Met behulp van MazeSuite en functionele Near Infrared Spectroscopy te Study Leren in Spatial Navigation

Ons doel in deze presentatie is tweeledig. Ten eerste willen we het proces van het ontwerpen van het experimentele protocol en het gebruik van de May-suite illustreren, en ten tweede willen we de opstelling en implementatie van het FNIR-systeem voor het monitoren van hersenactiviteit demonstreren. De May-suite kan worden gebruikt voor het ontwerpen en bewerken van aangepaste 3D-omgevingen, evenals voor het volgen van de gedragsprestaties van een deelnemer.

Om dit aan te tonen, wordt een sub-steekproef uit een studie gerapporteerd om te laten zien hoe zowel de May-suite als FNIR in één enkel experiment kunnen worden gebruikt. De studie omvat de beoordeling van de cognitieve activiteit van de dorsolaterale prefrontale cortex tijdens de acquisitie en het leren van computertaken voor geblokkeerde en random oefenvolgordes. FNIR is een optische hersenmoniteringstechniek die nabij-infrarood licht gebruikt om veranderingen in hemodynamische responsen binnen de cortex te volgen.

Niet-invasieve monitoring van cerebrale hemodynamiek en oxygenatie werd voor het eerst gedemonstreerd door Jobossy en collega's in 1977. Deze technologie maakt het ontwerp mogelijk van draagbare, veilige, betaalbare, niet-invasieve en minimaal intrusieve monitoringsystemen die gebruikt kunnen worden om hersenactiviteit in natuurlijke omgevingen te meten. Onder ambulante en veldomstandigheden kan nabij-infrarood licht weefsel doordringen over een afstand van enkele centimeters binnen 700 tot 900 nanometers.

Wanneer licht het weefsel binnendringt, wordt het ofwel geabsorbeerd of verstrooid. Absorptie wordt veroorzaakt door chromofoor lichtabsorberende moleculen, zoals hemoglobine en water; verstrooiing vindt plaats in de structuur van het weefsel, zoals celmembranen en weefsellagen. Een typische FNIR-meting maakt gebruik van een meeteenheid die is voorzien van lichtbronnen en detectoren.

Wanneer een lichtbron wordt geactiveerd, wordt er licht op de hoofdhuid gestraald, dat deze binnendringt en in alle richtingen door het weefsel reist; hierbij neemt de intensiteit af naarmate het licht verder reist. Een deel van het licht bereikt door opeenvolgende meervoudige verstrooiing het oppervlak opnieuw en wordt door de detector geregistreerd. De fotonen die de detector bereiken, leggen in feite een traject af door een bananenvormig volume. Metingen bij de detector geven informatie over dit volume tussen de lichtbron en de detector. Het paar wordt een oid genoemd; de penetratiediepte, oftewel de kromming van de banaan, is een functie van de afstand tussen de lichtbron en de detector.

Daarom is de geometrie van de fNIRS-sensor van cruciaal belang bij het ontwerp. Afhankelijk van het type metingen voor de cognitieve taak en de meting vanuit de prefrontale cortex is de optische separatie meestal 2,5 centimeter tot drie centimeter. In deze studie hebben we fNIRS-apparaten van model 1000 gebruikt.

Dit is gebaseerd op de ontwerpen van Chance en collega's in de jaren 1990 en verder ontwikkeld in het Optical Brain Imaging Lab van Drexel University. Dit instrument maakt geen gebruik van vezels of lichtgeleiders om de optoden met de huid te verbinden. Hierdoor is het eenvoudiger op te stellen, comfortabeler bij lange sessies en minder gevoelig voor bewegingsartefacten.

Deze sensor is echter specifiek ontworpen voor de detectie van corticale activatie van de dorsolaterale prefrontale cortex onder het voorhoofd en kan niet in andere regio's van het hoofd worden gebruikt vanwege interferentie door haar. De FNIR-sensorpad die in het onderzoek is gebruikt, bevat vier lichtemitterende diodes die niet-coherent licht uitzenden bij 730 nanometer en 850 nanometer. Er zijn 10 fotodetectoren en door de LED's in een opeenvolgende volgorde te laten schijnen, in combinatie met het gebruik van omliggende detectoren, worden 16 meetlocaties gecreëerd.

