Проведение одновременных электроэнцефалографии и функциональных записей спектроскопии ближнего инфракрасного спектроскопии с фланкерной задачей
Summary
В настоящем протоколе описывается, как выполнять сятворные записи ЭЭГ и FNIRS и как проверять взаимосвязь между данными ЭЭГ и FNIRS.
Abstract
Параллельные записи ЭЭГ и FNIRS дают прекрасную возможность получить полное представление о нейронном механизме когнитивной обработки путем проверки взаимосвязи между нейронными и гемодинамическими сигналами. ЭЭГ является электрофизиологической технологией, которая может измерять быструю нейронную активность коры, в то время как fNIRS опирается на гемодинамические реакции на вывод активации мозга. Сочетание ЭЭГ и fNIRS нейровизуализации методы могут определить больше возможностей и выявить больше информации, связанной с функционированием мозга. В этом протоколе были проведены слитые измерения ЭЭГ-ФНИРС для одновременной записи вызванных электрических потенциалов и гемодинамических реакций во время задачи Flanker. Кроме того, были представлены и подробно обсуждены важнейшие меры по созданию аппаратно-программной системы, а также процедуры сбора и анализа данных. Ожидается, что настоящий протокол может проложить новый путь для улучшения понимания нейронных механизмов, лежащих в основе различных когнитивных процессов с помощью сигналов ЭЭГ и FNIRS.
Introduction
Это исследование направлено на разработку рабочего протокола, чтобы выявить нейронную активацию шаблона, лежащего в основе задачи Flanker с помощью слитых ЭЭГ и fNIRS нейровизуализации методов. Интересно, что параллельные записи fNIRS-EEG позволяют проверить связь между гемодинамическими сигналами в префронтальной коре и различными связанными с событиями потенциальными (ERP) компонентами всего мозга, связанными с задачей Flanker.
Интеграция различных неинвазивных методов нейровизуализации, включая функциональную ближнеинжетную спектроскопию (фНИРС), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и функциональную магнитно-резонансную томографию (МРТ), имеет важное значение для улучшения понимания того, где и когда происходит обработка информации в головном мозге1,,2,,3. Кроме того, существует потенциал для объединения fNIRS и ЭЭГ для изучения взаимосвязи между локальной нейронной активностью и последующими изменениями в гемодинамических реакциях, в которых ЭЭГ и ФНИРС могут дополнять друг друга в выявлении нейронного механизма когнитивной функции мозга человека. fNIRS является сосудистой основе функциональной нейровизуализации техники, которая опирается на гемодинамические реакции на вывод активации мозга. fNIRS измеряет относительные оксигемоглобин (HbO) и дезоксигемоглобин (HbR) изменения концентрации в коре головного мозга, который играет важную роль в изучении когнитивной обработки3,4,5,6,7. Согласно нейрососудистому и нейрометаболическим механизму соединения8,изменение местной нервной активности, связанной с когнитивной обработкой, обычно сопровождается последующими изменениями в местном кровотоке и кислороде крови с задержкой 4-7 секунд. Показано, что нервно-сосудистое соединение, скорее всего, является преобразователем мощности, который интегрирует быструю динамику нейронной активности в сосудистый вход медленной гемодинамики9. В частности, fNIRS в основном используется для проверки нервно-сосудистой активности в лобной доле, особенно префронтальной коры, которая отвечает за высокие когнитивные функции, такие как исполнительные функции10,11,12, рассуждения и планирования13, принятие решений14, и социальное познание и моральное суждение15. Тем не менее, гемодинамические реакции, измеренные fNIRS, лишь косвенно фиксируют нейронную активность с низким временным разрешением, в то время как ЭЭГ может предложить временно тонкие и прямые показатели нейронной деятельности. Следовательно, сочетание записи ЭЭГ и FNIRS может определить больше возможностей и выявить больше информации, связанной с функционированием мозга.
Что еще более важно, мульти-модального приобретения ЭЭГ и fNIRS сигналы были проведены для проверки активации мозга, лежащих в основе различных когнитивных задач16,17,18,19,20,21,22 или мозг-компьютер интерфейс23,24. В частности, параллельные ERP (потенциал, связанный с событиями) и fNIRS были проведены на основе связанных с событиями слуховых чудаковпарадигмы 1, в котором fNIRS может определить гемодинамические изменения в фронтовременной коры через несколько секунд после появления компонента P300. Horovitz et al. также продемонстрировали одновременные измерения сигналов fNIRS и компонента P300 во время семантической задачи обработки25. Интересно, что предыдущие исследования, основанные на одновременных Записи ЭЭГ и FNIRS показали, что P300 во время чудаковатых стимулов продемонстрировали значительную корреляцию с сигналами fNIRS26. Было обнаружено, что мультимодальные меры имеют потенциал, чтобы выявить всеобъемлющий когнитивный нейронный механизм, основанный на парадигме26. Помимо задачи oddball, задача Flanker, связанная с компонентом ERP N200, также является важной парадигмой, которая может быть использована для исследования обнаружения и оценки когнитивных способностей со здоровым контролем и пациентами с различными расстройствами. В частности, N200 был отрицательным компонентом, который достигает 200-350 мс от передней cingulated коры лобной27 и выше височной коры28. Хотя предыдущие исследования изучали связь между превосходной лобной корой и альфа-колебанием в задаче Flanker29,корреляция между амплитудой N200 и гемодинамическими реакциями во время задачи Flanker не была изучена.
В этом протоколе для одновременных записей ЭЭГ/ФНИРС был использован самодельный патч ЭЭГ/ФНИРС на основе стандартного эЭГ-колпачка. Механизмы оптодов/электродов с поддержкой были достигнуты за счет размещения оперсов fNIRS, слитых в колпачок ЭЭГ. Одновременное приобретение данных ЭЭГ и FNIRS осуществлялось с теми же стимулами задач, генерируемых программным обеспечением E-prime. Мы предполагаем, что компоненты ERP, связанные с задачей Flanker, могут проявлять значительную корреляцию с гемодинамическими реакциями в префронтальной коре. Между тем, комбинированные записи ERP и fNIRS могут извлечь несколько сигнальных индикаторов для определения моделей активации мозга с повышенной точностью. Чтобы проверить гипотезу, установка fNIRS и эЭГ-машина были интегрированы, чтобы выявить сложный нейронный механизм познания, соответствующий задаче Flanker, связанной с событиями.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе были выполнены комбинированные записи ЭЭГ и FNIRS для изучения моделей активации мозга, связанных с парадигмой Фланкера, связанных с событиями, путем записи нейронных сигналов всего мозга и одновременных гемодинамических реакций префронтальной коры. Результаты ERP показ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично выполнена в высокопроизводительном вычислительном кластере (HPCC), который поддерживается Бюро информационно-коммуникационных технологий (ICTO) Университета Макао. Это исследование было поддержано MYRG2019-00082-FHS и MYRG 2018-00081-FHS гранты из Университета Макао в Макао, а также финансируется Фондом научно-технического развития, Макао SAR (FDCT 0011/2018/A1 и FDCT 025/2015/A1).
Materials
| EEG cap | EASYCAP GmbH | – | – |
| EEG system | BioSemi | – | – |
| fNIRS system | TechEn | – | CW6 System |
References
- 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. Neuroscience. 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).
