باستخدام MazeSuite والوظيفية الأدنى مطياف الأشعة تحت الحمراء لدراسة التعلم في الملاحة المكانية

هدفنا في هذا العرض التقديمي مزدوج؛ أولاً، توضيح عملية تصميم البروتوكول التجريبي واستخدام مجموعة May suite، وثانياً، استعراض إعداد ونشر نظام FNIR لمراقبة نشاط الدماغ. يمكن استخدام May suite لتصميم وتحرير بيئات ثلاثية الأبعاد مُكيفة، بالإضافة إلى تتبع الأداء السلوكي للمشارك.

ولتوضيح ذلك، يتم عرض عينة فرعية من دراسة لبيان كيفية استخدام كل من مجموعة May وFNIR في تجربة واحدة. تتضمن الدراسة تقييم النشاط المعرفي للقشرة الجبهية الظهرية الوحشية أثناء اكتساب وتعلم مهام mace الحاسوبية لأنماط التدريب المجمع والعشوائي. وتعد FNIR تقنية بصرية لمراقبة الدماغ تستخدم الأشعة تحت الحمراء القريبة لتتبع التغيرات في الاستجابات الهيموديناميكية داخل القشرة.

قام جوب أوسي وزملاؤه في عام 1977 بتقديم أول عرض للمراقبة غير الباضعة للديناميكا الدموية والأكسجة الدماغية. وتتيح هذه التقنية تصميم أنظمة مراقبة محمولة وآمنة وبأسعار معقولة وغير باضعة وبأدنى قدر من التداخل، والتي يمكن استخدامها لقياس نشاط الدماغ في البيئات الطبيعية. وفي الظروف المتنقلة والميدانية، يمكن للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء أن يخترق الأنسجة لبضعة سنتيمترات ضمن نطاق 700 إلى 900 nanometers.

عندما يدخل الضوء إلى النسيج، فإنه إما أن يُمتص أو يتشتت. وتحدث عملية الامتصاص بسبب الجزيئات الماصة للضوء (الكروموفورات)، مثل الهيموجلوبين والماء، بينما يحدث التشتت في بنية النسيج مثل الأغشية الخلوية والطبقات. ويشتمل قياس FNIR النموذجي على وحدة قياس تحتوي على مصادر ضوئية وكواشف.

عندما يتم تفعيل مصدر الضوء، ينبعث الضوء فوق فروة الرأس، وينفذ من خلالها وينتشر في جميع الاتجاهات داخل النسيج وتقل شدته أثناء انتقاله، ويعود جزء من هذا الضوء إلى السطح نتيجة لعمليات تشتت متتالية متعددة ليتم تسجيله بواسطة الكاشف؛ وتنتقل الفوتونات التي تصل إلى الكاشف فعلياً عبر حجم يتخذ شكل الموزة. وتوفر القياسات عند الكاشف معلومات عن هذا الحجم الواقع بين مصدر الضوء والكاشف، والذي يسمى oid. وبكلمات أخرى، فإن عمق الاختراق، أي انحناء "الموزة"، هو دالة في المسافة بين مصدر الضوء والكاشف.

ولهذا السبب، تُعد هندسة مستشعر FNIR عاملاً أساسياً في التصميم. واعتماداً على نوع القياسات للمهمة المعرفية والقياس من القشرة الجبهية الأمامية، تتراوح المسافة البصرية الفاصلة عادةً بين 2.5 centimeters إلى three centimeters. وفي هذه الدراسة، استخدمنا أجهزة FNIR طراز 1000.

يعتمد ذلك على تصميمات "تشانس" وزملائه في التسعينيات، وتم تطويره بشكل أكبر في مختبر تصوير الدماغ البصري بجامعة دريكسل. لا تعتمد هذه الأداة على الألياف أو موجهات الضوء للربط بين أجهزة البصريات والجلد؛ لذا فهي أسهل في الإعداد، وأكثر راحة في الجلسات الطويلة، وأقل عرضة للشوائب الناتجة عن الحركة.

