Condurre l'elettroencefalografia simultanea e le registrazioni della spettroscopia funzionale vicino all'infrarosso con un compito Flanker

Summary

Il protocollo attuale descrive come eseguire registrazioni EEG e fNIRS simultanee e come controllare la relazione tra i dati EEG e fNIRS.

Abstract

Le registrazioni EEG e fNIRS simultanee offrono un’ottima opportunità per ottenere una piena comprensione del meccanismo neurale dell’elaborazione cognitiva controllando la relazione tra i segnali neurali ed emodinamici. EEG è una tecnologia elettrofisiologica in grado di misurare la rapida attività neuronale della corteccia, mentre fNIRS si basa sulle risposte emodinamiche per dedurre l’attivazione cerebrale. La combinazione di tecniche di neuroimaging EEG e fNIRS può identificare più caratteristiche e rivelare più informazioni associate al funzionamento del cervello. In questo protocollo, sono state eseguite misurazioni EEG-fNIRS fuse per registrazioni simultanee di potenziali elettrici evocati e risposte emodinamiche durante un’attività Flanker. Inoltre, sono stati forniti e discussi in dettaglio i passaggi critici per la configurazione del sistema hardware e software, nonché le procedure per l’acquisizione e l’analisi dei dati. Si prevede che l’attuale protocollo possa aprire una nuova strada per migliorare la comprensione dei meccanismi neurali alla base di vari processi cognitivi utilizzando i segnali EEG e fNIRS.

Introduction

Questo studio mira a sviluppare un protocollo di lavoro per rivelare il modello di attivazione neurale alla base del compito Flanker utilizzando tecniche di neuroimaging FLEE e fNIRS fuse. È interessante notare che le registrazioni fNIRS-EEG simultanee consentono l’ispezione della relazione tra i segnali emodinamici nella corteccia prefrontale e vari componenti potenziali legati agli eventi (ERP) dell’intero cervello associati al compito Flanker.

L’integrazione di varie modalità di neuroimaging non invasivo, tra cui la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), l’elettroencefalografia (EEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è essenziale per migliorare la comprensione di dove e quando l’elaborazione delle informazioni avviene nel cervello^1,2,3. Inoltre, c’è il potenziale per combinare fNIRS ed EEG per esaminare la relazione tra l’attività neurale locale e i successivi cambiamenti nelle risposte emodinamiche, in cui EEG e fNIRS possono essere complementari nel rivelare il meccanismo neurale della funzione cognitiva del cervello umano. fNIRS è una tecnica di neuroimaging funzionale basata su vascolare che si basa sulle risposte emodinamiche per dedurre l’attivazione del cervello. fNIRS misura i relativi cambiamenti di concentrazione di ossiemoglobina (HbO) e deoxyhemoglobina (HbR) nella corteccia cerebrale, che svolge un ruolo importante nello studio dell’elaborazione cognitiva^3,4,5,6^,7.⁷ Secondo il meccanismo di accoppiamento neurovascolare e neurometabolico⁸, il cambiamento dell’attività neurale locale associata all’elaborazione cognitiva è generalmente accompagnato da successive alterazioni del flusso sanguigno locale e dell’ossigeno nel sangue con un ritardo di 4-7 secondi. È dimostrato che l’accoppiamento neurovascolare è probabilmente un trasduttore di potenza, che integra la dinamica veloce dell’attività neurale nell’input vascolare dell’emodinamica lenta⁹. In particolare, fNIRS è utilizzato principalmente per ispezionare l’attività neurovascolare nel lobo frontale, in particolare la corteccia prefrontale che è responsabile di alte funzioni cognitive, come le funzioni esecutive^10,11,12, ragionamento e pianificazione¹³, processo decisionale¹⁴, e cognizione sociale e giudizio morale¹⁵. Tuttavia, le risposte emodinamiche misurate da fNIRS catturano solo indirettamente l’attività neurale con una bassa risoluzione temporale, mentre EEG può offrire misure temporali fini e dirette delle attività neurali. Di conseguenza, la combinazione di EEG e registrazione fNIRS può identificare più caratteristiche e rivelare più informazioni associate al funzionamento del cervello.

