Fusión de fNIRS y EEG: un paso más en la investigación de la actividad cerebral

Fusión de fNIRS y EEG: un paso más en la investigación de la actividad cerebral

7 Min.
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Por El equipo Bitbrain y Cortivision
1 de agosto, 2024

El artículo profundiza en la sinergia entre las tecnologías fNIRS (Espectroscopia Funcional de Infrarrojo Cercano) y EEG (Electroencefalografía) para avanzar en la investigación de la actividad cerebral. Destaca las fortalezas únicas de cada una: fNIRS mide cambios hemodinámicos, mientras que EEG captura la actividad eléctrica neuronal. A través de su integración, los investigadores obtienen una comprensión más profunda del funcionamiento cerebral, facilitando estudios sobre procesos cognitivos y trastornos neurológicos. El artículo enfatiza los beneficios de las técnicas de fusión, incluyendo una mayor resolución espacial y temporal, y ofrece ejemplos de sus aplicaciones en campos como la neuroergonomía y la neuroretroalimentación.

Introducción

El creciente interés en configuraciones de grabación multimodal en la investigación, impulsado por los avances tecnológicos, ha ganado una atención significativa recientemente. Este enfoque ofrece una ventaja clave: la capacidad de recopilar varias señales biológicas en un solo estudio, agilizando los procesos de investigación en campos como el comportamiento humano, BCI (Interfaz Cerebro-Computadora) y neurorehabilitación.

Varios factores influyen en la selección de tecnología para establecer un laboratorio multimodal, incluyendo el caso de uso específico, consideraciones de costo y la compatibilidad de dispositivos.

Dado que el cerebro proporciona ricos conocimientos sobre respuestas emocionales inconscientes, medir la actividad cerebral asociada es crucial para comprender el comportamiento humano de manera integral. Esta necesidad ha llevado al desarrollo de una combinación bimodal de técnicas EEG y fNIRS. El EEG sobresale en la evaluación de la actividad eléctrica cerebral, mientras que fNIRS evalúa los cambios hemodinámicos. Estos procesos fisiológicos distintos ofrecen una visión más completa de la activación neural. A pesar de sus diferencias, ambos métodos comparten similitudes: son no invasivos y ofrecen un monitoreo preciso de la actividad cerebral.

Lo que hace que esta combinación sea particularmente interesante es su potencial para abordar las limitaciones de cada uno en la resolución espacial y temporal, mejorando los resultados generales de la investigación.

¿Cuáles son los beneficios de sincronizar EEG y fNIRS?

Combinar la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) con la electroencefalografía (EEG) en experimentos ofrece varias ventajas, convirtiéndola en un enfoque poderoso para estudiar la función cerebral y la cognición. Esta combinación proporciona información complementaria sobre la actividad cerebral y puede mejorar la comprensión general de los procesos neuronales. Aquí hay algunas razones clave para combinar fNIRS con EEG en experimentos:

  1. Mejor resolución temporal: El EEG captura cambios en la actividad eléctrica cerebral a nivel de milisegundos, ofreciendo una excelente resolución temporal. Al integrar el EEG con fNIRS, que proporciona información relativamente más lenta pero espacialmente precisa, los investigadores pueden obtener una imagen más completa del momento de los eventos neuronales.
  2. Mayor resolución espacial: Mientras que el EEG sobresale en la resolución temporal, su resolución espacial es limitada. Por otro lado, fNIRS ofrece información sobre la distribución espacial de los cambios hemodinámicos en el cerebro, proporcionando mejor resolución espacial cuando se combina con EEG.
  3. Imágenes cerebrales multimodales: Combinar fNIRS y EEG aprovecha las fortalezas de ambas técnicas mientras mitiga sus limitaciones. Este enfoque permite una caracterización más precisa y detallada de la actividad cerebral que el uso de cualquiera de los métodos por separado.
  4. Localización de señales EEG: fNIRS complementa al EEG al ayudar a localizar el origen de la actividad neural dentro del cerebro. Al examinar las respuestas hemodinámicas asociadas con las señales eléctricas, los investigadores pueden identificar mejor la fuente de las señales EEG.
  5. Identificación y corrección de artefactos: La grabación simultánea de datos de fNIRS ayuda a identificar y corregir artefactos en las grabaciones de EEG, como parpadeos, actividad muscular o artefactos de movimiento. Esto mejora la calidad de los datos de EEG al mitigar varias fuentes de interferencia.
  6. Perspectivas cognitivas y clínicas: La combinación de fNIRS y EEG ofrece conocimientos más profundos sobre los procesos cognitivos y las condiciones clínicas. Los investigadores pueden examinar la actividad neural desde múltiples ángulos, llevando a una comprensión más completa de la función cognitiva y los trastornos cerebrales.
  7. Estudios de desarrollo y clínicos: Esta combinación es valiosa para estudiar a bebés, niños y poblaciones clínicas. fNIRS es adecuado para su uso con estos grupos debido a su no invasividad y tolerancia al movimiento, mientras que EEG proporciona información sobre la actividad eléctrica cerebral.
  8. Neuroretroalimentación e interfaces cerebro-computadora: La integración de fNIRS y EEG puede aplicarse a la neuroretroalimentación en tiempo real y aplicaciones de interfaz cerebro-computadora. Esto permite una mayor precisión en la clasificación de señales, potencialmente ayudando en aplicaciones terapéuticas y de entrenamiento.

