שימוש MazeSuite והתפקודי ליד ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי ללמוד למידה מרחבית ניווט

מטרתנו במצגת זו היא כפולה. ראשית, להמחיש את תהליך תכנון הפרוטוקול הניסויי ואת השימוש ב-May suite, ושנית, להדגים את ההקמה והפריסה של מערכת FNIR לניטור פעילות מוחית. ניתן להשתמש ב-May suite לתכנון ועריכה של סביבות תלת-ממדיות מותאמות, וכן למעקב אחר ביצועים התנהגותיים של משתתף.

כדי להדגים זאת, מוצגת תת-מדגם מתוך מחקר המראה כיצד להשתמש הן בחליפת May והן ב-FNIR בניסוי יחיד. המחקר כולל הערכה של הפעילות הקוגניטיבית של הקליפה הקדמה-מצחית הגבית-צדית (dorsal lateral prefrontal cortex) במהלך הרכישה והלמידה של משימות מחשב עבור סדרי תרגול חסומים ואקראיים. FNIR היא טכניקה אופטית לניטור המוח המשתמשת באור אינפרא-אדום קרוב כדי לעקוב אחר שינויים בתגובות המודינמיות בתוך הקליפה.

ניטור לא פולשני של המודינמיקה והחמצון המוחית הודגם לראשונה על ידי job ossy ועמיתיו בשנת 1977. טכנולוגיה זו מאפשרת תכנון של מערכות ניטור ניידות, בטוחות, זולות, לא פולשניות ובעלות פולשנות מינימלית, שניתן להשתמש בהן למדידת פעילות מוחית בסביבות טבעיות. בתנאי שטח ובניטור אמבולטורי, אור בטווח של אינפרה-אדום קרוב יכול לחדור לרקמה למספר סנטימטרים בטווח שבין 700 ל-900 ננומטרים.

כאשר אור חודר לרקמה, הוא נספג או מפוזר. בליעה נובעת ממולקולות סופגות אור כרומופוריות, כגון המוגלובין ומים; פיזור מתרחש במבנה הרקמה, כגון קרומי תאים ושכבות. מדידה טיפוסית של FNIR כוללת יחידת מדידה בעלת מקורות אור וגלאים.

כאשר מקור אור מופעל, אור מוחדר אל קרקפת הראש, חודר אותה ונע לכל הכיוונים ברקמה ומאבד מעוצמתו תוך כדי תנועתו. חלק מהאור חוזר אל פני השטח עקב פיזור רצופי רב-שלבי ונרשם על ידי הגלאי. הפוטונים המגיעים לגלאי נעים למעשה בתוך נפח בצורת בננה. מדידות בגלאי מספקות מידע על נפח זה בין מקור האור לגלאי. זוג זה נקרא oid, ועומק החדירה, במילים אחרות, קימור הבננה, הוא פונקציה של המרחק בין מקור האור לגלאי.

זו הסיבה שגיאומטריית חיישני ה-fNIRS היא מרכיב מפתח בתכנון. בהתאם לסוג המדידות עבור המשימה הקוגניטיבית ולמדידה מקליפת המצח (prefrontal cortex), המרחק האופטי (opto separation) הוא בדרך כלל 2.5 centimeters עד שלושה centimeters. במחקר זה השתמשנו במכשירי fNIRS מדגם 1000.

מכשיר זה מבוסס על התכנונים של Chance ועמיתיו משנות ה-90 ופותח בהמשך במעבדה לדימות מוחי אופטי (Optical Brain Imaging Lab) של אוניברסיטת דרקסל. מכשיר זה אינו מסתמך על סיבים או מוליכי אור לממשק בין האופטודים לעור. לפיכך, הוא קל יותר להגדרה, נוח יותר לסשנים ממושכים ופחות רגיש לארטיפקטים של תנועה.

עם זאת, חיישן זה תוכנן במיוחד לגילוי הפעלה קורטיקלית של קליפת המוח הפרה-פרונטלית הדורסו-לטרלית הנמצאת מתחת למצח, ולא ניתן להשתמש בו באזורי ראש אחרים בשל הפרעות מהשיער. פד החיישן של FNIR ששימש במחקר מכיל ארבעה דיודות פולטות אור המקרינות אור לא קוהרה באורכי גל של 730 nanometers ו-850 nanometers. קיימים 10 גלאי פוטו, ובאמצעות הקרנת ה-LEDs בסדר עוקב, יחד עם שימוש בגלאים היקפיים, נוצרים 16 נקודות מדידה.