Ancora più importante, l’acquisizione multimodale dei segnali EEG e fNIRS è stata condotta per ispezionare l’attivazione del cervello alla base di varie attività cognitive^{16,17,18,19,20,21,22} o interfaccia cervello-computer^23,24. In particolare, le registrazioni eRP simultanee (potenziale correlato agli eventi) e fNIRS sono state effettuate in base al paradigma di oddball uditiva relativo agli eventi¹, in cui fNIRS può identificare i cambiamenti emodinamici nella corteccia frontotemporale alcuni secondi dopo la comparsa del componente P300. Horovitz et al. ha anche dimostrato le misurazioni simultanee dei segnali fNIRS e del componente P300 durante un’attività di elaborazione semantica²⁵. È interessante notare che studi precedenti basati su registrazioni simultanee di EEG e fNIRS hanno mostrato che P300 durante gli stimoli oddball mostrava una correlazione significativa con i segnali fNIRS²⁶. Si è scoperto che le misure multimodali hanno il potenziale per rivelare il meccanismo neurale cognitivo completo basato sul paradigma correlato all’evento²⁶. Oltre al compito di oddball, il compito Flanker associato al componente ERP N200 è anche un paradigma importante, che può essere utilizzato per lo studio del rilevamento cognitivo delle capacità e della valutazione con controlli sani e pazienti con vari disturbi. In particolare, N200 era un componente negativo che raggiungeva i picchi di 200-350 ms dalla corteccia frontale cingulata^{anteriore 27} e dalla corteccia temporale superiore^28. Anche se studi precedenti hanno esaminato la relazione tra la corteccia frontale superiore e l’oscillazione alfa nell’attività Flanker²⁹, la correlazione tra l’ampiezza N200 e le risposte emodinamiche durante il compito Flanker non è stata esplorata.

In questo protocollo, è stata utilizzata una patch EEG/fNIRS fatta in casa basata sul tappo EEG standard per le registrazioni EEG e fNIRS simultanee. Le disposizioni degli optodi/elettrodi con supporto sono state ottenute attraverso il posizionamento di optodi fNIRS fusi nel tappo EEG. Le acquisizioni simultanee di dati EEG e fNIRS sono state effettuate con gli stessi compiti di stimolo generati dal software E-prime. Ipotizziamo che i componenti ERP associati all’attività Flanker possano mostrare una correlazione significativa con le risposte emodinamiche nella corteccia prefrontale. Nel frattempo, le registrazioni combinate Di ERP e fNIRS possono estrarre più indicatori di segnale per identificare i modelli di attivazione del cervello con una maggiore precisione. Per testare l’ipotesi, la configurazione fNIRS e la macchina EEG sono state integrate per rivelare il complesso meccanismo di cognizione neurale corrispondente all’attività Flanker relativa all’evento.

Protocol

Prima dei test sperimentali, tutti i partecipanti hanno firmato documenti di consenso informato. Il protocollo per il presente studio è stato approvato dal Comitato Etico dell’Università di Macao. 1. Impostazione hardware e software per le registrazioni EEG e fNIRS simultanee Costruire un tappo di testa per le registrazioni EEG-fNIRS simultanee. Selezionare la dimensione del tappo appropriata in base alla circonferenza della testa dei partecipanti. In questo studio, utilizz…

Representative Results

Figura 2 Mostra i segnali HbO per tutti i canali, mentre Figura 3 visualizza gli ERP a Fz e FCz per le due condizioni dell’attività Flanker. Figure 4 ha illustrato i risultati dell’analisi di correlazione di Pearson ha mostrato che i segnali fNIRS in SFC hanno mostrato una correlazione significativa con il componente ERP N200 di Fz per la condizione incongruente (P<0.05). Tuttavia, questo non è il ca…

Discussion

In questo protocollo, sono state eseguite registrazioni combinate Di EEG e fNIRS per esaminare i modelli di attivazione del cervello che coinvolgono un paradigma Flanker relativo agli eventi registrando i segnali neurali dell’intero cervello e le risposte emodinamiche simultanee della corteccia prefrontale. I risultati dell’ERP hanno mostrato che N200 a Fz era in grado di distinguere in modo significativo le condizioni congruenti e incongruenti (P-0.037). Nel frattempo, i segnali HbO in SFC (canali 21) hanno anche mostra…

Materials

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