日常世界中的神经成像
需求：健康的大脑是如何工作的，以及如何预防和治疗获得性和发展性大脑疾病是当代神经科学澳门威尼斯人注册网站研究的主要目标之一，也是brain倡议的主要焦点。催化这种创新科学突破的唯一途径是整合多学科团队，以增强当前的神经科学技术，并将其快速有效地应用于健康和临床人群。以功能磁共振成像（fMRI）为主导的当前技术，推动了我们对良好控制和约束条件下大脑功能的理解取得了深刻进展。例如,我们现在有伟大的见解健康运转的大脑神经发育1,知觉和认知2和电机控制3。此外,这些见解导致几个特征的发展,在发展中潜在的诊断和针对性干预措施自闭症谱系障碍4 - 7等脑部疾病,帕金森病8,创伤性脑损伤(TBI) 9日10日中风11、12和13慢性创伤性脑病。虽然我们在有限的实验室环境下的单快照实验中更好地了解了大脑的功能，但我们不知道它在动态、复杂和多感官的现实环境中是如何工作的。向前推动这一重要工作的挑战是不断有能力实时追踪人类大脑功能和行为理解健康的大脑是如何工作的,以及如何以及何时失败在简单的人类行为发生。波士顿大学神经光子学中心（NPC）的“日常世界中的神经成像（NEW）”技术，正在根据美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院大脑倡议合同U01-EB029856进行开发，将使这成为可能，并带来一场与fMRI带来的一样大的功能性脑成像革命。
解决方案：功能近红外光谱（fNIRS）和脑电图是两种安全且非侵入性的神经成像技术，可以在自然环境下进行大脑成像。fNIRS是功能磁共振成像（fMRI）的替代方案，它可以绘制大脑活动的血流动力学反应，并允许澳门威尼斯人注册网站研究人员在生态有效的环境中收集数据，并且比fMRI更不容易受到运动伪影的影响，因此在澳门威尼斯人注册网站研究自然行为和神经种群方面具有很大的潜力14。脑电图测量与神经元活动相关的快速电反应，已广泛用于澳门威尼斯人注册网站研究自然环境下的大脑活动。脑电图和fNIRS互补结合脑电图的捕获能力的神经活动与毫秒时间尺度和fNIRS的能力来衡量缓慢与更好的空间定位和集成的血流动力学变化。在之前NPC澳门威尼斯人注册网站研究工作的推动下，我们现在意识到，制作一个可穿戴系统是一项简单的工程工作，该系统将fNIRS与EEG和眼动追踪/瞳孔测量（对大脑对行为数据的反应进行时间锁定）最佳地结合起来，通过血管和神经反应以及它们通过24小时记录系统的相互作用，获得日常世界中更完整的大脑激活模式（见下图所示的建议解决方案）。这样一个系统将大大拓宽fNIRS应用的范围，允许在更自然的环境中澳门威尼斯人注册网站研究大脑功能（社会互动，户外行走），更有效地监测神经系统疾病（中风，阿尔茨海默氏症，帕金森症，脑震荡）和正常/异常大脑发育（自闭症，语言发育）的患者。通过我们对行为和大脑激活模式的综合测量，我们将能够在患者日常生活中追踪临床人群正常大脑功能的崩溃，揭示神经功能障碍的大脑特征。这些见解将对指导这些个体的新治疗方法至关重要。
布鲁里溃疡为什么布鲁里溃疡和为什么是现在:整合的优势在光子学,神经科学,和数据科学、Neurophotonics中心(NPC)于2017年推出,旨在促进和翻译在神经科学创新的科学突破集成多学科团队可以提前neurophotonic技术并将它们应用于健康和临床人群迅速和有效。与此同时，一项NSF澳门威尼斯人注册网站研究培训（NRT）拨款被授予波士顿大学，以促进神经光子学方面的培训，这有助于发展一个由来自10个部门的70多名学员组成的社区。除了提高波士顿大学的培训机会和质量外，这项NRT资助还加强了NPC澳门威尼斯人注册网站及其澳门威尼斯人注册网站研究团队之间的互动。目前，大多数参与NRT的学员和NPC的澳门威尼斯人注册网站都在澳门威尼斯人注册网站研究动物模型，但波士顿大学也有同样多的学员和澳门威尼斯人注册网站专注于人类澳门威尼斯人注册网站研究，他们将从参与波士顿大学神经光子学社区中受益。事实上，我们看到越来越多的澳门威尼斯人注册网站研究人员加入这个社区，因为他们有兴趣利用NPC的近红外光谱专业知识来扩大他们的人类澳门威尼斯人注册网站研究活动的影响。