דגימות של תיבות נלקחות בכל סריקה. זה כולל מדידת עצימות אור של שני אורכי גל שונים ומדידה כהה עבור אור סביבתי, ובסך הכל שלושה ערוצים עבור כל מיקום מדידה, כך שבסך הכל נרשמים 48 ערוצים מהסריקה. רפידת החיישן מונחת מעל המצח של צד הנבדק.

יש לעמוד מצד שמאל של הנבדק ובצד השני. בצד ימין של הנבדק, יש להניח את החיישן בדיוק מעל הגבות, כאשר הוא ממורכז אנכית. קו הסימטריה האנכי הדמיוני עובר דרך קו האמצע של המצח ולאחר מכן דרך האף.

קו המרכז של רפידות החיישן חופף לקו האמצע של המצח והאף. לאחר מיקום רפידת החיישן, מושכים את הכבלים משני הצדדים ומחברים אותם בחלק האחורי של הראש. כאשר הכבל מאובטח באמצעות התפס, קריטי לבדוק שרפידת החיישן צמודה כראוי לעור ושאין בליטות או מרווחים בין האופטוסים לעור.

דרך טובה לבדוק אם ההצמדה תקינה היא להפעיל לחץ קל מעל רפידת החיישן ולהרגיש אם המיקום משתנה עם הפעלת הלחץ. לעיתים ניתן להניח רצועת ראש, גומי או בד יציב, כגון רצועת טניס או בנדנה, מעל חיישן ה-FNIR כדי להבטיח הצמדה של האופטודים לעור. לאחר קביעת מיקום החיישן, יש לוודא את האותים בכל הערוצים על ידי תחילת רכישת הנתונים. ראשית, יש לחבר את רפידת החיישן לתיבת הבקרה של חומרת ה-FNIR.

יש לחבר את המכשיר למחשב באמצעות כבל USB, ולהפעיל את שתי המערכות. לאחר מכן, הפעל את Kobe Studio במחשב על ידי לחיצה על קיצור הדרך בחלונית השמאלית, ולחץ על הקישור להפעלת המכשיר הנוכחי (start current device). אם ההגדרות נכונות, בחלונית ההודעות יופיע כי המכשיר הופעל, ובגרפים יוצגו האותים שנרכשו זה עתה.

רמות האות תלויות בזרם ה-LED ובהגדרות ההגבר. כלל אצבע מומלץ הוא להביא פרמטרים אלו לרמה שמעל 700 millivolts ומטה 4, 000 millivolts. בנוסף, האותים צריכים להיות יציבים.

שונות רבה מדי ופיקים עשויים להעיד על צימוד לא תקין של החיישן או על בעיות בקישוריות של הכבלים או החומרה. במקרים מסוימים, ערוצים לטרליים אחד או שניים, 1 ו-2 בצד שמאל ו-15 ו-16 בצד ימין, עשויים להיות ממוקמים על השיער וערכי האות שלהם יהיו נמוכים מדי. ניתן להמשיך כסדרם ולהשמיט ערוצים אלו מאוחר יותר בשלב הניתוח.

ייתכן שיהיה צורך להתאים את ההגדרות עבור כל נבדק, שכן עשויים להיות הבדלים אינדיבידואליים משמעותיים הנובעים מתכונות אופטיות שונות של עורו של כל פרט. כדי לשנות תחילה את הגדרות המכשיר, לחצו על stop current device. לאחר מכן, לחצו על device properties בחלונית השמאלית.

עברו ללשונית הגדרות רכישת הנתונים (data acquisition settings) בתיבת הדיאלוג. אם ברצונכם להגביר תחילה את ערכי האות, הגדילו את ערך זרם ה-LED. הגדלה של ערך זרם ה-LED פירושה שנורות ה-LED יאירו בעוצמה חזקה יותר.

אם ברצונך להפחית תחילה את רמות האות, הנמך את ההגבר (gain). ערך ההגבר הראשוני מיושם על כל הווקסל. לאחר קביעת הערכים, לחץ על שמירה ולאחר מכן על התחל.

כדי להתחיל רכישת נתונים עם פרמטרים שהוגדרו מחדש, נהוג ומועיל להשתמש בסמנים כדי לזהות אירועים מסוימים במהלך הניסויים. ישנם שני סוגים של סמנים, ידניים ואוטומטיים. סמנים ידניים נוצרים על ידי לחיצה על כפתורים בחלון הראשי של K, והם מתויגים בזמן ונשמרים יחד עם נתוני ה-FNIR.

