Optimierung der funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS): Differenzierung kortikaler und extrazerebraler Signale
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die funktionelle Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) ermöglicht wie die funktionelle Magnet-Resonanz-Tomographie (fMRT) die Messung kortikaler Durchblutung als Indikator für Hirnaktivität (BOLD; blood-oxygen level dependent signal). Da die fNIRS nicht nur die Durchblutungsveränderung in kalottennahen Hirnregionen, sondern auch der Haut und Muskulatur des Kopfes misst, ist es von besonderer Bedeutung, den Anteil dieses extrazerebralen Rauschens am Gesamtsignal der fNIRS und deren Ursachen (z.B. muskuläre oder kardiovaskuläre Aktivität) zu identifizieren. Ziel des Projekts war die genaue Untersuchung des extrazerebralen Rauschens in der fNIRS und Entwicklung von Konzepten zur Vermeidung oder Korrektur. Eine Form des extrazerebralen Rauschens stellt die muskuläre Hämodynamik dar, welche bisher im Forschungsfeld der fNIRS noch nicht berücksichtigt wurde. Wir konnten zeigen, dass die Kontraktion des Schläfenmuskels zu einer massiven hämodynamischen Antwort führt, die dem BOLD-Signal ähnlich ist, es aber in der Latenz und Amplitude um ein Vielfaches übersteigt. Zu einer Kontraktion des Schläfenmuskels kommt es häufig unbewusst beim Schlucken oder wenn sich Versuchspersonen konzentrieren. Dieses Artefakt ist außerdem nicht, wie ursprünglich von uns angenommen, auf den Schläfenbereich beschränkt, sondern dehnt sich in Form eines Signalabfalls in frontale Bereiche aus. Die Erhebung extrazerebraler Maße wie der Muskelaktivität mittels EMG oder der oberflächlichen Durchblutung mittels short distance NIRS (SD-NIRS) war nur bedingt geeignet, um Muskelartefakte auf Einzelfallebene zu modellieren. Somit ist es bei der Untersuchung temporaler und frontaler Gehirnareale mittels der fNIRS wichtig das Schläfenmuskelartefakt durch sorgfältige Aufklärung der Probanden schon im Vorfeld zu verhindern. Wichtig für die Zukunft ist zudem auch die Etablierung entsprechender Korrekturen für diese signifikante Artefakt, das bisher nicht bei fNIRS-Studien berücksichtigt wurde. Zudem konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Methoden SD-NIRS, Blutpuls-, Atemtiefe,- und Blutdruckmessung geeignet waren um den systemischen Anteil im fNIRS-Signal zu messen. Abhängig von der Art der physiologischen Reizung, erfasst insbesondere das SD-NIRS-Signal diesen Anteil. Zur Korrektur für ein kognitives (n-back) oder emotionales Paradigma scheinen diese Methoden kaum geeignet. Hier genügt es die Zeitreihen des HHb zu berücksichtigen, da deren Datenqualität kaum von extrazerebralen Rauschen beeinträchtigt wurde. Schließlich konnte eine Methode entwickelt werden, die es ermöglicht, das Arousal-Niveau während einer Messung aus den fNIRS-Daten selbst abzuschätzen. Dazu wird die Blutpulswelle aus dem oberen Frequenzbereich der NIRS-Daten extrahiert und die zeitlichen Abstände zwischen den Herzschlägen gewonnen. Somit kann die Herzratenvariabilität aus dem fNIRS-Signal generiert weden, die als Maß für die Tätigkeit des autonomen Nervensystems dient. Es zeigte sich, dass das Arousal der Versuchspersonen während der Präsentation emotionaler Bilder und während der Bearbeitung einer anspruchsvollen Arbeitsgedächtnisaufgabe (n-back) signifikant gegenüber dem Grundzustand erhöht war. Die Korrelation zwischen Arousalhöhe und Signalabfall im O2Hb bzw. Signalanstieg im HHb war signifikant im fronto-polaren Bereich. Dieses Ergebnis gibt wichtige Einblicke in den Mechanismus Arousal-induzierter Artefakte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Reconstructing functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) signals impaired by extra-cranial confounds: an easy-to-use filter method. Neuroimage, 95, 69-79 (2014)
F. B. Haeussinger, T. Dresler, S. Heinzel, M. Schecklmann, A. J. Fallgatter and A. C. Ehlis
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.02.035) - Static and Dynamic Influences on Functional Near- Infrared Spectroscopy, Department of Psychiatry and Psychotherapy & Graduate School for Neuroscience, University of Tuebingen, Tuebingen (2015)
Florian Häußinger
- The temporal muscle of the head can cause artifacts in optical imaging studies with functional near-infrared spectroscopy. Frontiers in Human Neuroscience, 11, 456 (2017)
M. Schecklmann, A. Mann, B. Langguth, A. C. Ehlis, A. J. Fallgatter and F. B. Haeussinger
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fnhum.2017.00456) - Verbesserung und Weiterentwicklung der Messmethoden zur Differenzierung kortikaler und extrakortikaler Signalanteile der funktionellen Nahinfrarotspektroskopie. Department of Psychiatry and Psychotherapy. University of Tuebingen, Tuebingen (2017)
Alexander Mann
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.15496/publikation-18848)