En resumen, combinar fNIRS y EEG en experimentos ofrece un enfoque versátil para estudiar la función cerebral, particularmente cuando los investigadores requieren tanto una alta resolución temporal como una mejor resolución espacial. Este enfoque multimodal tiene aplicaciones en varios campos, incluyendo la neurociencia cognitiva, la investigación clínica, la neurorehabilitación y el desarrollo de interfaces cerebro-computadora.

¿Qué es la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano?

La espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) es una técnica de neuroimagen no invasiva utilizada para medir la actividad cerebral mediante la detección de cambios en la concentración de hemoglobina en la sangre. Cuando las neuronas en el cerebro se activan, requieren más oxígeno y glucosa, lo que lleva a un aumento del flujo sanguíneo a esas regiones.

Este aumento del flujo sanguíneo resulta en cambios en la concentración de oxihemoglobina (HbO) y desoxihemoglobina (HbR) en la sangre en esas áreas. fNIRS detecta estos cambios y proporciona una medida de la actividad cerebral localizada.

En este método, se emite luz de infrarrojo cercano con longitudes de onda entre 650 y 1000 nanómetros en el cuero cabelludo. La oxihemoglobina y la desoxihemoglobina absorben la luz de manera diferente, permitiendo la estimación de sus concentraciones al medir la cantidad de luz absorbida y dispersada después de pasar por el tejido cerebral.

Tipos de tecnología fNIRS

La tecnología de espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) ha experimentado una evolución significativa, resultando en varios tipos de sistemas fNIRS con diferencias en hardware, metodologías y aplicaciones. Aquí hay algunos tipos comunes:

  • fNIRS de Onda Continua (CW): Los sistemas de onda continua emiten una fuente de luz constante y miden los cambios en la intensidad de la luz en múltiples longitudes de onda. Son relativamente sencillos y rentables, pero ofrecen información limitada sobre la profundidad.
  • fNIRS de Dominio Temporal (TD): Los sistemas de dominio temporal envían pulsos cortos de luz al tejido y analizan el tiempo que tarda la luz en atravesar el tejido. Al examinar el tiempo de vuelo de los fotones, estos sistemas proporcionan información sobre la profundidad, distinguiendo entre tejido superficial y profundo.
  • fNIRS de Dominio de Frecuencia (FD): fNIRS de dominio de frecuencia utiliza fuentes de luz moduladas y mide cambios de fase y amplitud a medida que la luz pasa a través del tejido. Esta técnica ofrece información sobre las propiedades ópticas del tejido y puede diferenciar entre diferentes cromóforos.

Cada tipo de tecnología fNIRS tiene sus propias ventajas y limitaciones, con los investigadores seleccionando el sistema más apropiado en función de sus preguntas de investigación y necesidades experimentales. Sin embargo, los sistemas fNIRS de onda continua son actualmente populares debido a su accesibilidad, portabilidad y rentabilidad.

Onda continua

Fig 1. CW-NIRS nos proporciona información sobre los cambios relativos en las concentraciones de hemoglobina oxigenada y desoxigenada. Sin embargo, su desventaja es su incapacidad para calcular las propiedades ópticas del tejido, coeficiente de absorción y dispersión, lo que hace imposible obtener valores absolutos de Hb O y HbR. Por otro lado, el TD-NIRS y FD-NIRS proporcionan mediciones absolutas de estos dos cromóforos, pero los dispositivos en sí son grandes, costosos y no portátiles. Como resultado, se utilizan principalmente en aplicaciones médicas o clínicas.

Dispositivos fNIRS para aplicaciones en el mundo real

El dispositivo Photon Cap de Cortivision Photon Cap es un ejemplo de un fNIRS de Onda Continua (CW) que es completamente móvil y permite la medición no invasiva de la actividad de áreas seleccionadas en la corteza cerebral. Puede integrarse con otros dispositivos utilizando el protocolo Lab Streaming Layer.

