fNIRS i EEG. Co właściwie mierzy każda z tych metod

Obie metody opisuje się zwykle jednym zdaniem: że mierzą aktywność mózgu. Zdanie jest nieścisłe i właśnie z tej nieścisłości biorą się złe decyzje przy planowaniu procedury. Elektroencefalografia rejestruje napięcie na skórze głowy, a spektroskopia bliskiej podczerwieni pochłanianie światła przez hemoglobinę. To dwa różne zjawiska fizyczne, powiązane z pracą neuronów w różny sposób i w różnej skali czasu, więc odpowiadają na różne pytania badawcze.

Poniżej zestawienie tego, co każda z metod rejestruje, w jakiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej, jak znosi ruch uczestnika i czego żadna z nich nie mówi. Na końcu to, co wynika z zestawienia dla pomiaru prowadzonego obiema naraz.

Dwa różne sygnały

EEG rejestruje sumę potencjałów postsynaptycznych w neuronach kory, przede wszystkim piramidowych, ustawionych równolegle do siebie na tyle, że ich pola elektryczne się sumują. Sygnał dociera do elektrody przez oponę, czaszkę i skórę, a każda z tych warstw przewodzi inaczej. Zapis jest bezpośrednim następstwem pracy neuronów i powstaje w tej samej chwili co ona.

fNIRS mierzy pochłanianie światła bliskiej podczerwieni przez hemoglobinę utlenowaną i odtlenowaną. Metoda opiera się na tym, że tkanka jest dla tego zakresu względnie przezroczysta, a hemoglobina nie, co opisał Jöbsis w 1977 roku. Pracujący obszar kory zużywa więcej tlenu, a odpowiedź naczyniowa dostarcza go z nadmiarem, więc proporcje obu postaci hemoglobiny się zmieniają.

Różnica jest zasadnicza: EEG rejestruje skutek elektryczny pracy neuronów, a fNIRS jej następstwo metaboliczne, przez sprzężenie nerwowo-naczyniowe. W fNIRS między aktywnością a sygnałem jest więc jeszcze jedno ogniwo, i to ono odpowiada za wszystkie dalsze różnice.

Czas: milisekundy i sekundy

EEG ma rozdzielczość czasową rzędu milisekund i to jest jego podstawowa przewaga. Pozwala rozdzielić zdarzenia następujące po sobie w ciągu dziesiątych części sekundy, więc nadaje się do badania przebiegu przetwarzania, a nie tylko jego wyniku. Na tym opiera się cała metodyka potencjałów wywołanych zdarzeniem.

fNIRS jest ograniczony nie przez aparaturę, lecz przez samo zjawisko. Odpowiedź naczyniowa narasta z opóźnieniem liczonym w sekundach i szczyt osiąga około pięciu sekund po bodźcu. Dwa zdarzenia odległe o pół sekundy dają jedną wspólną odpowiedź, której nie da się rozdzielić żadną obróbką sygnału. Stąd typowe zastosowania: stany utrzymujące się dłużej, obciążenie poznawcze w dłuższym zadaniu, przebieg uczenia się.

Przestrzeń i głębokość

Tu układ się odwraca. Czaszka i skóra rozmywają potencjał elektryczny, więc elektroda zbiera sygnał z obszaru znacznie większego niż ten, nad którym się znajduje, a przypisanie zapisu do struktury wymaga założeń o modelu głowy i metod rekonstrukcji źródeł. Rozdzielczość przestrzenna EEG jest więc rzędu centymetrów.

fNIRS wypada pod tym względem lepiej, bo światło biegnie między nadajnikiem a odbiornikiem po dającej się opisać drodze, a kanał odpowiada konkretnemu wycinkowi kory pod parą optod. Cena jest w zasięgu: metoda sięga kory zewnętrznej, mniej więcej jednego do dwóch i pół centymetra pod powierzchnią. Struktury głębsze są poza jej zasięgiem, a struktury schowane w bruzdach bywają osiągalne gorzej, niż wynikałoby z odległości.

Ruch badanego

To różnica, która najczęściej rozstrzyga o wyborze przy badaniu poza laboratorium. fNIRS znosi ruch lepiej, bo mierzy przez optody dociśnięte do skóry, a zmiana w sygnale wywołana drgnięciem ma inny przebieg niż odpowiedź naczyniowa i daje się w części odfiltrować. EEG jest wrażliwsze: ruch mięśni twarzy i karku wchodzi w zakres częstotliwości sygnału, a przesunięcie elektrody zmienia impedancję.

Z tego bierze się podział zastosowań, który widać w piśmiennictwie: EEG dominuje w procedurach z kontrolowaną ekspozycją i unieruchomioną głową, fNIRS w badaniach prowadzonych w sali lekcyjnej, w symulatorze, przy nauce ruchu i u małych dzieci.

Zestawienie z okulografią

Przy pomiarze prowadzonym razem z okulografią pojawiają się dwa osobne ograniczenia i warto je rozdzielać, bo rozwiązuje się je inaczej. Pierwsze jest mechaniczne: gdzie na głowie zmieści się czujnik obok okulografu. Drugie dotyczy jakości zapisu: co z sygnałem robi ruch wymuszony przez samo zadanie. Poniższa kolejność mówi o tym, jak trudno uzyskać czysty zapis, a nie o tym, czy pomiar jest wykonalny.

Okulografia stacjonarna jest dla EEG układem najwygodniejszym. Uczestnik siedzi przed ekranem, głowa porusza się w niewielkim zakresie, a moment pojawienia się bodźca jest znany co do klatki, więc znacznik czasu da się podać dokładnie. Czepek nie koliduje przy tym z niczym, bo okulograf jest listwą pod ekranem i głowy nie dotyka. Dla fNIRS warunki są równie dobre, a przy obu metodach naraz to jedyny układ, w którym montaż nie konkuruje o miejsce z aparaturą okulograficzną.