Bij elke scan worden boxen bemonsterd. Dit omvat de meting van de lichtintensiteit van twee verschillende golflengten en een donkermeting voor het omgevingslicht, wat neerkomt op drie kanalen per meetlocatie; in totaal worden er dus 48 kanalen geregistreerd tijdens de scan. Het sensorpad wordt op het voorhoofd van de proefpersoon geplaatst.

Men dient zich aan de linkerzijde van het subject te bevinden en zijde twee. Aan de rechterzijde van het subject moet de sensor net boven de wenkbrauwen worden geplaatst en verticaal gecentreerd zijn. De denkbeeldige verticale symmetrielijn loopt door de middellijn van het voorhoofd en vervolgens door de neus.

De middellijn van de sensorpads valt samen met de middellijn van het voorhoofd en de neus. Zodra de sensorpad is gepositioneerd, worden de kabels aan beide zijden naar achteren getrokken en achter het hoofd verbonden. Terwijl de kabel met de clip is vastgezet, is het essentieel om te controleren of de sensorpad correct op de huid is geplaatst en of er geen bulten of ruimtes tussen de optodes en de huid aanwezig zijn.

Een goede manier om de juiste koppeling te controleren, is door een beetje druk uit te oefenen op het sensorpad en te voelen of de positionering verandert bij druk. Soms kan een hoofdband, elastiek of een stevige doek, zoals een tennisband of bandana, over de FNIR-sensor worden geplaatst om de koppeling van de optodes met de huid te waarborgen. Nadat de positie van de sensor is bepaald, moeten de signalen op alle kanalen worden geverifieerd door de gegevensacquisitie te starten. Eerst moet het sensorpad worden aangesloten op de FNIR-hardwarebedieningskast.

Het apparaat moet via een USB-kabel met de computer worden verbonden, waarna beide systemen moeten worden ingeschakeld. Start vervolgens Kobe Studio op de computer door op de snelkoppeling in het linkerpaneel te klikken en klik daarna op de link om het huidige apparaat te starten. Als de instellingen correct zijn, verschijnt er in het berichtenvenster dat het apparaat is gestart en tonen de grafieken de onlangs verkregen signalen.

De signaalniveaus zijn afhankelijk van de LED-stroom en de gain-instellingen. Een goede vuistregel is om deze parameters boven de 700 millivolts en onder de 4 000 millivolts te houden. Daarnaast moeten de signalen stabiel zijn.

Te veel variatie en pieken kunnen wijzen op een onjuiste koppeling van de sensor of problemen met de kabel- of hardwareverbindingen. In sommige gevallen kunnen één of twee laterale kanalen, één en twee links en 15 en 16 rechts, over het haar zijn geplaatst, waardoor hun signaalwaarden te laag zijn. U kunt gewoon doorgaan en deze kanalen later tijdens de analyse verwijderen.

Het kan nodig zijn om de instellingen per proefpersoon aan te passen, aangezien er grote individuele verschillen kunnen zijn als gevolg van de uiteenlopende optische eigenschappen van de huid. Om de apparaatinstellingen te wijzigen, klikt u eerst op 'stop current device'. Klik vervolgens op 'device properties' in het linkerpaneel.

Ga naar het tabblad met instellingen voor gegevensverwerving in het dialoogvenster. Als u eerst de signaalwaarden wilt verhogen, verhoogt u de waarde van de LED-stroom. Een verhoging van de LED-stroomwaarde houdt in dat de LED's helderder zullen schijnen.

Als u eerst de signaalniveaus wilt verlagen, verminder dan de gain. De initiële gain-waarde wordt voor alle voxels gebruikt. Klik na het instellen van de waarden op opslaan en klik vervolgens op start.

Om de gegevensverwerving te starten met nieuw ingestelde parameters, is het gebruik van markeringen om bepaalde gebeurtenissen tijdens experimenten te identificeren gebruikelijk en nuttig. Er zijn twee soorten markeringen: handmatig en automatisch. Handmatige markeringen worden gegenereerd door op knoppen in het hoofdvenster van K te klikken; deze worden voorzien van een tijdstempel en opgeslagen samen met de FNIR-gegevens.