Parámetros técnicos del Photon Cap

¿Qué es el EEG?

La electroencefalografía (EEG) es una herramienta valiosa en la neurociencia para registrar de manera no invasiva la actividad eléctrica cerebral. Distribuyendo sensores eléctricos en el cuero cabelludo, el EEG captura la actividad cerebral a través del contacto entre los electrodos y la piel. Estos sensores detectan y amplifican las señales eléctricas producidas por las neuronas del cerebro, comúnmente referidas como "ondas cerebrales", ofreciendo conocimientos cruciales sobre la función cerebral.

La versatilidad del EEG se extiende a varios campos, incluyendo la medicina, la investigación y las interfaces cerebro-computadora. Sus aplicaciones van desde el diagnóstico de trastornos neurológicos hasta el estudio de procesos cognitivos y el desarrollo de tecnologías innovadoras.

Dispositivos EEG para aplicaciones en el mundo real

Bitbrain se especializa en el desarrollo de dispositivos innovadores con excelente usabilidad para monitoreo multimodal, abarcando EEG semi-seco, EEG seco y EEG textil, así como biosignales (ExG, GSR, RESP, TEMP, IMUs, etc.), y soluciones de seguimiento ocular (plataformas basadas en pantalla y móviles). Las herramientas de software facilitan el diseño de experimentos, la recopilación de datos con más de 35 tipos de sensores sincronizados, y un extenso análisis de datos que abarca un amplio espectro de biometría emocional y cognitiva.

Nuestro Versatile EEG de 16 y 32 canales es una tecnología concebida para la investigación en el mundo real. Combina una excelente calidad de señal con un diseño fácil de usar, beneficiando tanto a los investigadores como a los sujetos de estudio. Su diseño ergonómico asegura un manejo sencillo para los investigadores, al mismo tiempo que proporciona una experiencia cómoda para los sujetos. Esto no solo simplifica el trabajo del investigador, sino que también mejora la comodidad de los participantes del estudio, contribuyendo a procesos de investigación más fluidos.

Parámetros técnicos del Versatile EEG

Solución combinada de Cortivision y Bitbrain

Bitbrain y Cortivision comparten una visión común: democratizar la neurotecnología mediante la creación de dispositivos de monitoreo cerebral portátiles, fáciles de usar e inalámbricos, permitiendo a los investigadores realizar estudios en diversos entornos, tanto dentro como fuera del laboratorio.

Mientras Cortivision se enfoca en desarrollar dispositivos fNIRS, Bitbrain se especializa en equipos EEG. Al integrar estas tecnologías, podemos capturar dos procesos fisiológicos distintos, llevando a un análisis más completo de la actividad cerebral que el que cada técnica podría lograr individualmente. Esta sinergia mejora nuestra capacidad para entender la función cerebral y la cognición en varios contextos.

Conclusión

En este artículo, hemos realizado una revisión de la tecnología fNIRS, cubriendo sus características técnicas clave, funcionalidad y los diversos tipos disponibles. También hemos proporcionado una breve descripción del Photon Cap, un dispositivo fNIRS comercial diseñado para aplicaciones en el mundo real. Cuando se combina con el Versatile EEG de 32 canales, ofrece una solución de grabación bimodal capaz de capturar la actividad cerebral en diferentes niveles.

La creciente importancia de esta tecnología dentro de la comunidad científica es innegable, dados los beneficios que ofrece. Este enfoque innovador de medición no invasiva permite a los investigadores integrar múltiples flujos de información, proporcionando nuevos conocimientos y superando las limitaciones de técnicas individuales. La aparición de equipos que combinan tecnologías EEG y fNIRS ya se ha convertido en una realidad, con estudios significativos realizados en varios campos, incluyendo factores humanos e interfaces cerebro-computadora.

En Bitbrain y Cortivision, estamos desarrollando activamente nuevo hardware basado en dos de nuestros sistemas más populares, el Photon Cap y el Versatile EEG. A través de su integración, buscamos proporcionar a los investigadores un conjunto de herramientas completo para estudiar la actividad cerebral a un nivel más profundo y completo, avanzando aún más en las capacidades de la investigación neurocientífica.

La combinación de fNIRS y EEG es una de las muchas soluciones desarrolladas en los últimos años para la investigación multimodal. Este artículo "Más allá de los horizontes de la investigación: La sinergia de tecnologías en laboratorios multimodales" explora en profundidad el valor de la grabación multimodal y la combinación de seguimiento ocular, EEG y otras tecnologías en estudios de investigación.

Versatile EEG
EEG móvil con sensores semisecos (8/16/32/64 ch).
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