医療情報システム研究室 認知負荷班 【文献調査】 Model-based analysis of rapid event-related functional near-infrared spectroscopy (NIRS) data: A parametric validation study 真島 希実 廣安 知之 山本 詩子 2015 年 1 月 15 日 1 タイトル 事象関連機能的近赤外光法のモデルに基づく解析 2 著者 M.M. Plichta, S. Heinzel, A.-C. Ehlis, P. Pauli and A.J. Fallgatter 3 出典 TRENDS in Cognitive Sciences Vol.35, pp. 625-634, April 2007 4 キーワード Functional near-infrared spectroscopy, Event-related, GLM, Two-stage ordinary least square, Parametric design, Modelbased approach, Methods 5 アブストラクト 機能的近赤外分光法(fNIRS)データのための一般的な線形モデル(GLM)によるモデルに基づいた解析の有 用性を確認するために,予測できない刺激配列と事象関連パラダイムを 15 人の健康な被験者に適用した.パラメ トリックデザインは 4 つの異なった段階的なコントラストのチェッカーボードを呈示したものが選ばれ,誘発血行 動態応答振幅の順番についての仮説が可能となる.結果は 3 つの主要な知見により振幅推定の有効性を示す. (a) 非視覚的な分野で体系的活性化は検出されなかったのに対し,視覚野において,fNIRS データのための GLM 提 案は 4-9 秒(6.5 秒平均)の刺激間間隔で人間の脳の活性化を識別することが可能. (b) 異なるコントラストレベ ルの強度は GLM 振幅パラメータの仮説ランク順に通じる.最高のコントラストによって誘発される視覚野の活 性化 > 適度なコントラスト > 最低のコントラスト > 刺激なし(c)無刺激は視覚野または他の脳領域内の任意の 有意な活性化を生じなかった.私たちはモデルベースの GLM のアプローチが有効な fNIRS の振幅推定を提供し, fNIRS 研究のため特に関連性の高い事象関連の fNIRS データ系列の分析を可能にする. 6 参考文献 [1] M.A. Burock, R.L. Buckner, M.G. Woldorff, B.R. Rosen, A.M. Dale (1998) Randomized event-related experimental designs allow for extremely rapid presentation rates using functional MRI, NeuroReport, 9 (16), pp. 3735-3739 ランダム化されたパラダイムに事象関連 fMRI の実験を行うことの実現可能性を実証 [2]B.R. Rosen, R.L. Buckner, A.M. Dale, Event-related functional MRI: past, present, and future, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 95 (3) (1998), pp. 773-780 事象関連機能 MRI は脳機能を調べるために根本的に新しい方法 を提供する [3] Pollmann S, Dove A, Yves von Cramon D, Wiggins CJ., (2000) Event-related fMRI: comparison of conditions with varying BOLD overlap., Hum Brain Mapp. 9(1), pp.26-37. fMRI 実験の重複 BOLD 応答のイベント 関連信号を比較 [4] G.M. Boynton, S.A. Engel, G.H. Glover, D.J., Heeger Linear systems analysis of functional magnetic resonance imaging in human V1 J. Neurosci., 16 (13) (1996), pp. 4207-4221 fMRI の応答が平均神経活動がある 1 期間にわたって比例していることを仮定する検証 [5] R.L. Buckner, P.A. Bandettini, K.M. O’Craven, R.L. Savoy, S.E. Petersen, M.E. Raichle, B.R. Rosen Detection of cortical activation during averaged single trials of a cognitive task using functional magnetic resonance imaging, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 93 (25) (1996), pp. 14878-14883 認知課題の単一試験から の fMRI データを取得するための方法 [6] M.G. Woldorff, Distortion of ERP averages due to overlap from temporally adjacent ERPs: analysis and correction Psychophysiology, 30 (1) (1993), pp. 98-119 ERP 平均の歪みを解析するための信号処理手法を説明 [7] J.T. Serences, A comparison of methods for characterizing the event-related BOLD timeseries in rapid fMRI NeuroImage, 21 (4) (2004), pp. 1690-1700 モンテカルロ・シミュレーションは通常の最小二乗法を使用し てイベント関連 BOLD 時系列イベント関連の平均化とデコンボリューションを推定するための 2 つの手法を評価 推定する [8] A.M. Dale, R.L. Buckner, Selective averaging of rapidly presented individual trials using fMRI Hum. Brain Mapp., 5 (5) (1997), pp. 329-340 事象関連電位(ERP)の実験に適用されるものと同様の選択的な平均化技術は 機能的磁気共鳴画像法(fMRI)の応答を実証するために使用することができるかどうかを検討 [9] K.J. Friston, A. Holmes, K. Worsley, J. Poline, Statistical parametric maps in functional imaging: a general linear approach Hum. Brain Mapp., 2 (1995), pp. 189-210 実験的なレイアウトとその後の分析(要因, 共変量と 要因の相互作用のための固定効果を持つように設計した実験)のほとんどの形態に適応する一般的なアプローチ を提示 [10]K.J. Worsley, K.J. Friston, Analysis of fMRI time-series revisited-again NeuroImage, 2 (3) (1995), pp. 173-181 一般的な線形モデルおよび有効自由度のヒューリスティック分析に基づいの fMRI 時系列的にアクティベー ションを検出するための方法を提示 [11] M.L. Schroeter, M.M. Bucheler, K. Muller, K. Uludag, H. Obrig, G. Lohmann, M. Tittgemeyer, A. Villringer, D.Y. von Cramon Towards a