Automatische markers worden ontvangen van een extern apparaat of computersoftware om automatische markers te ontvangen terwijl het apparaat is gestopt. Ga naar de apparaatinstellingen in het linkerpaneel en vink in het tabblad synchronisatie-instellingen de optie 'luister naar markers' aan. Een seriële poort is een aanbevolen methode voor markercommunicatie.

Verifieer of het seriële poortnummer is ingesteld op een geldig poortnummer op de computer. Vervolgens kan stimulussoftware zoals ePrime of May Suite worden gebruikt om markers te verzenden via waarden die met een tijdstempel worden ontvangen en samen met de FNIR-gegevens op deze computer worden opgeslagen. Ruwe FNIR-signalen zijn tijdreeks-signalen die de lichtintensiteit weergeven.

Ruis in de gegevens kan worden verwijderd vóór of na de omzetting van ruwe light.Intensity-waarden naar oxygenatiewaarden. Fysiologisch irrelevante gegevens, zoals ademhaling, hartpulsatie en ruis van de apparatuur, moeten uit de ruwe FNIR-metingen worden geëlimineerd. De component die gerelateerd is aan de hartslag heeft gewoonlijk een piek rond of boven 0,5 hertz, en de ademhaling ligt tussen 0,2 hertz en 0,4 hertz; deze fysiologische artefacten moeten worden geëlimineerd.

Er wordt gebruikgemaakt van finite impulse response-filters en lineair-fase laagdoorlaatfilters. Signalen kunnen bovendien worden aangetast door bewegingsartefacten. Wanneer de lichtbronnen en/of detectoren van de FNIR-sensor verschuiven ten opzichte van hun oorspronkelijke bevestigingsplaats of het contact met de huid verliezen door hoofdbewegingen, kunnen er onverwachte plotselinge uitbarstingen of pieken in de FNIR-metingen optreden.

Bovendien kan de detector zeer lage waarden registreren als de lichtbron de koppeling met de huid verliest, aangezien er geen licht naar de detector kan passeren, of juist extreem hoge intensiteiten en momentane verzadiging door het gereflecteerde licht van het huidoppervlak. Vergelijkbare verzadigingseffecten kunnen optreden als de detector loskomt en het contact met de huid verliest. Hoofdbewegingen die ervoor zorgen dat omgevingslicht binnenlekt, kunnen bovendien leiden tot veranderingen in de druk die wordt uitgeoefend op het sensorpad of op de lichtbronnen en detectoren.

Deze veranderingen kunnen ervoor zorgen dat er meer fotonen het weefsel binnendringen, waardoor de gedetecteerde lichtintensiteit tijdelijk varieert. Naast het visueel inspecteren van de gegevens op mogelijke bewegingsartefacten is er een groeiend aantal algoritmen voor de detectie en verwijdering van bewegingsartefacten om het proces te automatiseren en subjectiviteit te elimineren. Algoritmen voor het verwijderen van artefacten in de literatuur variëren van eenvoudige laagdoorlaat- en VAM-doorlaatfilters tot wavelet-analyse, van onafhankelijke of principale componentenanalyse tot optimale filtering zoals adaptieve Wiener- en Cowman-filters. Continu-golfsystemen. Ruwe FNIR-signalen worden omgezet in relatieve oxygenatieveranderingen met behulp van de gewijzigde wet van Beer-Lambert.

De optische dichtheid bij een specifieke inputgolflengte is de logaritmische verhouding tussen de intensiteit van het invallende licht en de intensiteit van het uitgaande licht. OD is tevens gerelateerd aan de concentratie en de absorptiecoëfficiënt van de chromofoor, de gecorrigeerde afstand tussen de lichtbron en de detector, plus een constante dempingsfactor waarbij dezelfde intensiteit van het invallende licht op twee verschillende tijdstippen aanwezig is. Het verschil in OD kan worden uitgedrukt in termen van enkel de gedetecteerde lichtintensiteitswaarden. Typisch worden er twee golflengten gekozen: één tussen 700 en 900 nanometer, waar de absorptie van oxyhemoglobine en deoxyhemoglobine dominant is vergeleken met andere weefselchromoforen, en twee: één onder en één boven het isospastisch punt, dat ongeveer 805 nanometer bedraagt en waar de absorptiespectra van deoxy- en oxyhemoglobine elkaar kruisen.