利用波士顿大学在近红外光谱开发和应用方面的国际领先地位；与系统神经科学中心、认知神经成像中心和神经康复中心的教职员工一起，在感知和认知神经科学和康复方面处于领先地位；凭借其在数据科学方面的优势来开发、应用和优化我们的新技术，NPC正在创建一个以波士顿大学为中心的活动中心，其神经科学应用和数据科学问题的广度不断扩大，这将吸引波士顿大学、整个波士顿乃至世界各地的大量澳门威尼斯人注册网站研究人员。
我们的计划：NPC正在开发“日常世界中的神经成像”硬件，展示其在实验室之外和日常世界中执行无约束测量的效用，并推进分析和解释实验测量所需的信号处理算法。进一步说,实现这一技术的全面影响,全国人大发展培训和传播工作。NPC的努力充分利用了波士顿大学的四个独特优势和创新重点。
目标1：工程创新-开发用于日常世界中连续和长期记录的多模态fNIRS/EEG：这一目标的关键成果是开发一种定制设备，通过将高密度fNIRS和EEG与Tobii眼动追踪眼镜结合到无线和光纤混合耳机中，确保高性能和可用性适合日常世界的应用。
目标2：现实世界行为测量的创新——将现有的实验室行为任务转化为日常世界：我们将测量年轻健康成年人在行走、感知和互动过程中的大脑活动，实验从实验室到现实世界的复杂性逐渐增加。在临床人群中进行的澳门威尼斯人注册网站研究，如帕金森氏症和中风患者的澳门威尼斯人注册网站研究，将提供一个原理证明，即在临床人群中进行不受约束的功能性神经成像澳门威尼斯人注册网站研究，可以了解患病人群与健康人群大脑的崩溃情况，为未来在神经反馈康复方面的努力奠定基础。一个关键的结果是，我们将用fNIRS系统对参与者的日常活动进行测量，这些活动包括行走、感知和互动任务。
目标3：数据科学创新-日常世界中神经成像的多模态方法的发展：我们将通过新颖的数据科学方法在我们的实验中获得的多模态信号的大型数据集的收集和分析中进行创新和解决挑战：1)信号成分必须可靠地分离为诱发的大脑活动，局部和系统的生理干扰和非生理噪声，以拒绝来自运动/相互作用和环境的伪像；2)日常世界产生了大量的感官刺激，这些刺激产生了连接大脑活动和行为的背景，要求我们使用可用的尖端计算机视觉和文本到语音解决方案，从获得的视频，眼动追踪和音频数据中生成背景，以提供触发来指导大脑激活信号的分析。一个关键的结果是融合和利用高密度近红外光谱、脑电图和辅助生物信号的综合优势，使用新颖的机器学习驱动的多模态信号处理方法和计算机视觉来实现刺激的自动标记。
目标4：新的活动中心：我们将为波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员创建一个紧密相连的持续培训计划，以进入并影响这个新领域。我们将为来自世界各地想要进入这一领域的澳门威尼斯人注册网站研究人员开设为期一周的暑期学校，并在此之后举行为期两天的“日常世界中的神经科学”会议。通过开放获取和商业化的方式传播硬件和软件技术。
这项新技术在持续记录大脑功能方面改变了游戏规则，为澳门威尼斯人注册网站研究大脑如何运作以及何时以及为什么在感知、行走和沟通方面发生故障打开了一扇大门。这些新方法,一旦确认,将创建一个新的澳门威尼斯人注册网站研究领域,神经科学的日常世界;我们公开传播这项技术的承诺加速了这一进程。这项工作最终会为小说在神经系统疾病治疗奠定了基础。
以下页面提供了几个相关的NPC澳门威尼斯人注册网站主导项目的摘要。
NinjaNIRS 2021：向全头部、高密度fNIRS迈进