standard analysis for functional near-infrared imaging NeuroImage, 21 (1) (2004), pp. 283-290 光学撮像データに十分に確立された一般的な線形モデルを適用 [12]S.G. Horovitz, J.C. Gore Simultaneous event-related potential and near-infrared spectroscopic studies of semantic processing Hum. Brain Mapp., 22 (2) (2004), pp. 110-115 近赤外光トポグラフィは信号及び事象関連 電位(ERP)によって生成された血行動態及び電気生理学的応答を検出するためタスクの間に同時に測定 [13] M. Izzetoglu, K. Izzetoglu, S. Bunce, H. Ayaz, A. Devaraj, B. Onaral, K. Pourrezaei Functional nearinfrared neuroimaging IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., 13 (2) (2005), pp. 153-159 NIRS 脳計測装置 (fNIR)はヒト脳機能に関する血液酸素化及び血液量の変化を連続非侵襲的,ポータブル監視を可能 neroimaging 様式 [14] G. Jasdzewski, G. Strangman, J. Wagner, K.K. Kwong, R.A. Poldrack, D.A. Boas Differences in the hemodynamic response to event-related motor and visual paradigms as measured by near-infrared spectroscopy NeuroImage, 20 (1) (2003), pp. 479-488 近赤外 分光法(NIRS)は、ヒトにおけるタスク実行中のオキシヘモグ ロビンのレベル(の HbO 2)及び HBr の定量化を可能にする [15] R.P. Kennan, S.G. Horovitz, A. Maki, Y. Yamashita, H. Koizumi, J.C. Gore Simultaneous recording of event-related auditory oddball response using transcranial near infrared optical topography and surface EEG NeuroImage, 16 (3 Pt. 1) (2002), pp. 587-592 [16] M.M. Plichta, M.J. Herrmann, A.C. Ehlis, C.G. Baehne, M.M. Richter, A.J. Fallgatter Event-related visual versus blocked motor task: detection of specific cortical activation patterns with functional near-infrared spectroscopy Neuropsychobiology, 53 (2) (2006), pp. 77-82 同時 ERP 電気的記録とヒト対象における非侵襲的光 学マッピングの最初のデモンストレーション [17] M.M. Plichta, M.J. Herrmann, C.G. Baehne, A.-C. Ehlis, M.M. Richter, P. Pauli, A.J. Fallgatter Eventrelated functional near-infrared spectroscopy (fNIRS): are the measurements reliable? NeuroImage, 31 (1) (2006), pp. 116-124 ヒトの皮質の活性化の検出を近赤外分光法でマルチチャネル機能の地域の特異性調査する. [18] M.L. Schroeter, S. Zysset, T. Kupka, F. Kruggel, D. Yves von Cramon Near-infrared spectroscopy can detect brain activity during a color?word matching Stroop task in an event-related design Hum. Brain Mapp., 17 (1) (2002), pp. 61-71 [20] M.A. Franceschini, S. Fantini, J.H. Thompson, J.P. Culver, D.A. Boas Hemodynamic evoked response of the sensorimotor cortex measured noninvasively with near-infrared optical imaging Psychophysiology, 40 (4) 2 (2003), pp. 548-560 誘発応答血行動態がの感覚運動皮質での指のタスクに非侵襲的な二国間の光学イメージング 研究 [21] D.A. Boas, G. Strangman, J.P. Culver, R.D. Hoge, G. Jasdzewski, R.A. Poldrack, B.R. Rosen, J.B. Mandeville Can the cerebral metabolic rate of oxygen be estimated with near-infrared spectroscopy? Phys. Med. Biol., 48 (15) (2003), pp. 2405-2418 NIRS データ評価のための新しい方法血行動態応答分析を可能とする. [22] G. Avidan, M. Harel, T. Hendler, D. Ben Bashat, E. Zohary, R. Malach Contrast sensitivity in human visual areas and its relationship to object recognition J. Neurophysiol., 87 (6) (2002), pp. 3102-3116 コントラ ストで観察することができるかどうかを検討 [23] G.M. Boynton, J.B. Demb, G.H. Glover, D.J. Heeger Neuronal basis of contrast discrimination Vision Res., 39 (2) (1999), pp. 257-269 コントラストからしきい値を推測ニューロンの応答と比較した [24]D.J. Heeger, D. Ress What does fMRI tell us about neuronal activity? Nat. Rev., Neurosci., 3 (2) (2002), pp. 142-151 我々は機能的な撮像データを解釈するために正しくある場合は fMRI の信号が必要とされているどの ように影響するかをより理解 [25]R.B. Tootell, N.K. Hadjikhani, W. Vanduffel, A.K. Liu, J.D. Mendola, M.I. Sereno, A.M. Dale Functional analysis of primary visual cortex (V1) in humans Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 95 (3) (1998), pp. 811-817 我々は機能的 MRI が増加し測定することにより V1 における方位選択性のための証拠を示した 3
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