Deze vergelijking kan worden opgelost voor concentraties als de twee-bij-twee-matrix niet-significant is, nadat de relatieve veranderingen van de waarden voor geoxygeneerd en gedeoxygeneerd hemoglobine zijn berekend. De volgende stap is het extraheren van kenmerken, afhankelijk van het gebruikte experimentele protocol en de cognitieve taak.

Kenmerkextractie wordt meestal gebruikt om de hoeveelheid gegevens te verminderen en om via statistische analyse vergelijkingen te maken tussen verschillende cognitieve taken, proefpersoongroepen en anatomische locaties. Veelgebruikte kenmerken omvatten de maximale, minimale, gemiddelde of mediane waarde van het geoxygeneerde en gedeoxygeneerde hemoglobine en de reactietijd, wat de verstreken tijd is tot het minimum of maximum is bereikt. Deze kenmerken kunnen worden geëxtraheerd uit een opgeroepen hemodynamische respons op een bepaalde cognitieve stimulus, verkregen via single-trial-paradigma's, of uit een data-epoch of een blok gegevens dat overeenkomt met bepaalde condities, geïmplementeerd via block-trial-designs en -paradigma's.

De suite bestaat uit drie componenten die elk gericht zijn op een specifieke fase van het experiment: ontwerp, experimentatie en analyse. Maze Maker stelt de gebruiker in staat om eenvoudig een 3D-omgeving te ontwerpen voor elke fase van het experimentele protocol.

Eenvoudige omgevingen kunnen in enkele momenten worden gemaakt. Definieer eerst het vloeroppervlak en gebruik vervolgens de muurtool om de grenzen van het doolhof te bepalen. Plaats tot slot een startpositie voor het proefdier en daarna het uitgangsgebied.

Na het opslaan kan de tool voor snelle runs worden gebruikt om de omgeving direct te testen. Om te voldoen aan de vereisten van een specifiek experimenteel ontwerp, kunnen complexere omgevingen worden gecreëerd. Omgevingen kunnen worden aangepast door interactieve objecten, verlichtingsregelingen en texturering toe te voegen.

Met de Maze List Builder kunnen Mel-bestanden worden gemaakt en opgeslagen waarin specifieke combinaties van doolhoven en gebruikersberichten zijn samengevoegd voor gebruik als experimentele procedures. De functionaliteit van Masis kan worden gebruikt om de specifieke niveaus van het experimentele ontwerp in te richten, waarbij de moeilijkheidsgraad oplopend of gerandomiseerd kan worden ingesteld als een storyboard, of met controle- versus experimentele niveaus. Individuele trials van het experiment worden uitgevoerd via het Maze Walker-programma.

Door instellingen in Maze Walker te wijzigen, kunnen gebruikers de condities van het experiment verder specificeren. De besturing kan worden aangepast om input van verschillende apparaten te accepteren, waaronder het toetsenbord, de muis en de joystick. Externe apparaten kunnen tweerichtingscommunicatie met Maze Walker aangaan om informatie te verzamelen of wijzigingen binnen de omgeving te triggeren.

Apparaatcommunicatie kan worden afgehandeld via T-C-P-I-P of een seriële kabel en kan worden gekoppeld aan een breed scala aan apparaten, waaronder E-E-G-F-M-R-I en FNIR. Tijdens de sessies registreert de Maze Walker de bewegingen van het subject samen met alle gebeurtenissen die tijdens de sessie hebben plaatsgevonden. Met het Maze Analyzer-programma kunnen MACE-bestanden worden weergegeven met een geregistreerd gebruikerspad voor evaluatie.

Verschillende paden kunnen over elkaar heen worden gelegd om de analyse te ondersteunen, en er kan statistische informatie over verschillende proeven worden berekend. Daarnaast kan de verzamelde informatie worden geëxporteerd naar Excel of MATLAB voor verdere verwerking. Ons cognitieve repertoire bevat een breed scala aan functies en vermogens die kunnen worden aangesproken via diverse taken, waaronder virtuele ruimtelijke navigatie en doolhoven; patronen van hersenactivatie in de frontale cortex variëren vanaf de initiële uitvoering van een nieuwe taak, na oefening en tijdens retentie.