ومع ذلك، فقد صُمم هذا المستشعر خصيصاً للكشف عن التنشيط القشري للقشرة الجبهية الظهرانية الجانبية التي تقع تحت الجبهة، ولا يمكن استخدامه في مناطق الرأس الأخرى بسبب التداخل الناتج عن الشعر. تحتوي وسادة مستشعر FNIR المستخدمة في الدراسة على أربعة ثنائيات باعثة للضوء تسلط ضوءاً غير متماسك بطول موجي 730 nanometers و 850 nanometers. وهناك 10 كواشف ضوئية، ومن خلال تسليط أضواء LED بترتيب تتابعي، وبالاستعانة بالكواشف المحيطة، يتم الحصول على 16 موقع قياس.

يتم أخذ عينات من المربعات عند كل عملية مسح. يتضمن ذلك قياس شدة الضوء لطولين موجيين مختلفين، بالإضافة إلى قياس مظلم للضوء المحيط، مما يجعل المجموع ثلاث قنوات لكل موقع قياس، وبذلك يكون إجمالي القنوات المسجلة من عملية المسح 48 قناة. يتم وضع وسادة المستشعر فوق جبهة جانب الموضوع.

يجب أن يكون الشخص الأول على الجانب الأيسر من الخاضع للتجربة والجانب الثاني على اليمين. وعلى الجانب الأيمن من الخاضع للتجربة، يجب وضع المستشعر فوق الحواجب مباشرة وبشكل متمركز عمودياً. يمر خط التماثل العمودي الوهمي عبر خط منتصف الجبهة ثم الأنف.

يتطابق الخط المركزي لمنصات الاستشعار مع الخط الناصف للجبهة والأنف. وبمجرد وضع منصة الاستشعار، يتم سحب الكابلات من الجانبين وتوصيلهما في الجزء الخلفي من الرأس. ومع تثبيت الكابل باستخدام المشبك، من الضروري التحقق من اقتران منصة الاستشعار بالجلد بشكل صحيح وعدم وجود أي نتوءات أو فراغات بين المستشعرات البصرية (optos) والجلد.

تتمثل إحدى الطرق الجيدة للتحقق من جودة الاقتران في تسليط ضغط خفيف فوق وسادة المستشعر والتحقق مما إذا كان الموضع يتغير مع الضغط. وفي بعض الأحيان، يمكن وضع عصابة رأس، أو شريط مطاطي، أو قطعة قماش محكمة، مثل عصابة التنس أو المنديل، فوق مستشعر FNIR لتثبيت اقتران الأجهزة البصرية (optos) بالجلد. وبعد ضبط موضع المستشعر، يجب التحقق من الإشارات في جميع القنوات من خلال بدء عملية الحصول على البيانات. أولاً، يجب توصيل وسادة المستشعر بصندوق التحكم في أجهزة FNIR.

يجب توصيل الجهاز بالكمبيوتر عبر كابل USB، مع تشغيل كلا النظامين. بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج Kobe Studio على الكمبيوتر من خلال النقر على الاختصار في الجزء الأيسر، ثم انقر على رابط بدء الجهاز الحالي. إذا كانت الإعدادات صحيحة، ستظهر في جزء الرسائل إشارة إلى أنه قد تم تشغيل الجهاز، وستعرض الرسوم البيانية الإشارات التي تم الحصول عليها حديثاً.

تعتمد مستويات الإشارة على تيار الـ LED وإعدادات الكسب. والقاعدة العامة الجيدة هي أن تكون هذه المعلمات فوق 700 millivolts ودون 4, 000 millivolts. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون الإشارات مستقرة.

قد يشير وجود تباين كبير وارتفاعات مفاجئة في الإشارة إلى اقتران غير صحيح للمجسات أو مشكلات في توصيل الكابلات أو الأجهزة. وفي بعض الحالات، قد يتم وضع قناة أو قناتين جانبيتين، القناتان 1 و2 على اليسار و15 و16 على اليمين، فوق الشعر، مما يجعل قيم الإشارة الخاصة بها منخفضة للغاية. يمكنك المتابعة ببساطة واستبعاد تلك القنوات لاحقاً أثناء عملية التحليل.

