Functional near infrared spectroscopy as a tool for neuroimaging studies

Abstract

ÖZET SİNİR GÖRÜNTÜLEME YÖNTEMİ OLARAK İŞLEVSEL YAKIN KIZIL ÖTESİ SPEKTROSKOPİSİ Sinir görüntüleme tekniklerinin amacı beyin aktivasyonu sırasında ortaya çıkan değişikliklerin miktarını ölçmek ve yerini belirlemektir. İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi, aktif beyin alanlarındaki metabolik ve kan dinamiği değişikliklerini belirleyebilen sinir görüntüleme yöntemlerinden biridir. Beyin aktivasyonu ile ilişkili olan beyin oksijen metabolik oranı, beyin kan akımı ve beyin kan hacmindeki değişiklikler, damar-sinir bağlantısı parametreleridir. İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi, işlevsel beyin aktivasyonu sırasında damar-sinir bağlantısı parametreleri ile ilgili spektroskopik bilgi sağlar. Bu çalışmanın amacı, bilişsel ödevin gerçekleşmesi sırasında prefrontal kortekste kanın oksijenlenmesi ile bilişsel aktivite arasında nasıl bir ilişki olduğunu İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi yöntemiyle göstermektir. Bu amaçla 6 sağlıklı denek üzerinde Hedef Belirleme Ödevi çalışması yapıldı ve gelecekte yapılacak çalışmaları tetikleyici ön sonuçlar sunuldu. Literatürde aym ödev sırasında fMRI sinyalinde orta orbitofrontal bölge üzerinde artış olduğu gösterilmesinden esinlenilerek çalışmamızda aynı bölgeye denk 8. optik algılayıcıdan veri toplandı. Alınan deoksihemoglobin [HB] ve oksihemoglobin konsantrasyonu [HBO2] sinyalleri, davranışsal cevap zamanı, gecikme, genlik ve zaman sabiti (t) değerlerinin hesaplanabilmesi için bir gamma fonksiyonu üzerine oturtuldu. [HB] ve [HBO2] cevaplarına ait bu parametrelerdeki değişiklikler ile ilgili bilgilere ulaşmak amacıyla Pearson korelasyon katsayısı analizi ve eşli t-testleri yapıldı. Bir ön çalışma olarak elde edilen sonuçlar, insan denekler üzerinde deneysel çalışmaların devamım desteklemektedir. fMRI, EEG ve diğer yöntemlerle birlikte yapılacak çalışmalar, beyin fonksiyon ve bozukluklarının belirlenmesinde hızlı, non- invazif ve düşük maliyetli olan İşlevsel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi tekniğinin klinikteki kullanımım yaygınlaştıracağını düşünmekteyiz. Anahtar Sözcükler: Fonksiyonel Yakın Kızıl Ötesi Spektroskopi, Beyin enerji Metabolisması, Kan Dinamiği Cevabı, [HBO2], [HB].

IV ABSTRACT FUNCTIONAL NEAR INFRARED SPECTROSCOPY AS A TOOL FOR NEUROIMAGING STUDIES Techniques to monitor brain function called functional neuroimaging techniques aim to localize and quantify physiologic changes during mental activity. Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is one of the neuroimaging techniques based on measuring events, which are associated with hemodynamic and metabolic changes in active brain areas. fNIRS provides spectroscopic information on neurovascular coupling parameters during functional brain activation where neurovascular coupling is a generic term for changes in cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2), cerebral blood flow (CBF), and cerebral blood volume (CBV) related to brain activity. The aim of this study is to understand how blood oxygenation of the prefrontal cortex relates to the cognitive activity through detection of task-relevant cognitive events with functional NIRS. For this purpose, Target Detection Task Procedure was performed. We present a preliminary report on this study in order to stimulate further research. Data obtained from 6 healthy subjects was extracted from the eighth photodetector that is located over the middle orbitofrontal region from where fMRI signal increase has been found during the same task. Measured hemodynamic responses are fitted to a gamma function in order to estimate the values of behavioral response time (RT), latency (L), amplitude (C), and time constant (x) for HBO2 and HB data. Pearson Correlation Coefficient analysis and paired t-tests was performed to maintain information about changes in the parameters of [HBO2] and [HB] response to the infrequent target detection task. Preliminary results are promising to continue experimental studies on human subjects. The present investigations support the results from fMRI studies. Cross validation studies with fMRI, EEG and other modalities would secure the future of this technique as a rapid, non-invasive, affordable tool to assess brain functions and disorders. Keywords: fNIRS, Brain energy metabolism, Hemodynamic Response, [HBO2], [HB].