Gjennomføre samtidig elektroencefalografi og funksjonelle nær-infrarødspektroskopiopptak med en flanker oppgave

Summary

Den nåværende protokollen beskriver hvordan du utfører samtidige EEG- og fNIRS-opptak og hvordan man inspiserer forholdet mellom EEG- og fNIRS-dataene.

Abstract

Samtidige EEG- og fNIRS-opptak gir en utmerket mulighet til å få en full forståelse av den nevrale mekanismen for kognitiv behandling ved å inspisere forholdet mellom nevrale og hemodynamiske signaler. EEG er en elektrofysiologisk teknologi som kan måle den raske nevronale aktiviteten til cortex, mens fNIRS er avhengig av de hemodynamiske responsene på infer hjerneaktivering. Kombinasjonen av EEG og fNIRS neuroimaging teknikker kan identifisere flere funksjoner og avsløre mer informasjon knyttet til hjernens funksjon. I denne protokollen ble det utført sammensmeltede EEG-fNIRS-målinger for samtidige opptak av fremkalt-elektriske potensialer og hemodynamiske svar under en Flanker-oppgave. I tillegg ble de kritiske trinnene for å sette opp maskinvare- og programvaresystemet samt prosedyrene for datainnsamling og analyse gitt og diskutert i detalj. Det forventes at den nåværende protokollen kan bane en ny vei for å forbedre forståelsen av nevrale mekanismer underliggende ulike kognitive prosesser ved hjelp av EEG og fNIRS signaler.

Introduction

Denne studien tar sikte på å utvikle en arbeidsprotokoll for å avsløre det nevrale aktiveringsmønsteret som ligger til grunn for Flanker-oppgaven ved hjelp av smeltede EEG- og fNIRS-neuroimaging-teknikker. Interessant, samtidige fNIRS-EEG-opptak tillater inspeksjon av forholdet mellom de hemodynamiske signalene i prefrontal cortex og ulike hendelsesrelaterte potensielle (ERP) komponenter i hele hjernen forbundet med Flanker oppgaven.

Integreringen av ulike ikke-invasive neuroimaging modaliteter, inkludert funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), elektroencefalografi (EEG), og funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er avgjørende for å forbedre forståelsen av hvor og når informasjonsbehandling finner sted i hjernen^1,2,3. I tillegg er det potensial til å kombinere fNIRS og EEG for å undersøke forholdet mellom lokal nevrale aktivitet og påfølgende endringer i hemodynamiske svar, der EEG og fNIRS kan være komplementære i å avsløre den nevrale mekanismen for human hjernekognitiv funksjon. fNIRS er en vaskulær-basert funksjonell neuroimaging teknikk som er avhengig av hemodynamiske svar på utlede hjerneaktivering. fNIRS måler de relative oksyhemoglobin (HbO) og deoxyhemoglobin (HbR) konsentrasjonsendringer i hjernebarken, som spiller en viktig rolle i studien av kognitiv behandling^3,4,5,6,7. Ifølge den nevrovaskulære og nevrometabolske koblingsmekanismen⁸, er endringen av lokal nevrale aktivitet forbundet med kognitiv behandling generelt ledsaget av påfølgende endringer i den lokale blodstrømmen og blodoksygen med en forsinkelse på 4-7 sekunder. Det er vist at den nevrovaskulære koblingen sannsynligvis er en krafttransduser, som integrerer den raske dynamikken i nevrale aktivitet i vaskulær inngang av langsom hemodynamikk⁹. Spesielt er fNIRS mest brukt til å inspisere den nevrovaskulære aktiviteten i frontallappen, spesielt prefrontal cortex som er ansvarlig for høye kognitive funksjoner, for eksempel utøvende funksjoner^10,11,12, resonnement og planlegging¹³, beslutningstaking¹⁴, og sosial kognisjon og moralsk dom¹⁵. Imidlertid fanger de hemodynamiske svarene målt av fNIRS bare indirekte nevrale aktiviteten med lav temporal oppløsning, mens EEG kan tilby tidsmessig fine og direkte tiltak for nevrale aktiviteter. Følgelig kan kombinasjonen av EEG- og fNIRS-opptak identifisere flere funksjoner og avsløre mer informasjon knyttet til hjernens funksjon.