قد تحتاج إلى ضبط الإعدادات بناءً على كل حالة، حيث قد تكون هناك فروق فردية كبيرة بسبب اختلاف الخصائص البصرية لجلد كل فرد. لتغيير إعدادات الجهاز أولاً، انقر فوق إيقاف الجهاز الحالي. ثم انقر فوق خصائص الجهاز في الجزء الأيسر.

انتقل إلى علامة تبويب إعدادات الحصول على البيانات في مربع الحوار. إذا كنت ترغب في زيادة قيم الإشارة أولاً، فقم بزيادة قيمة تيار LED. وتعني زيادة قيمة تيار LED أن مصابيح LED ستضيء بشكل أقوى.

إذا كنت ترغب في خفض مستويات الإشارة أولاً، فقم بتقليل الكسب (gain). تُستخدم قيمة الكسب الأولية لجميع وحدات الـ voxel. بعد تعيين القيم، انقر على حفظ ثم انقر على بدء.

عند استخدام الجهاز لبدء عملية استحواذ البيانات بمعلمات تم ضبطها حديثاً، يكون من الشائع والمفيد أيضاً استخدام علامات لتمييز أحداث معينة أثناء التجارب. هناك نوعان من العلامات: يدوية وتلقائية. يتم إنشاء العلامات اليدوية عن طريق النقر على الأزرار في النافذة الرئيسية لبرنامج K، وتكون هذه العلامات مختومة زمنياً ومحفوظة مع بيانات FNIR.

يتم استقبال العلامات التلقائية من جهاز خارجي أو برنامج حاسوبي لاستقبال العلامات التلقائية أثناء توقف الجهاز. انتقل إلى إعدادات الجهاز الموجودة في اللوحة اليسرى، ومن ضمن علامة تبويب إعدادات المزامنة، قم بتفعيل خيار "الاستماع للعلامات". ويُعد المنفذ التسلسلي وسيلة مقترحة للاتصال بالعلامات.

تحقق من تعيين رقم المنفذ التسلسلي إلى رقم منفذ صالح على جهاز الكمبيوتر. بعد ذلك، يمكن لبرامج التحفيز مثل ePrime أو May Suite إرسال علامات عبر قيم يتم استقبالها ووسمها زمنياً وحفظها جنباً إلى جنب مع بيانات FNIR على هذا الكمبيوتر. إشارات FNIR الخام هي إشارات سلسلة زمنية تمثل شدة الضوء.

يمكن إزالة الضوضاء من البيانات قبل أو بعد تحويل قيم شدة الضوء الخام إلى قيم الأكسجة. ومن الضروري التخلص من البيانات غير ذات الصلة فسيولوجياً من قياسات FNIR الخام، مثل التنفس ونبض القلب وضوضاء الأجهزة. عادةً ما يكون المكون المرتبط بمعدل ضربات القلب ذا ذروة تبلغ حوالي 0.5 hertz أو أعلى، بينما يتراوح التنفس بين 0.2 hertz و0.4 hertz؛ وذلك للقضاء على هذه الشوائب الفسيولوجية.

تُستخدم مرشحات الاستجابة النبضية المحدودة والمرشحات منخفضة التمرير ذات الطور الخطي. وقد تتعرض الإشارات أيضاً للتشويش بفعل تداخلات الحركة. فعندما تنزلق مصادر ضوء مستشعرات FNIR و/أو كواشفها عن موقع تثبيتها الأصلي أو تفقد الاتصال بالجلد نتيجة حركة الرأس، يمكن أن تحدث دفقات أو طفرات مفاجئة وغير متوقعة في قياسات FNIR.

علاوة على ذلك، إذا فقد مصدر الضوء اقترانه بالجلد، فقد يسجل الكاشف إما قيماً منخفضة جداً نظراً لعدم مرور أي ضوء نحوه، أو شدات عالية للغاية وتشبعاً لحظياً بسبب الضوء المنعكس من سطح الجلد. وقد تحدث تأثيرات تشبع مماثلة إذا انفصل الكاشف وفقد اتصاله بالجلد. كما يمكن أن تؤدي حركة الرأس التي تسمح بتسرب الضوء المحيط إلى إحداث تغييرات إضافية في الضغط المطبق على وسادة المستشعر أو على مصادر الضوء والكواشف.