סימונים אוטומטיים מתקבלים ממכשיר חיצוני או מתוכנת מחשב כדי לקבל סימונים אוטומטיים בזמן שהמכשיר עצור. עברו להגדרות המכשיר הממוקמות בחלונית השמאלית ובתוך לשונית הגדרות הסנכרון סמנו "listen for markers" (האזנה לסימונים). יציאה טורית היא שיטה מומלצת לתקשורת סימונים.

וודאו שמספר יציאת הסריאל (serial port) מוגדר למספר יציאה תקין במחשב. לאחר מכן, ניתן להגדיר תוכנת גירוי כגון ePrime או May Suite כך שתשלח סימנים (markers) בערכים שיתקבלו עם תיוג זמן ויישמרו יחד עם נתוני ה-FNIR במחשב זה. אותי FNIR גולמיים הם אותות סדרות זמן המייצגים עוצמת אור.

ניתן להסיר רעשים מהנתונים לפני או אחרי המרת ערכי Intensitiy של אור גולמי לערכי חמצון. יש להסיר ממדידות ה-FNIR הגולמיות נתונים שאינם רלוונטיים פיזיולוגית, כגון נשימה, פעימות לב ורעשי מכשירים. הרכיב הקשור לקצב הלב מתאפיין בדרך כלל בשיא שסביב 0.5 hertz או מעליו, והנשימה נחלתה בין 0.2 hertz ל-0.4 hertz; זאת על מנת להסיר ארטפקטים פיזיולוגיים אלו.

נעשה שימוש במסנני מעבר נמוך בעלי תגובה דחופה סופית ופאזה ליניארית. אותות עשויים להיות מושפעים גם מארטיפקטים של תנועה. כאשר מקורות האור או הגלאים של חיישן ה-FNIR מחליקים ממיקומם המקורי או מאבדים מגע עם העור עקב תנועת הראש, עלולים להיווצר פרצי רעש פתאומיים או קפיצות (spikes) במדידות ה-FNIR.

בנוסף, אם מקור האור מאבד את הצימוד לעור, הגלאי עשוי לרשום ערכים נמוכים מאוד כיוון שלא יעבור אור אליו, או עוצמות גבוהות במיוחד ורוויה רגעית עקב אור המוחזר מפני העור. אפקטי של רוויה דומים עשויים להתרחש אם הגלאי ניתק ומאבד מגע עם העור. תזוזת ראש הגורמת לדליפת אור סביבתי עלולה להוביל לשינויים נוספים בלחץ המופעל על רפידת החיישן או על מקורות האור והגלאים.

שינויים אלו עשויים לאפשר ליותר פוטונים להיכנס לרקמה, ובכך לשנות זמנית את עוצמת האור המזוהה. מעבר לבדיקה חזותית של הנתונים לאיתור ארטיפקטים של תנועה, קיים מספר גדל והולך של אלגוריתמים לזיהוי והסרה של ארטיפקטים של תנועה כדי להפוך את התהליך לאוטומטי ולבטל סובייקטיביות. אלגוריתמים להסרת ארטיפקטים בספרות נעים בין מסנני מעבר נמוך (lowpass) ו-VAM pass פשוטים, לניתוח וייבלט (wavelet analysis), מניתוח רכיבים עצמאיים או עיקריים ועד לסינון אופטימלי כגון מסנני ויינר (wiener) וקאומן (cowman) במערכות גל רציף. אותות FNIR גולמיים מומרים לשינויים יחסיים בחמצון באמצעות חוק ביר-למברט המתוקן.

צפיפות אופטית באורך גל קלט ספציפי היא היחס הלוגריתמי בין עוצמת אור הקלט לעוצמת אור הפלט. ה-OD קשורה גם לריכוז ומקדם הבליעה של הכרומפור, למרחק המתוקן בין מקור האור לגלאה, ובתוספת מקדם ניחות קבוע בעל אותה עוצמת אור קלט בשני רגעים שונים בזמן. ניתן להביע את ההבדל ב-OD במונחים של ערכי עוצמת האור הגלויה בלבד. בדרך כלל, שני אורכי הגל הנבחרים הם: אחד בטווח של 700 עד 900 ננומטר, שבו בליעת האוקסיהמוגלובין והדה-אוקסיהמוגלובין דומיננטית בהשוואה לכרומופורים אחרים ברקמה; ושני, אחד מתחת ואחד מעל הנקודה האיזוספסטית, שהיא בערך 805 ננומטר, שבה ספקטרומי הבליעה של דה-אוקסיהמוגלובין ואוקסיהמוגלובין נחתכים זה בזה.

