Проведение нейробиологических исследований в естественных условиях приобретает все большее значение, поскольку это дает новые актуальные данные о поведении человека и нейронных механизмах в повседневной жизни. По сравнению с другими методами нейровизуализации, fNIRS (функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия) обладает техническими преимуществами, такими как портативность, простота использования и нечувствительность к артефактам (искажениями) движения испытуемого, что делает этот метод идеальным для использования в естественных условиях.
В этой статье мы обсуждаем различные области применения fNIRS (функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия) в естественных условиях, приводим примеры исследований по каждой категории и объясняем, какие решения мы можем предложить для развития применения fNIRS в реальных условиях.
Исследование обучаемости и нейронного развития детей
Последние исследования нейробиологического развития детей младенческого возраста, детей младших классов и подростков, проведение исследований в естественных условиях приводит к новым открытиям и повышает актуальность исследований, касающихся поведения в реальном мире. В этом плане функциональная ближнеинфракрасная спектроскопия (fNIRS) стала популярным инструментом для изучения мозга во время социального взаимодействия исследуемых, обучения или других повседневных ситуаций у детей с нормальным и атипичным развитием.
Последние проведенные исследования:
- В исследовании гиперсканирования, проведенном Фэнем и др. (Feng et al.), функциональная ближнеинфракрасная спектроскопия (fNIRS) была объединена с машинным обучением для изучения нейронных механизмов реального обучения в классе. Активность мозга и взаимосвязи группы из 16 учеников и одного преподавателя измерялись в режиме реального времени с помощью fNIRS устройства Brite во время смешанного обучения и лекционных занятий в одиночку. Эта работа показывает новые возможности гиперсканирования методом fNIRS для оценки обучаемости детей в реальных классах.
- Еще одна группа ученых, Bulgarelli et al., создали проект виртуальной реальности, имитирующую реальный мир, и объединили его с fNIRS для изучения социального взаимодействия детей дошкольного возраста. По проекту дети играют в игру с лопанием мыльных пузырей с различными человекоподобными аватарами, в то время как активность мозга измеряется с помощью DualBrite. Это исследование закладывает основу для реальных сценариев по изучению социального взаимодействия у детей дошкольного возраста и малышей.
Предлагаемые инструменты fNIRS (функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия):
Со своей сторон мы предлагаем широкий ассортимент устройств fNIRS, которые можно использовать для изучения развивающегося мозга:
- Благодаря малым габаритам, небольшому весу и полной портативности, прибор Brite можно с комфортом использовать для измерения активности мозга в любой области коры у детей дошкольного возраста, подростков и взрослых в различных условиях.
- Более специализированный прибор BabyBrite специально разработан для провдения наблюдений у младенцев в возрасте от 0 до 2 лет с учетом максимального их комфорта.
- Устройство Brite Lite Frontal mini идеально подходит для изучения префронтальной нейронной активности у детей дошкольного возраста.
Оценка влияния физической активности и спорта
Изучение активности мозга во время физических тренировок или занятий спортом может дать ценную информацию о принятии решений и концентрации внимания. Кроме того, это может помочь определить когнитивную нагрузку во время интенсивных физических упражнений или предоставить информацию об уровне физической подготовки. Устройства fNIRS — идеальный инструмент нейровизуализации для проведения исследований во время занятий спортом и физических упражнений, поскольку он портативен, прост в применении и относительно нечувствителен к артефактам движения по сравнению с другими методами.
Примеры исследований:
- Гудрик и др. (Goodrick et al.) использовали прибор Brite для изучения активности префронтальной коры головного мозга до, во время и после выполнения 23-минутной сессии асан йоги. Результаты показаний выявили интрацеребральную связь в лобных областях. В целом, это исследование показало потенциал fNIRS для получения новых данных об активности мозга в реальных условиях, связанных с дыхательной гимнастикой.
- В Университете Твенте (Нидерланды) Слаттер и его коллеги, Slutter & colleagues, замеряли мозговую активность на предмет тревожности во время проведения пенальти у опытных спортсменов и менее опытных футболистов-любителей с помощью fNIRS. Прибор Brite использовался для измерения активности мозга во время выполнения пенальти футболистами в различных условиях. Это исследование заложило первую основу для доказательства возможности использования fNIRS в полевых условиях во время физической активности.