قد تسمح هذه التغييرات بدخول المزيد من الفوتونات إلى الأنسجة، مما يؤدي بالتالي إلى تغيير مؤقت في شدة الضوء المكتشفة. وعلاوة على مجرد الفحص البصري للبيانات بحثاً عن آثار حركية محتملة، هناك عدد متزايد من خوارزميات اكتشاف وإزالة الآثار الحركية لأتمتة هذه العملية والقضاء على الذاتية. تتراوح خوارزميات إزالة الآثار في الدراسات المنشورة من مرشحات التمرير المنخفض البسيطة ومرشحات VAM pass إلى تحليل المويجات (wavelet analysis)، ومن تحليل المكونات المستقلة أو الرئيسية إلى الترشيح الأمثل مثل مرشحات adaptive wiener و cowman في أنظمة الموجة المستمرة. ويتم تحويل إشارات FNIR الخام إلى تغييرات في الأكسجة النسبية باستخدام قانون Beer Lambert المعدل.

تُعد الكثافة الضوئية عند طول موجي محدد لمدخلات الضوء هي النسبة اللوغاريتمية بين شدة الضوء الداخل وشدة الضوء الخارج. وترتبط الكثافة الضوئية OD أيضاً بتركيز ومعامل امتصاص الكروموفور، والمسافة المصححة بين مصدر الضوء والكاشف، بالإضافة إلى عامل توهين ثابت يحافظ على شدة الضوء الداخل نفسها في لحظتين زمنيتين مختلفتين. ويمكن كتابة الفرق في الكثافة الضوئية OD بدلالة قيم شدة الضوء المكتشفة فقط. وعادةً ما يتم اختيار طولين موجيين: الأول يتراوح بين 700 إلى 900 نانومتر حيث يسود امتصاص الأوكسي هيموغلوبين والديوكسي هيموغلوبين مقارنة بكروموفورات الأنسجة الأخرى، والثاني يكون طول موجي واحد أقل وآخر أعلى من النقطة متساوية الامتصاص (isospastic)، والتي تبلغ حوالي 805 نانومتر حيث تتقاطع أطياف امتصاص الديوكسي هيموغلوبين والأوكسي هيموغلوبين.

يمكن ضبط هذه المعادلة لحساب التركيزات إذا كانت المصفوفة ثنائية الأبعاد غير ذات دلالة. وبعد حساب التغيرات النسبية في قيم الهيموغلوبين المؤكسج وغير المؤكسج، تتمثل الخطوة التالية في استخراج الميزات بناءً على البروتوكول التجريبي والمهمة المعرفية المستخدمة.

يُستخدم استخراج الميزات بشكل شائع لتقليل كمية البيانات وإجراء مقارنات بين المهام المعرفية المختلفة، ومجموعات الأشخاص، والمواقع التشريحية باستخدام التحليل الإحصائي. وتتضمن الميزات الشائعة الاستخدام القيم القصوى أو الدنيا أو المتوسطة أو الوسيطة للهيموجلوبين المؤكسج وغير المؤكسج وزمن الاستجابة، وهو الوقت المنقضي حتى الوصول إلى القيمة الدنيا أو القصوى. ويمكن استخراج هذه الميزات ضمن استجابة ديناميكية دموية مستثارة لمحفز معرفي معين يتم الحصول عليه من خلال استخدام نماذج التجربة الواحدة، أو باستخدام حقبة بيانات أو كتلة من البيانات المقابلة لظروف معينة يتم تنفيذها من خلال تصميمات ونماذج تجارب الكتل.

تتكون هذه المجموعة من ثلاثة مكونات، يستهدف كل منها مرحلة محددة من التجربة: التصميم، والتجريب، والتحليل. يتيح برنامج Maze Maker للمستخدم تصميم بيئة ثلاثية الأبعاد بسهولة لكل مرحلة من مراحل البروتوكول التجريبي.