ניתן להשתמש במשוואה זו לפתרון ריכוזים אם המטריצה בגודל שתיים על שתיים אינה סיגניפיקנטית. לאחר חישוב השינויים היחסיים בערכי ההמוגלובין המחומצן והבלתי מחומצן, השלב הבא הוא חילוץ מאפיינים בהתאם לפרוטוקול הניסויי ולמשימה הקוגניטיבית שנעשה בהן שימוש.

חילוץ מאפיינים משמש בדרך כלל כדי להפחית את כמות הנתונים ולאפשר השוואות בין משימות קוגניטיביות שונות, קבוצות נבדקים ומיקומים אנטומיים באמצעות ניתוח סטטיסטי. מאפיינים נפוצים כוללים את ערכי המקסימום, המינימום, הממוצע או החציונה של ההמוגלובין המחומצן והבלתי מחומצן, וכן את זמן התגובה, שהוא הזמן שחלף עד להגעה לערך המינימלי או המקסימלי. ניתן לחלץ מאפיינים אלו מתוך תגובה המודינמית מעוררת לגירוי קוגניטיבי מסוים שהתקבלה באמצעות פרדיגמות של ניסוי בודד (single trial paradigms), או מתוך תקופת נתונים (epoch) או בלוק נתונים המתאימים לתנאים מסוימים שיושמו באמצעות תכנוני ניסוי ופרדיגמות של בלוקים.

החבילה מורכבת משלושה רכיבים, שכל אחד מהם מיועד לשלב ספציפי בניסוי: תכנון, ניסוי וניתוח. Maze Maker מאפשר למשתמש לתכנן בקלות סביבה תלת-ממדית עבור כל שלב בפרוטוקול הניסויי.

ניתן ליצור סביבות פשוטות תוך רגעים. ראשית, הגדירו את שטח הרצפה ולאחר מכן השתמשו בכלי הקיר כדי להגדיר את גבולות המבוך. לבסוף, מקמו נקודת התחלה עבור הנבדק ולאחר מכן את אזור היציאה.

לאחר השמירה, ניתן להשתמש בכלי ההרצה המהירה (quick run) כדי לבחון את הסביבה באופן מיידי. ניתן ליצור סביבות מורכבות יותר כדי לעמוד בדרישות של תכנון ניסיוני מסוים. ניתן להתאים את הסביבות באופן אישי באמצעות הוספת אובייקטים אינטראקטיביים, בקרות תאורה וטקסטורות.

באמצעות Maze List Builder ניתן ליצור ולשמור קבצי Mel המשלבים שילובי מבוכים והודעות משתמש ספציפיים לשימוש כפרוצדורות ניסוייות. ניתן להשתמש בפונקציונליות של Masis כדי לבצע רמות תכנון ניסויי ספציפיות, שניתן לסדר כסיפור תמונה (storyboard) עם קושי עולה או אקראי, או עם רמות ביקורת לעומת רמות ניסוייות. ניסיונות בודדים של הניסוי מורצים באמצעות תוכנת Maze Walker.

שינוי הגדרות ב-Maze Walker מאפשר למשתמשים להגדיר באופן מדויק יותר את תנאי הניסוי. ניתן לשנות את הבקרת המערכת כך שתקבל קלט ממכשירים שונים, כולל מקלדת, עכבר ובקר משחקים (joystick). מכשירים חיצוניים יכולים לקיים תקשורת דו-כיוונית עם Maze Walker לצורך איסוף מידע או הפעלת שינויים בתוך הסביבה.

ניתן לנהל את התקשורת עם המכשיר באמצעות T-C-P-I-P או כבל טור (serial cable), והוא יכול להתממשק עם מגוון רחב של מכשירים, כולל E-E-G-F-M-R-I ו-FNIR. במהלך הסשנים, תוכנת mais Walker תתעד את תנועת הנבדק לצד כל האירועים שהתרחשו במהלך הסשן. באמצעות תוכנת Maze Analyzer, ניתן להציג קבצי MACE עם נתיב משתמש מוקלט לצורך סקירה.

ניתן להטיל נתיבים שונים זה על זה כדי לסייע בניתוח, וניתן לחשב מידע סטטיסטי על ניסויים שונים. בנוסף, ניתן לייצא את המידע שנאסף ל-Excel או ל-MATLAB לצורך עיבוד נוסף. הרפרטואר הקוגניטיבי שלנו כולל מגוון רחב של פונקציות ויכולות שניתן לגשת אליהן באמצעות שימוש במגוון משימות, כולל ניווט מרחבי וירטואלי ומבוכים. דפוסי הפעלת המוח בקליפה הפרונטלית משתנים מהביצוע הראשוני של המשימה החדשה, לאחר תרגול ובמהלך שלב השימור.