可穿戴功能近红外光谱（fNIRS）技术是神经成像的重要工具。最近在高密度、无纤维fNIRS成像系统的设计方面取得的进展为无障碍成像模式铺平了道路，但是这些系统的重量和有限的可移植性仍然是一个问题。努力在博厄斯实验室Bernhard齐默尔曼,安东尼奥·奥尔特加马丁内斯和罗伯特·乔·奥布莱恩Bing fNIRS推进一个开源的系统有能力模块化和可伸缩的高密度optode安排用于实际的应用程序。
NinjaNIRS 2021系统是先前在https://openfnirs.org/hardware上描述的NinjaNIRS 2020系统的改进，采用改进的光电设计，具有相同的控制单元和用户界面。两个光电模块取代了NinjaNIRS 2020的组合光源和检测器光电模块：第一个是双波长LED光源，第二个是包含PIN光电二极管和16位ADC的检测器。这些光电二极管具有比双光电二极管设计更小的占地面积，允许最小12毫米的源探测器分离。修改后的设计允许使用当前控制单元设计多达8个源和12个探测器，并有可能将单个控制单元可控制的源和探测器数量增加到32个源和108个探测器。新光源采用两级封装，环氧灌封化合物保护电子元件，硅橡胶提供隔热和人体工程学改进。通过检测器的噪声等效功率（NEP）测试和记录光源产生的光功率来评估光电器件的光学性能。该测试显示，未封装的检测器光电器件的NEP为116 fW/√(Hz)，光源在730 nm处的光功率为5.5±0.5 mW，在850 nm处的光功率为11.5±0.5 mW。人体澳门威尼斯人注册网站研究表明，该设计具有足够的灵敏度，甚至可以通过头皮运动区浓密的头发来测量心脏信号，然而，对于特别浓密、深棕色或黑色头发的受试者，还需要进一步改进。
在新的NinjaNIRS 2021系统中增加了我们的单光电二极管设计，提高了探头设计的可定制性，并实现了比以前使用我们的可穿戴fNIRS设备更高的密度测量。由于能够进行高密度测量，我们现在正在寻求增加可由单个单元控制的光电器件的数量，以便在便携式系统中进行全头部高密度fNIRS测量，该系统可用于实验室环境之外的真实世界情况。
标题:NinjaNIRS 2021光电器件。(一)源optode PCB。(b)探测器光电PCB。(c)全封装光源光电器件。
感知，注意力和工作记忆
注意力和工作记忆机制的容量非常有限——大约只有4个项目——而且表现很容易受到干扰。与实验室环境相比，日常世界提供了更丰富、更引人注目的干扰。此外，感知和注意是探索性的过程，但由于观察者移动眼睛和/或头部的能力受到物理限制，目前几乎所有基于实验室的认知神经科学范式都没有澳门威尼斯人注册网站研究关键机制。因此，这些认知和知觉机制需要在日常生活中进行澳门威尼斯人注册网站研究。NEIPA实验室（PI: Somers）正在开发和测试实验范例和行为分析方法，使用可穿戴的fNIRS和集成的眼动追踪/场景相机技术，让观察者在实验室内外与3d环境自由互动。
他们目前正在进行fNIRS实验，测量在视觉和听觉注意力以及工作记忆任务中双侧额叶的活动。这些以实验室为基础的澳门威尼斯人注册网站研究试图复制我们对额叶皮层中多种感觉模态偏倚结构的fMRI观察(Michalka et al., 2015；Noyce et al., 2017；Noyce等人，2021)使用移动近红外光谱方法。使用Techen系统的试点fNIRS数据（n=5）复制了fMRI发现的5个感觉偏倚额叶结构的观察结果。目前正在使用NinjaNIRS帽和NIRX光电二极管进行主要数据收集。Establishing these fNIRS-based methods in a foundational step in taking neuroimaging studies of perception, attention and working memory out of the laboratory and into the everyday world.