В линейке fNIRS устройств типа Brite мы предлагаем группу устройств, отличающихся полной портативностью, простотой использования и малым весом, при этом сохраняя функции, позволяющие получать высококачественные данные даже во время движения и на открытом воздухе, например, многоуровневое управление усилением и встроенную защиту от окружающего освещения. С помощью Brite и Brite Lite можно проводить измерения в любой области коры головного мозга, например, оценки активности в лобных и/или моторных областях. Программное обеспечение OxySoft включает в себя решения для постоянной оценки качества сигнала, что позволяет контролировать качество данных даже во время движения.
Изучение благополучия и когнитивной нагрузки человека
Исследование благополучия человека приобретает все большее значение в мире когнитивной нейронауки. Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) может быть использована для измерения когнитивной нагрузки и лучшего понимания нейронных механизмов, лежащих в основе повседневных событий, которые способствуют благополучию в естественных условиях.
- Научная группа проф. Дюпюи и др., Dupuy et al., провела исследование, чтобы изучить потенциальную связь между активностью префронтальной коры и психологическим состоянием пожилых людей во время посещения музеев. Фронтальная активность участников измерялась с помощью прибора Brite во время 20-минутного посещения выставки в Монреальском музее изящных искусств (Montreal Museum of Fine Arts). Результаты показали, что уровень вовлеченности во время наблюдения произведений искусства влияет на общий уровень тревожности.
- Шведский университет (The Swedish University of Agricultural Science) создал лабораторию изучения здоровья и благополучия человека в естественных условиях, сосредоточившись на улучшении носимых датчиках fNIRS устройств семейства Brite. В их последней работе обсуждается создание лаборатории SENOLA, а также методологические подходы и проблемы, которые помогут разработать рекомендации для исследований, проводимых в реальных условиях.
Префронтальная кора — это область мозга, преимущественно участвующая в когнитивных процессах. Мы предлагаем ряд портативных и быстросъёмных устройств fNIRS, разработанных для простого использования в лобных областях мозга:
- Brite Frontal, поставляется со специальной повязкой на голову и программной преднастройкой, оптимизированной для лобных областей. Идеально подходит для измерения активности мозга во всей префронтальной коре.
- Brite Lite Frontal поставляется со специально разработанной повязкой на голову и может регистрировать активность лобных областей по 8 каналам с временем настройки всего несколько секунд.
Проведение прикладных нейробиологических исследований
В прикладных нейробиологических исследованиях особенно важна возможность проведения экспериментов в реальных условиях. Метод fNIRS позволяет гибко настраивать оборудование, что дает возможность его использования в необычных и экстремальных условиях, например, под водой или даже в космосе.
Примеры исследований:
- Д’Амарио и др. (D’Amario et al.) оценили сердечную ритмику музыкантов, выступавших в Ставангерском симфоническом оркестре и Норвежском радиооркестре, а также отдельных зрителей. fNIRS прибор Brite использовался для измерения мозговой активности двух скрипачей во время игры. Это исследование показало возможность использования fNIRS в естественных условиях, связывая области музыки и науки.
- В сотрудничестве со Ставангерским симфоническим оркестром Фагерланд и его научная группа., Fagerland et al., провели исследование по измерению мозговой активности участников оркестра во время концертных выступлений. Активация правой височной нейронной сети была получена с помощью прибора Brite и спроецирована на аудиторию, а протоколы для дальнейшего анализа были разработаны в программах Brainstorm и Homer. Результаты продемонстрировали возможность использования fNIRS для оценки мозговой активности во время погружения испытуемых в искусство и творческую деятельность в естественных условиях.
- В компании Triton Systems, Inc. модифицированное под глубоководное погружение fNIRS устройство Brite используется для измерения активности мозга во время погружений аквалангистов. Были проведены изменения активности мозга в ответ на изменения состава дыхательных газов, когнитивную нагрузку и глубину. Это исследование показывает не только универсальность fNIRS устройств, но и демонстрирует их потенциал для использования в экстремальных ситуациях.
По итогу устройство Brite показало свою универсальность в исследования в функциональной ближней спектроскопии, практически не имеющее ограничений по объекту исследования, области измерения или экспериментальным условиям. Оно идеально подходит для использования в прикладных науках и доказало свою применимость в различных условиях за пределами обычной лаборатории.
