플랭커 태스크를 이용한 동시 전류 뇌파 및 기능적 근적외선 분광 기록 수행
Summary
본 프로토콜은 동시 EEG 및 fNIRS 기록을 수행하는 방법과 EEG 및 fNIRS 데이터 간의 관계를 검사하는 방법을 설명합니다.
Abstract
동시 EEG 및 fNIRS 기록은 신경 및 혈역학 신호 사이의 관계를 검사하여 인지 처리의 신경 메커니즘에 대한 완전한 이해를 얻을 수있는 좋은 기회를 제공합니다. EEG는 피질의 급속한 신경 활동을 측정할 수 있는 전기 생리학 기술인 반면, fNIRS는 뇌 활성화를 추론하기 위해 혈역학적 반응에 의존합니다. EEG와 fNIRS 신경 이미징 기술의 조합은 더 많은 기능을 식별하고 뇌의 기능과 관련된 더 많은 정보를 공개 할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 Flanker 작업 중에 EEG-fNIRS 측정이 동시 기록된 전기 전위 및 혈역학 적 반응을 위해 수행되었습니다. 또한 하드웨어 및 소프트웨어 시스템 설정에 대한 중요한 단계와 데이터 수집 및 분석 절차가 제공되고 자세히 논의되었습니다. 본 프로토콜은 EEG 및 fNIRS 신호를 사용하여 다양한 인지 과정의 근간을 이하는 신경 메커니즘의 이해를 개선하기 위한 새로운 길을 열 수 있습니다.
Introduction
이 연구는 융합된 EEG 및 fNIRS 신경 이미징 기술을 사용하여 Flanker 작업의 근간이 되는 신경 활성화 패턴을 밝히는 작동 프로토콜을 개발하는 것을 목표로 합니다. 흥미롭게도, 동시 fNIRS-EEG 기록은 전두엽 피질의 혈역학적 신호와 Flanker 작업과 관련된 전체 뇌의 다양한 이벤트 관련 전위(ERP) 성분 사이의 관계를 검사할 수 있게 한다.
기능적 근적외선 분광법(fNIRS), 뇌전도(EEG), 기능성 자기공명영상(fMRI)을 포함한 다양한 비침습적 신경영상양식의 통합은뇌에서정보처리가 일어나는 장소와 시기의 이해를 향상시키는 데 필수적이다1,2,,3. 추가적으로, FNIRS와 EEG를 결합하여 혈역학 반응에 있는 현지 신경 활동 그리고 연속적인 변경 사이 관계를 검토하기 위하여 잠재력이 있습니다, 있는 EEG와 fNIRS는 인간 두뇌 인지 기능의 신경 기계장치를 드러내는에서 상호 보완될 수 있습니다. fNIRS는 뇌 활성화를 추론하기 위해 혈역학적 반응에 의존하는 혈관 기반 기능성 신경 이미징 기술입니다. fNIRS는 대뇌 피질의 상대적인 옥시헤모글로빈(HbO) 및 데옥시헤모글로빈(HbR) 농도 변화를 측정하며, 이는 인지처리3,4,,5,,6,,7의연구에서 중요한 역할을 한다. 신경 혈관 및 신경 대사 결합 메커니즘8에따르면, 인지 처리와 관련된 국소 신경 활동의 변화는 일반적으로 4-7 초의 지연과 함께 국소 혈류 및 혈산소의 후속 변경을 수반한다. 신경 혈관 커플링은 느린 혈역학9의혈관 입력에 신경 활동의 빠른 역학을 통합하는 파워 트랜스듀서일 가능성이 있는 것으로 나타났다. 구체적으로, fNIRS는 주로 전두엽의 신경혈관 활성을 검사하는데 사용되며, 특히 집행기능10,,11,,12,추론 및 계획13,의사결정14,사회적 인식 및 도덕적판단(15)과같은 높은 인지 기능을 담당하는 전두엽 피질이다. 그러나 fNIRS에 의해 측정된 혈역학적 반응은 낮은 시간적 해상도로 신경 활동을 간접적으로 포착하는 반면, EEG는 신경 활동의 시간적으로 미세하고 직접적인 측정을 제공할 수 있습니다. 따라서, EEG와 fNIRS 기록의 조합은 더 많은 기능을 식별하고 뇌의 기능과 관련된 더 많은 정보를 공개 할 수 있습니다.