Complex Scene Analysis (CSA) Project 
The human brain has the impressive ability to selectively attend to specific objects in a complex scene with multiple objects. For example, at a crowded cocktail party, some listeners can look at a friend and hear what they are saying in the midst of other speakers, music, and background noise. Such multisensory filtering enabled by selective attention allows the listener to select and process important objects in a complex scene, a process known as Complex Scene Analysis (CSA). In stark contrast, many humans and state of the art machine hearing algorithms have great difficulty with CSA. Thus, developing a brain-inspired algorithm for CSA has the potential to enhance the performance of humans and machines.
Humans perform CSA by actively interacting with a complex scene cluttered with multiple objects; orienting via eye and head movements, attending to specific objects, and selectively processing them. However, most brain neuroimaging has been performed in unrealistic scenarios where subjects are physically restrained. In the CSA project, the team led by Kamal Sen are planning to employ the groundbreaking new wearable devices being developed as part of the NEW project to image the brain of humans freely interacting with complex audiovisual scenes. They will use this revolutionary paradigm to image human brain networks underlying CSA, using combined fNIRS and EEG. Exploiting the complementary spatial/temporal resolution of fNIRS/EEG, this thread will reveal where/when top-down attention signals arise in the human brain during CSA. They will then apply machine learning methods to the measured multimodal brain signals to decode the attended location in a complex scene.
Experimental Design: A computer with three monitors will be used for the experiments. The monitors will be located at the three locations: center, 45° to the left, and 45° to the right, equidistant from the center where the subject will be sitting upright (Figure 1).The monitors will display videos of human faces speaking sentences (Figure 2). The audio of the movie will be delivered via speakers at that location; or using headphones using sounds processed via head related transfer functions (HRTFs) to virtualize sound location for each monitor (center, 45° and -45°). The experiment will be divided into two parts. In Part 1, only one movie was played on each trial (“target alone” condition). In Part 2, all three monitors will be playing the movies simultaneously (“target + maskers” condition), but the subject will be instructed to attend only to the target location. At the end of each trial, the subject will be asked to identify the face of the speaker, and the sentence.
Conversation and Social Interaction
The Aphasia Research Laboratory at Boston University (PI: Swathi Kiran) is evaluating brain activation via fNIRS during conversation and social interaction in neurotypical individuals. In a conversation task, participants view and listen to a video recording of a woman asking conversational questions and are asked to respond to those questions. In a narrative task, participants watch short videos and are asked to provide a summary of each video clip. Both of these tasks were designed to isolate brain regions involved in language planning vs. brain regions involved in speech production. They have completed pilot data collection and are beginning to collect participant data. This work will provide a benchmark to help us understand how brain activation for conversation and narration may differ in individuals with neurological disorders.
