Working memory performance assessment while monitoring the prefrontal cortex hemodynamics by means of functional near infrared spectroscopy

Abstract

İşlevsel hafızanın fonksiyonel nöro-görüntülenmesi çalışmalarında sıkça kullanılan deneysel paradigmalarından biri de n-öncesi testidir. Bu testte deneklerden sözlü yada sözlü olmayan bir seri uyaranın konum yada kimligini belirlemeleri ve o anda verilen uyaranın ?n? önceki uyaranla aynı olup olmadığını tespit etmeleri beklenir. İşlevsel hafızanın işlemesini gerektiren bu tür bilişsel görevlerde dorsolateral ve ventrolateral prefrontal korteksin çalıştığı önceki bilimsel çalışmalarla sabittir. İnvazif olmayan fonksiyonel yakın kızıl ötesi spektroskopi (fNIRS) kortekse ilişkin oksijenli (HbO¬¬¬2)ve oksijensiz (deoksiHb) hemoglobin konsantrasyon değişimlerinin ölçülmesine olanak verir.Bu tezde dokuz yüksek lisans öğrencisinin prefrontal korteks aktivitesi, artan işlevsel hafıza yükü içeren n-öncesi testi yapılırken , fonksiyonel kızıl ötesi spektroskopi ile ölçülmüştür. Test esnasında oluşan hemodinamik tepki fonksiyonunu modellemek için gama fonksiyonu, fonksiyonun önemli parametrelerini belirlemek içinse istatistiksel analiz yöntemleri uygulanmıştır.Uygulanan modele göre, yakın kızıl ötesi spektroskopik sinyalinden elde edilen hemodinamik tepki fonksiyonunun parametreleri, işlevsel hafıza yükü ile belirgin bir korelasyon göstermiştir. Bu korelasyon özellikle alna takılan probun sağ ve sol bölge kanallarında gözlenmiştir. Tezde uygulanan model işlevsel hafıza yükünün, bir nöro-görüntüleme yöntemi olan fonksiyonel kızıl ötesi spektroskopi ile ölçülmesine olanak vermiştir.Anahtar Sözcükler: İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi, İşlevsel Hafıza, n-önceki, Prefrontal Korteks, Gama fonksiyonu, Hemodinamik Tepki Fonksiyonu

One of the most popular experimental paradigms for functional neuroimaging studies of working memory has been the n-back task, in which subjects were asked to monitor the identity or location of a series of verbal or nonverbal stimuli and to indicate when the currently presented stimulus is the same as the one presented n trials previously. It is well known that dorsoleateral and ventrolateral prefrontal cortex is especially active during cognitive task requiring working memory performance. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is an optical imaging method, which allows non-invasive in vivo measurements of changes in the concentration of oxygenated (HbO2) and deoxygenated (DeoxyHb) haemoglobin in cortical tissue.In this thesis functional near infrared spectroscopy was used to determine the activity on prefrontal cortex while 9 graduate student subjects were asked to take an n-back test involving increasing amounts of working memory load. A gamma function variate was used to model the hemodynamic response behavior during the task and statistical analysis on data was applied to determine important parameters from the near infrared spectroscopic signals that are in correlation with the working memory load.According to the model applied, a significant correlation between the working memory load and hemodynamic response function parameters determined form the near infrared spectroscopic signal, was observed especially on left and right channels on the forehead probe of NIRS device. Model applied in this thesis enabled a quantification of the working memory load solely by using fNIRS as a neuroimaging device.Keywords: Functional Near-Infrared Spectroscopy, Working Memory, n-back, Prefrontal Cortex, Gamma function, Hemodynamic Response Function