보다 중요한 것은, EEG 및 fNIRS 신호의 다중 모달 획득은 다양한 인지 작업16,,17,,18,,19,20, 21,,,22 또는 뇌-컴퓨터 인터페이스,23,,2124의기초가 되는 뇌 활성화를 검사하기 위해 수행되었다. 특히, 동시 ERP(이벤트 관련 전위) 및 fNIRS 기록은 P300 성분의 출현 후 몇 초 후 fNIRS가 전두측두피질의 혈역학적 변화를 식별할 수 있는 이벤트 관련 청각 홀수 패러다임1에기초하여 수행되었다. Horovitz 외. 또한 의미 처리 작업25동안 fNIRS 신호 및 P300 성분의 동시 측정을 입증했다. 흥미롭게도, 동시 EEG 및 fNIRS 기록에 기초한 이전 연구는 홀수 볼 자극 동안 P300이 fNIRS신호(26)와유의한 상관관계를 나타냈다는 것을 보여주었다. 다중 모달 측정은 이벤트 관련 패러다임26에기초한 포괄적인 인지 신경 메커니즘을 드러낼 가능성이 있다는 것을 발견했습니다. 이상한 작업 외에도 ERP 구성 요소 N200과 관련된 Flanker 작업은 건강한 제어 및 다양한 장애를 가진 환자와 인지 능력 탐지 및 평가의 조사에 사용할 수있는 중요한 패러다임입니다. 구체적으로, N200은 전방 cingulated 피질27 및 우수한 측두피질(28)으로부터 200-350 ms를 피크하는 음성 성분이었다.28 이전 연구는 플랭커 작업29에서우수한 전두엽 피질과 알파 진동 사이의 관계를 조사했지만, N200 진폭과 플랭커 작업 중 혈역학 반응 사이의 상관 관계는 탐구되지 않았습니다.
이 프로토콜에서는 표준 EEG 캡에 기초한 가정용 EEG/fNIRS 패치가 동시 EEG 및 fNIRS 기록용으로 활용되었다. 지원을 가진 광대/전극의 배열은 EEG 캡으로 융합된 fNIRS 광도의 배치를 통해 달성되었습니다. 동시 EEG 및 fNIRS 데이터 수집은 E-prime 소프트웨어에 의해 생성된 동일한 자극 작업으로 수행되었다. 우리는 Flanker 작업과 관련된 ERP 성분이 전두엽 피질의 혈역학 적 반응과 상당한 상관 관계를 나타낼 수 있다고 가설합니다. 한편, 결합 된 ERP및 fNIRS 기록은 향상된 정확도로 뇌 활성화 패턴을 식별하기 위해 여러 신호 지표를 추출 할 수 있습니다. 가설을 테스트하기 위해, fNIRS 설정 및 EEG 기계는 이벤트 관련 Flanker 작업에 대응하는 복잡한 신경 인식 메커니즘을 밝히기 위해 통합되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜에서, 결합된 EEG 및 fNIRS 기록은 전두엽 피질의 전체 뇌의 신경 신호 및 동시 혈역학 적 반응을 기록함으로써 이벤트 관련 Flanker 패러다임과 관련된 뇌 활성화 패턴을 조사하기 위해 수행되었다. ERP 결과는 Fz에서 N200이 합동 및 부조화 조건을 현저하게 구별할 수 있었다는 것을 보여주었다(P=0.037). 한편, SFC(채널 21)에서의 HbO 신호는 또한 플랭커 태스크와 관련된 뇌 인지 기능을 억제하는…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 마카오 대학의 정보 통신 기술 사무소 (ICTO)에 의해 지원되는 고성능 컴퓨팅 클러스터 (HPCC)에서 부분적으로 수행되었습니다. 이 연구는 마카오 마카오 대학의 MYRG2019-00082-FHS 및 MYRG 2018-00081-FHS 교부금에 의해 지원되었으며, 또한 과학 기술 개발 기금, 마카오 SAR (FDCT 0011/2018/A1 및 FDCT 025/2015/A1)에 의해 지원되었습니다.
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
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