudar aspectos neurocomportamentais da aprendizagem em navegação espacial.

O May Suite permite o design e a aplicação de ambientes 3D simples com uma interface gráfica amigável e registra automaticamente medidas comportamentais para comparações dentro do assunto ou entre assuntos. O FNIR é uma ferramenta de monitoramento cerebral portátil, segura e não invasiva que tem sido usada em laboratórios clínicos e ambientes naturais para estudar a ativação cerebral. Esperamos que esta apresentação tenha sido útil para explicar essas ferramentas.

Boa sorte com seus experimentos.