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NIRS-SPMを用いて音韻論的短期記憶に関連する皮質活動を評価するためのfNIRSオプトーデの二重密度アライメントの利点
Advantages of double density alignment of fNIRS optodes to evaluate cortical activities related to phonological short-term memory using NIRS-SPM.
PMID: 32679442 DOI: 10.1016/j.heares.2020.108024.
抄録
音韻論的短期記憶(STM)とワーキングメモリ(WM)の能力は、音韻情報の時間的記憶であり、言語発達を促進します。この能力は先天性難聴の人工内耳ユーザーではしばしば障害されます。機能的近赤外分光法(fNIRS)は、人工内耳によって発生する磁気的および電気的アーチファクトに対する耐性のため、この障害の根本的なメカニズムを明らかにするのに有用である可能性があります。しかし、標準的なfNIRSの空間分解能は、STM/WM課題における音韻情報の維持に関連する皮質活動を評価するには不十分であると考えられる。本研究では、14名の健聴成人を対象に、一般化線形モデル(GLM)を用いた統計解析において、空間分解能を向上させるためにfNIRSの二重密度アライメントを適用し、聴覚または視覚提示を伴う疑似単語STM課題の3つの段階(符号化、維持、検索)における皮質活動を推定した。fNIRS optodesの二重密度配列には2つの標準密度配列が含まれているため、オフライン解析では、測定された皮質血行動態応答は、2つの独立した標準密度配列からのデータと、2倍のチャネル密度を持つ1つの二重密度配列(DD-配列)からのデータとして解析することができます。2つの標準アレイは、聴覚課題と視覚課題の各段階で同様のパターンの皮質活性化を示し、我々のfNIRS解析の信頼性を証明したが、視覚課題の維持段階を含む12の条件のうち2つでは有意な皮質活性化を検出することができなかった。一方、DD-arrayでは、全ての条件で有意な皮質活性化が認められた。一方、DD-arrayでは、すべての条件で有意な大脳皮質活性化が認められた。本研究は、fNIRSオプトードの二重密度配置で空間分解能が向上していることを示した前回のファントム研究を裏付ける初めての臨床研究である。これらの知見は、STM/WM研究におけるfNIRSベースの皮質活動の推定における信頼性と空間分解能の向上を示唆しているが、CI集団におけるこの手法の有用性を決定するためには、さらなる研究が必要である。
Phonological short-term memory (STM) and working memory (WM) capacity, which is temporal storage of phonological information, facilitates language development. This capacity is often impaired in cochlear implant (CI) users who have congenital hearing loss. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is potentially useful to reveal underlying mechanisms of this impairment due to its tolerance to magnetic and electrical artifacts generated by CIs. The spatial resolution of the standard fNIRS, however, seems inadequate to evaluate cortical activity associated with the maintenance of phonological information in the STM/WM tasks. In the present study recruiting 14 normal hearing adults, we applied a double density alignment of fNIRS optodes to improve spatial resolution in the generalized linear model (GLM)-based statistical analysis using NIRS-SPM, in which cortical activities were estimated during each of three stages (encoding, maintenance, and retrieval) in pseudoword STM tasks with auditory or visual presentation. Since the double density alignment of fNIRS optodes contains two sets of standard density arrays, in the off-line analysis the measured cortical hemodynamic responses can be analyzed as data from two independent standard density arrays as well as those from one double density array (DD-array) which has two times higher density of channels. The two standard arrays demonstrated a similar pattern of cortical activation at each stage of the auditory and visual tasks, which proved the reliability of our fNIRS analysis, but failed to detect significant cortical activation in 2 of 12 conditions including the maintenance stage in the visual task. On the other hand, DD-array revealed significant cortical activation in all conditions. These differences were observed when estimated cortical activation was localized in small regions, which suggests higher spatial resolution in DD-array than the standard arrays. In our knowledge, this is the first clinical study supporting the previous experimental phantom study which demonstrated improvement of spatial resolution in the double density arrangement of fNIRS optodes. These findings imply that the double density alignment of fNIRS optodes improves reliability and spatial resolution in fNIRS-based estimation of cortical activity in the STM/WM studies, although further studies are required to determine usefulness of this method in the CI population.
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