Met behulp van FNIR en door ons te richten op de prefrontale cortex, maken we gebruik van de functie van de PFC, in het bijzonder de executieve functie, de regulatie van cognitieve functies in actie, het gebruik van de PFC tijdens probleemoplossende taken en het gebruik van structuren op een hoger niveau terwijl meerdere items in het werkgeheugen worden vastgehouden. De organisatie van de oefening bij het aanleren van meerdere gelijkaardige taken is een leerfenomeen dat het effect van contextuele interferentie wordt genoemd. Effecten van contextuele interferentie zijn duidelijk zichtbaar wanneer individuen meerdere taken aanleren volgens verschillende oefenschema's.

Hoge contextuele interferentie wordt gecreëerd wanneer te leren taken in een niet-sequentiële, onvoorspelbare volgorde worden gepresenteerd. Lage contextuele interferentie door bloktraining wordt gecreëerd wanneer de te leren taken in een voorspelbare volgorde worden gepresenteerd. Elke deelnemer voerde 315 acquisitietrials uit, bestaande uit 105 trials voor elk van de drie doolhoven over drie dagen, maandag, woensdag en vrijdag.

De daaropvolgende maandag, 72 uur na de acquisitiefase, werden 30 retentietests en 20 transfertests in willekeurige volgorde uitgevoerd. De PFC-activiteit werd tijdens alle fasen gemonitord voor 16 opto-locaties. Met behulp van fNIRS omvatten de afhankelijke variabelen relatieve veranderingen in het gemiddelde oxygenated hemoglobin en gedragsmaten van de totale tijd, het pad, de lengte en de gemiddelde snelheid voor de doolhoven.

De resultaten van het gedrag tonen aan dat er voor beide volgordes van oefening een monotonisch dalende trend is voor de doolhof-tijd, de totale tijd die nodig is om het doolhof te voltooien, wat suggereert dat de deelnemers het doolhof in kortere tijdsperioden voltooiden naarmate ze meer oefenden; dit is te verwachten bij gedragsmatige beoordelingen van leren. Daarnaast neemt de doolhof-snelheid, de gemiddelde snelheid waarmee deelnemers door het doolhof navigeren, toe met de oefening. Ook hier is een verbetering in de gedragsmatige maten over de tijd verwacht als gevolg van het leerproces bij deze resultaten.

Er is een zij-aan-zijvergelijking van willekeurige versus bloktraining voor elke transfertaak voor de eenvoudigere transfertaak. Bij doolhof vier presteerde bloktraining beter dan willekeurige training. Echter, voor de moeilijkere transfertaak, doolhof vijf, was willekeurige training superieur aan bloktraining.

Veranderingen in de hemoglobineconcentratie tijdens de oefenproeven geven aan dat de geblokkeerde volgorde een hogere hersenactivatie vereiste in vergelijking met de willekeurige volgorde. Daarnaast bleek uit een vergelijking binnen een oefenvolgorde voor het geblokkeerd leren dat een nieuwe taak, zoals in de transferfase, een hogere hersenactivatie vereiste, aangezien de oefenvolgorde anders was voor de taken die al waren aangeleerd.

Voor de deelnemer die de taak in een geblokkeerde volgorde leerde, kan deze gestratificeerde willekeurige oefenvolgorde voldoende nieuw zijn geweest om extra inspanning en cognitieve middelen te vereisen voor het uitvoeren van de taak. Bovendien was voor de willekeurige oefenvolgorde de neurale activatie tijdens de transferfase niet hoger dan tijdens de retentiefase. Concluderend heeft deze explorerende studie het gebruik van de May-suite en FNIR aangetoond om neurobehaviorale aspecten van leren bij ruimtelijke navigatie te bestuderen.

May Suite maakt het ontwerp en de toepassing van eenvoudige 3D-omgevingen mogelijk via een gebruiksvriendelijke grafische interface en registreert automatisch gedragsmatige maten voor vergelijkingen binnen of tussen proefpersonen. fNIRS is een draagbaar, veilig en niet-invasief instrument voor hersenmonitoring dat in klinische laboratoria en natuurlijke omgevingen is gebruikt om hersenactivatie te bestuderen. We hopen dat deze presentatie nuttig was bij het uitleggen van deze instrumenten.

Veel succes met uw experimenten.