Okulografia mobilna jest dla EEG najtrudniejsza, i to z obu powodów naraz. Uczestnik chodzi, więc napięcie mięśni karku i żuchwy wchodzi w pasmo sygnału, a przewody przy każdym kroku zmieniają położenie i oporność na styku elektrody ze skórą. fNIRS znosi ruch lepiej, ale wychodzi za to kolizja mechaniczna: oprawa okularów opiera się na łuku brwiowym i nasadzie nosa, czyli dokładnie tam, gdzie siadają optody czołowe. Rozstrzyga wtedy montaż, czyli przesunięcie optod wyżej albo opaska czołowa zaprojektowana pod taki układ.

Okulografia w goglach XR leży pomiędzy. Ruch jest mniejszy niż przy chodzeniu, bo uczestnik zwykle siedzi albo stoi w miejscu, więc EEG wypada lepiej niż przy okularach i gorzej niż przed ekranem: obroty głowy są częste, a pasek gogli dociska elektrody ciemieniowe i potyliczne, co przy dłuższej sesji bywa źródłem zarówno artefaktu, jak i dyskomfortu. Dla fNIRS ta sama konstrukcja jest kłopotem z drugiej strony, bo przednia poduszka gogli zajmuje czoło, czyli obszar, z którego zwykle prowadzi się pomiar.

Praktyczny wniosek dotyczy kolejności decyzji. Rodzaj okulografii wynika z pytania badawczego, a dopiero po nim dobiera się montaż drugiej metody i sprawdza go pilotażem na jakość zapisu. Odwrotna kolejność kończy się procedurą dopasowaną do aparatury.

Czego żadna z nich nie mierzy

Przy obu metodach najłatwiej o nadinterpretację, i warto ją nazwać wprost.

• Ani EEG, ani fNIRS nie mierzy koncentracji, zaangażowania ani emocji. Mierzą sygnał, z którego liczy się wskaźnik metodą ustaloną przed pomiarem. Nazwa wskaźnika bywa potoczna, ale pozostaje nazwą procedury obliczeniowej, a nie stanu psychicznego.
• Sygnał fNIRS zawiera składową spoza mózgu. Światło przechodzi przez skórę i czaszkę dwa razy, a przepływ krwi w samej skórze zmienia się razem z tętnem, oddechem i ciśnieniem. Bez kanałów o krótkiej odległości nadajnika od odbiornika, służących do odjęcia tej składowej, część zmian przypisanych korze pochodzi z powierzchni.
• Wynik zależy od montażu. Przy obu metodach rozmieszczenie elektrod albo optod rozstrzyga, co w ogóle może zostać zarejestrowane, a różnice między ośrodkami w tym zakresie utrudniają porównywanie wyników. Dla fNIRS wytyczne raportowania spisali Yücel i współpracownicy.

Kiedy warto zestawić obie

Zestawienie ma sens wtedy, gdy pytanie dotyczy jednocześnie przebiegu w czasie i umiejscowienia, albo gdy przedmiotem badania jest samo sprzężenie nerwowo-naczyniowe. Obie metody korzystają z tego samego układu rozmieszczenia 10 do 20, a optody daje się rozmieścić między elektrodami, więc pomiar równoczesny jest wykonalny bez przebudowy procedury.

Koszt jest trojaki. Montaż rośnie i wydłuża przygotowanie uczestnika. Wrażliwość na ruch rośnie, bo słabszy element zestawu wyznacza granicę. Analiza wymaga osobnego przygotowania każdego sygnału przed jakimkolwiek zestawieniem, a metody łączenia danych pozostają przedmiotem pracy metodologicznej, nie gotową procedurą.

Warunkiem wstępnym jest synchronizacja. W praktyce idzie ona przez impuls wyzwalający, wspólny zegar albo platformę zbierającą oba sygnały na jednej osi czasu; z tej ostatniej drogi korzystamy przy pomiarze multimodalnym.

Co to znaczy w praktyce

Wybór rozstrzyga pytanie badawcze, a nie charakterystyka aparatury.

Aparatura obu rodzajów jest dziś przenośna i bezprzewodowa, więc to kryterium przestało różnicować. Różnią się natomiast przygotowaniem uczestnika: EEG wymaga żelu i przygotowania skóry, fNIRS dociśnięcia optod i rozgarnięcia włosów, co przy gęstych i ciemnych włosach bywa kłopotliwe i wprost obniża jakość zapisu.

Bibliografia

• Jöbsis, F. F. (1977). Noninvasive, Infrared Monitoring of Cerebral and Myocardial Oxygen Sufficiency and Circulatory Parameters. Science.
• Scholkmann, F. i in. (2014). A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. NeuroImage.
• Hoshi, Y. (2016). Hemodynamic signals in fNIRS. Progress in Brain Research.
• Ahn, S., Jun, S. C. (2017). Multi-Modal Integration of EEG-fNIRS for Brain-Computer Interfaces: Current Limitations and Future Directions. Frontiers in Human Neuroscience.
• Pinti, P. i in. (2018). The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences.
• Wyser, D. i in. (2020). Short-channel regression in functional near-infrared spectroscopy is more effective when considering heterogeneous scalp hemodynamics. Neurophotonics.
• Yücel, M. A. i in. (2021). Best practices for fNIRS publications. Neurophotonics.
• iMotions, fNIRS vs EEG, materiał porównawczy, z którego wziął się układ tego zestawienia.