Enda viktigere, multi-modal oppkjøpav EEG og fNIRS signaler har blitt utført for å inspisere hjernen aktivering underliggende ulike kognitive oppgaver^{16,,17,18,19,20,21,22} eller hjernen-datamaskin grensesnitt^23,24. Spesielt samtidige ERP (hendelsesrelatert potensial) og fNIRS-opptak ble utført basert på det hendelsesrelaterte auditive oddballparadigmet¹, der fNIRS kan identifisere de hemodynamiske endringene i frontotemporal cortex flere sekunder etter utseendet på P300-komponenten. Horovitz et al. demonstrerte også samtidige målinger av fNIRS-signaler og P300-komponenten under en semantisk behandlingsoppgave²⁵. Interessant, tidligere studier basert på samtidige EEG og fNIRS opptak viste at P300 under oddball stimuli viste en betydelig korrelasjon med fNIRS signaler²⁶. Det ble oppdaget at de multi-modale tiltakene har potensial til å avsløre den omfattende kognitive nevrale mekanismen basert på det hendelsesrelaterte paradigmet²⁶. I tillegg til oddball oppgaven, flanker oppgave forbundet med ERP komponent N200 er også et viktig paradigme, som kan brukes til undersøkelse av kognitiv evne deteksjon og evaluering med sunne kontroller og pasienter med ulike lidelser. Spesielt var N200 en negativ komponent som topper 200-350 ms fra fremre cingulated cortex frontal²⁷ og overlegen temporal cortex²⁸. Selv om tidligere studier undersøkte forholdet mellom den overlegne frontal cortex og alfa oscillasjon i Flanker oppgave²⁹, har korrelasjonen mellom N200 amplitude og hemodynamiske svar under Flanker oppgaven ikke blitt utforsket.

I denne protokollen ble det benyttet en hjemmelaget EEG/fNIRS-patch basert på standard EEG-hette for samtidige EEG- og fNIRS-opptak. Arrangementene av optoder/elektroder med støtte ble oppnådd gjennom plassering av fNIRS-optoder smeltet inn i EEG-hetten. Samtidige EEG- og fNIRS-datainnhentinger ble utført med de samme stimulioppgavene som genereres av E-prime-programvare. Vi hypoteser om at ERP-komponenter forbundet med Flanker-oppgaven kan vise en betydelig korrelasjon med de hemodynamiske svarene i prefrontal cortex. I mellomtiden kan de kombinerte ERP- og fNIRS-opptakene trekke ut flere signalindikatorer for å identifisere hjerneaktiveringsmønstrene med forbedret nøyaktighet. For å teste hypotesen ble fNIRS-oppsettet og EEG-maskinen integrert for å avsløre den komplekse nevrale kognisjonsmekanismen som tilsvarer den hendelsesrelaterte Flanker-oppgaven.

Protocol

Før eksperimentelle tester signerte alle deltakerne informerte samtykkedokumenter. Protokollen for den nåværende studien ble godkjent av etikkkomiteen ved Universitetet i Macao. 1. Maskinvare- og programvareinnstilling for samtidige EEG- og fNIRS-opptak Konstruer en hodehette for samtidige EEG-fNIRS-opptak. Velg riktig cap størrelse i henhold til hodet omkrets av deltakerne. I denne studien, bruk en middels stor hette siden den er egnet for de fleste unge og voksne deltak…

Representative Results

Figur 2 viser HbO-signalene for alle kanaler, mens figur 3 viser ERPs på Fz og FCz for de to betingelsene for Flanker-oppgaven. Figure 4 illustrerte resultatene fra Pearsons korrelasjonsanalyse viste at fNIRS-signalene i SFC viste en signifikant korrelasjon med ERP N200-komponenten ved Fz for urimelig tilstand (P<0,05). Dette er imidlertid ikke tilfelle for de kongruente forholdene (P> 0,05)….

Discussion

I denne protokollen ble kombinerte EEG- og fNIRS-opptak utført for å undersøke hjerneaktiveringsmønstrene som involverte et hendelsesrelatert Flanker-paradigme ved å registrere nevrale signaler fra hele hjernen og samtidige hemodynamiske responser fra prefrontal cortex. ERP-resultatene viste at N200 hos Fz var i stand til å skille de kongruent og urimelig forholdene (P =0,037). I mellomtiden viste HbO-signalene i SFC (kanal 21) også en betydelig forskjell mellom de kongruente og urimelige forholdene, som viste evn…

Materials

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