关注和散步
步行是日常活动的重要组成部分，包括自愿运动（例如，步态的开始/停止，速度和方向的调节）和自动过程（例如，步行时有节奏的肢体运动）。行走时避开障碍物取决于来自空间环境和认知过程的感官输入，包括不断更新相对于地标的位置。步态障碍的后果是严重的，包括增加残疾、跌倒风险和降低生活质量。在双重任务条件下，由于高注意力要求，需要同时进行认知参与，步态异常会加剧，这对于有认知困难的个体来说尤其困难。This joint project of the Vision and Cognition Lab (PI: Alice Cronin-Golomb) and the Center for Neurorehabilitation (PI: Terry Ellis) will assess walkingunder single- and dual-task conditions using increasingly naturalistic (real-world) designs and increasingly long brain activity recording times using fNIRS. 这些澳门威尼斯人注册网站研究旨在从标准的受限实验室澳门威尼斯人注册网站研究（第一阶段）过渡到大型实验室空间中相对不受约束的地上行走（第二阶段），再到第三阶段澳门威尼斯人注册网站研究的不受约束的现实环境。大脑活动和眼动追踪将被锁定在跑步机行走（W1）和自由行走（W2）时记录的口头指令的时间点上。随着他们从第一阶段开始，他们将从澳门威尼斯人注册网站研究健康的年轻人转向澳门威尼斯人注册网站研究健康的老年人和患有运动障碍帕金森病的个体。
本澳门威尼斯人注册网站研究第一阶段的目的是使用近红外光谱来检测在地面和跑步机条件下单任务和双任务行走的大脑活动。受试者将被随机分为两组，一组在跑步机上跑步，另一组在地上步行（绕一个短距离的椭圆形跑道）。每次试验开始时，先安静站立20秒，不说话也不移动头部，然后是“开始”（单任务步行）或“从（数字）开始”（双任务步行，同时从给定数字减去3），然后开始跑步机或地上步行，持续30秒。20秒安静站立30秒重复行走每个实验对象对每种情况进行8次试验。
Neuromotor Recovery
波士顿大学的神经运动恢复实验室（PI: Lou Awad）正在开发和评估可穿戴传感和机器人技术，用于因神经运动损伤而行走困难的人，比如中风后的人。与神经光子学中心和神经康复中心的临床和工程科学家一起，NRT澳门威尼斯人注册网站研究员和萨金特学院澳门威尼斯人注册网站研究生Regina Sloutsky正在努力将fNIRS神经成像与可穿戴惯性传感器和运动检测算法相结合，澳门威尼斯人注册网站研究中风后偏瘫患者如何在日常行走活动中使用柔软的机器人外骨骼。迄今为止的澳门威尼斯人注册网站研究表明，这些下一代可穿戴机器人可以帮助中风后的人走得更快、更远、更省力。通过对前额叶皮层的近红外成像，我们现在有证据表明，柔软的机器人外骨骼可以被调整，以减少中风后人们走路时需要的认知努力。该澳门威尼斯人注册网站研究在2021年IEEE神经工程会议上获得了最佳论文奖。基于这些有希望的发现，我们的澳门威尼斯人注册网站研究现在专注于开发新的算法，以(i)综合由fNIRS收集的人机交互测量数据，以及嵌入在软机器人外骨骼中的惯性和力传感器；（ii）自动化为患者量身定制的方法来处方辅助机器人驱动。这些数据流的集成允许同时考虑多个显著变量：舒适度、生物力学和功能。这项工作有可能加速动力可穿戴驱动技术在日常生活中的广泛应用。
近红外光谱澳门威尼斯人注册网站研究自闭症谱系障碍
虽然以前的工作探讨了语言处理的神经基础通常发展中(TD)儿童和儿童自闭症谱系障碍(ASD),对孩子的大脑功能如何在真实的语言环境。该项目由Meredith Pecukonis和Tager-Flusberg教授领导，将使用功能性近红外光谱（fNIRS）来澳门威尼斯人注册网站研究患有和不患有ASD的学龄前儿童的大脑在实时社会互动(即共享书籍阅读活动；参见图),检查有两项措施大脑功能(大脑反应和功能连通性)与behaviorally-measured语言交流能力。发现将阐明语言赤字和异质语言的潜在神经机制在ASD的结果,并可能进一步深入了解大脑功能在不同类型的语言干预措施。本项目由国家自然科学基金资助（F31 DC019562）。