يمكن إنشاء بيئات بسيطة في لحظات. أولاً، حدد مساحة الأرضية ثم استخدم أداة الجدار لتحديد حدود المتاهة. وأخيراً، ضع موضع بداية الخاضع للتجربة ثم منطقة الخروج.

بعد الحفظ، يمكن استخدام أداة التشغيل السريع لاختبار البيئة على الفور. كما يمكن إنشاء بيئات أكثر تعقيداً لتلبية متطلبات تصميم تجريبي معين. ويمكن تخصيص البيئات من خلال إدخال كائنات تفاعلية، وعناصر التحكم في الإضاءة، وإضافة القوام (texturing).

يمكن استخدام أداة بناء قائمة المتاهات (Maze List Builder) لإنشاء وحفظ ملفات Mel التي تدمج تركيبات محددة من المتاهات ورسائل المستخدم لاستخدامها كإجراءات تجريبية. ويمكن توظيف وظائف Masis لتنفيذ مستويات تصميم تجريبية محددة، حيث يمكن ترتيبها بصعوبة متزايدة أو عشوائية على شكل لوحة قصصية (storyboard)، أو تقسيمها إلى مستويات ضابطة مقابل مستويات تجريبية. ويتم تشغيل التجارب الفردية للتجربة من خلال برنامج Maze Walker.

يسمح تغيير الإعدادات في برنامج Maze Walker للمستخدمين بتحديد شروط التجربة بدقة أكبر. كما يمكن تغيير نظام التحكم لقبول المدخلات من أجهزة مختلفة، بما في ذلك لوحة المفاتيح والماوس وعصا التحكم. ويمكن للأجهزة الخارجية الدخول في اتصال ثنائي الاتجاه مع Maze Walker لجمع المعلومات أو تحفيز تغييرات داخل البيئة.

يمكن إدارة اتصال الجهاز عبر بروتوكول T-C-P-I-P أو كابل تسلسلي، كما يمكنه الربط مع مجموعة واسعة من الأجهزة بما في ذلك E-E-G-F-M-R-I و FNIR. وخلال الجلسات، يقوم نظام mais Walker بتسجيل حركة الخاضع للاختبار جنبًا إلى جنب مع أي أحداث وقعت أثناء الجلسة. وباستخدام برنامج Maze Analyzer، يمكن عرض ملفات MACE مع مسار المستخدم المسجل لغرض المراجعة.

يمكن تراكب مسارات مختلفة للمساعدة في التحليل، كما يمكن حساب المعلومات الإحصائية المتعلقة بالتجارب المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصدير المعلومات التي تم جمعها إلى برنامج Excel أو MATLAB لإجراء معالجات إضافية. يتضمن رصيدنا المعرفي مجموعة واسعة من الوظائف والقدرات التي يمكن الوصول إليها من خلال استخدام مهام متنوعة، بما في ذلك الملاحة المكانية الافتراضية، والمتاهات؛ حيث تختلف أنماط تنشيط الدماغ في القشرة الجبهية بين الأداء الأولي للمهمة الجديدة، وبعد التدريب، وأثناء فترة الاستبقاء.

باستخدام تقنية FNIR والتركيز على القشرة أمام الجبهية، فإننا نستفيد من وظيفة PFC، وخاصة الوظيفة التنفيذية، وتنظيم الوظيفة المعرفية أثناء التنفيذ، واستخدام PFC خلال مهام حل المشكلات، واستخدام البنى ذات المستوى الأعلى أثناء الاحتفاظ بعناصر متعددة في الذاكرة العاملة. يُعد تنظيم الممارسة عند تعلم مهام متعددة ومتشابهة ظاهرة تعليمية تسمى تأثير التداخل السياقي. وتظهر آثار التداخل السياقي عندما يكتسب الأفراد مهام متعددة وفق جداول ممارسة مختلفة.