באמצעות שימוש ב-FNIR והתמקדות בקליפה הפרה-פרונטלית, אנו מנצלים את תפקודיה של ה-PFC, ובמיוחד את התפקודים הניהוליים, את ויסות התפקוד הקוגניטיבי בזמן פעולה, את השימוש ב-PFC במהלך משימות פתרון בעיות ואת השימוש במבנים ברמה גבוהה יותר בעת שמירה של פריטים מרובים בזיכרון העבודה. ארגון התרגול בעת למידה של מספר משימות דומות הוא תופעת למידה הנקראת אפקט ההפרעה ההקשרית (contextual interference Effect). ההשפעות של ההפרעה ההקשרית ניכרות כאשר אנשים רוכשים מספר משימות על פי לוחות זמני תרגול שונים.

הפרעה הקשרית גבוהה נוצרת כאשר המשימות ללמידה מוצגות בסדר לא רציף ובלתי צפוי. תרגול בבלוקים בעל הפרעה הקשרית נמוכה נוצר כאשר המשימות ללמידה מוצגות בסדר צפוי. כל נבדק ביצע 315 ניסיונות רכישה, 105 ניסיונות עבור כל אחד משלושת המבוכים, לאורך שלושה ימים: שני, רביעי ושישי.

ביום שני שלאחר מכן, 72 שעות לאחר שלב הרכישה, בוצעו 30 ניסיונות שימור ו-20 ניסיונות העברה בסדר אקראי. פעילות ה-PFC נוטרה במהלך כל השלבים עבור 16 אתרי opto. מדדים תלוי-FNIR ששימשו למדידה כללו שינויים יחסיים בממוצע של המוגלובין מחומצן והמוגלובין, ומדדים התנהגותיים של זמן כולל, מסלול, אורך ומהירות ממוצעת במבוכים.

תוצאות ההתנהגות מראות כי עבור שני סדרי התרגול, קיימת מגמה של ירידה מונוטונית בזמן המהויה, הזמן הכולל הדרוש להשלמת המהויה; הדבר מרמז כי ככל שהמשתתפים התרגלו, הם השלימו את המהויה בפרקי זמן קצרים יותר, דבר הצפוי בהערכות התנהגותיות של למידה. בנוסף, מהירות התנועה במהויה, המהירות הממוצעת שבה המשתתפים מנווטים במהויה, עולה עם התרגול. שוב, שיפור במדדים התנהגותיים לאורך זמן צפוי כהסקה על למידה בתוצאות אלו.

קיימת השוואה זה לצד זה בין תרגול אקראי לתרגול בבלוקים עבור כל משימת העברה עבור משימת ההעברה הקלה יותר. תרגול בבלוקים במבוך ארבעה הניב ביצועים טובים יותר מתרגול אקראי. עם זאת, עבור משימת ההעברה הקשה יותר, מבוך חמש, תרגול אקראי היה עדיף על פני תרגול בבלוקים.

שינויים בריכוז ההמוגלובין במהלך ניסויי התרגול מעידים כי הסדר החסום דרש הפעלה מוחית גבוהה יותר בהשוואה לסדר האקראי. בנוסף, כאשר השוויה בוצעה בתוך סדר תרגול עבור למידה בסדר חסום, משימה חדשה, כפי שקרה בשלב ההעברה, דרשה הפעלה מוחית גבוהה יותר. זאת בהינתן שסדר התרגול היה שונה עבור המשימות שכבר נלמדו.

עבור המשתתף שלמד את המשימה בסדר חסום, סדר תרגול אקראי מותשב זה עשוי היה להיות מספיק חדש כדי לדרוש מאמץ נוסף ומשאבים קוגניטיביים לביצוע המשימה. יתר על כן, עבור סדר התרגול האקראי, שלב ההעברה של ההפעלה העצבית לא היה גבוה יותר משלב השימור. לסיכום, מחקר גשש זה הדגים את השימוש ב-May suite וב-FNIR לחקר היבטים נוירו-התנהגותיים של למידה בניווט מרחבי.

May Suite מאפשרת תכנון ויישום של סביבות תלת-ממד פשוטות באמצעות ממשק גרפי ידידותי למשתמש, והיא מקליטה באופן אוטומטי מדדים התנהגותיים להשוואות תוך-נבדקיות או בין-נבדקיות. FNIR הוא כלי ניטור מוחי נייד, בטוח ולא פולשני, המשמש במעבדות קליניות ובסביבות טבעיות לחקר פעילות מוחית. אנו מקווים שסרטון זה סייע בהסבר על כלים אלו.

בהצלחה בניסויים שלכם.