يحدث التداخل السياقي العالي عندما يتم تقديم المهام المراد تعلمها بترتيب غير تسلسلي وغير متوقع. بينما يحدث التداخل السياقي المنخفض في التدريب الكتلي عندما يتم تقديم المهام المراد تعلمها بترتيب يمكن التنبؤ به. وقد أجرى كل مشارك 315 تجربة اكتساب، بواقع 105 تجارب لكل متاهة من المتاهات الثلاث على مدار ثلاثة أيام، وهي الإثنين والأربعاء والجمعة.

في يوم الاثنين التالي، وبعد مرور 72 ساعة على مرحلة الاكتساب، تم إجراء 30 تجربة للاحتفاظ و20 تجربة للنقل بترتيب عشوائي. وتمت مراقبة نشاط PFC خلال جميع المراحل لـ 16 موقعاً بصرياً. شملت المقاييس المعتمدة على FNIR التغيرات النسبية في متوسط الهيموجلوبين المؤكسج، والهيموجلوبين، والمقاييس السلوكية للوقت الكلي، والمسار، والطول، ومتوسط السرعة في المتاهات.

تُظهر نتائج السلوك أنه بالنسبة لكلا ترتيبي التدريب، هناك اتجاه تناقصي رتيب لوقت المتاهة، وهو إجمالي الوقت اللازم لإكمال المتاهة، مما يشير إلى أنه مع تدرب المشاركين، أتموا المتاهة في فترات زمنية أقصر، وهو أمر متوقع في التقييمات السلوكية للتعلم. بالإضافة إلى ذلك، تزداد سرعة المتاهة، وهي متوسط السرعة التي يتنقل بها المشاركون في المتاهة، مع التدريب. ومرة أخرى، فإن التحسن في المقاييس السلوكية بمرور الوقت يُعد متوقعاً كاستدلالات على التعلم لهذه النتائج.

توجد مقارنة جنباً إلى جنب بين الممارسة العشوائية مقابل الممارسة المتكتلة لكل مهمة نقل في مهمة النقل الأسهل. وقد تفوقت الممارسة المتكتلة في المتاهة الرابعة على الممارسة العشوائية. ومع ذلك، بالنسبة لمهمة النقل الأكثر صعوبة، المتاهة الخامسة، كانت الممارسة العشوائية متفوقة على الممارسة المتكتلة.

تشير تغيرات تركيز الهيموجلوبين خلال تجارب التدريب إلى أن الترتيب المجمع تطلب تنشيطاً دماغياً أعلى مقارنة بالترتيب العشوائي. بالإضافة إلى ذلك، عند المقارنة ضمن ترتيب تدريبي واحد للتعلم بنظام الترتيب المجمع، تطلب تنفيذ مهمة جديدة، كما هو الحال في مرحلة النقل، تنشيطاً دماغياً أعلى، نظراً لأن ترتيب التدريب كان مختلفاً بالنسبة للمهام التي تم تعلمها بالفعل.

بالنسبة للمشارك الذي تعلم المهمة بترتيب تجميعي، قد يكون ترتيب الممارسة العشوائي الطبقي هذا مستحدثاً بما يكفي ليتطلب جهداً إضافياً وموارد معرفية لأداء المهمة. علاوة على ذلك، بالنسبة لترتيب الممارسة العشوائي، لم يكن طور انتقال التنشيط العصبي أعلى من طور الاستبقاء. وفي الختام، أظهرت هذه الدراسة الاستكشافية إمكانية استخدام مجموعة May و FNIR لدراسة الجوانب العصبية السلوكية للتعلم في الملاحة المكانية.

يتيح برنامج May Suite تصميم وتطبيق بيئات ثلاثية الأبعاد بسيطة من خلال واجهة رسومية سهلة الاستخدام، كما يقوم بتسجيل المقاييس السلوكية تلقائيًا لإجراء مقارنات داخل المجموعة الواحدة أو بين المجموعات المختلفة. أما تقنية FNIR فهي أداة محمولة وآمنة وغير جراحية لمراقبة الدماغ، وقد استُخدمت في المختبرات السريرية والبيئات الطبيعية لدراسة تنشيط الدماغ. نأمل أن يكون هذا العرض التقديمي مفيدًا في شرح هذه الأدوات.

بالتوفيق في تجاربكم.