経頭蓋ドップラー

従来のFTCDは、脳の側性化の研究には限界がある。例えば、刺激特性による側性化効果と光反応性による側性化効果を区別できない場合があり、ウィリス動脈輪の脳動脈の皮質枝と皮質下枝から発せられる血流信号を区別できない。ウィリス動脈輪の各基底脳動脈は、2つの異なる二次血管系を生じる。この2つのうち短い方は神経節系と呼ばれ、それに属する血管は視床と線条体に血液を供給する。長い方は皮質系と呼ばれ、その血管は軟膜で分岐し、皮質と下層の脳実質に血液を供給する。さらに、皮質枝は長枝と短枝の2つのクラスに分けられる。長枝または髄質動脈は灰白質を通過し、下層の白質に3～ 4cmの深さまで侵入する。短枝は皮質に限られる。皮質系と神経節系は、末梢分布のどの点においても連絡しておらず、互いに完全に独立しており、2 つの系によって供給される部分の間には、栄養活動が低下する境界が存在する。^{[ 18 ]}神経節系の血管は終末血管であるが、皮質動脈系の血管は厳密には「終末」ではない。中大脳動脈 (MCA) 領域のこれら 2 つの系の血流は、両半球の 80% を供給しており、^{[ 19 ]}皮質および皮質下構造における顔面処理、言語処理、知能処理に関与するほとんどの神経基質を含む。MCA 主幹の平均血流速度 (MFV) の測定は、MCA 領域内の皮質および皮質下部位における下流の変化に関する情報を提供する可能性がある。MCA 血管系の各遠位枝は、それぞれ皮質系と神経節 (皮質下) 系の「近位」および「遠位」遠位反射部位に分離することができる。この目的を達成するための方法の1つは、認知刺激中に取得されたMFVの周期的な時系列にフーリエ解析を適用することです。フーリエ解析により、基本周波数の倍数であるさまざまな高調波で反射部位からの脈動エネルギーを表すピークが得られます。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}マクドナルドは1974年に、最初の5つの高調波が通常、末梢循環の圧力/流量振動システム内の脈動エネルギー全体の90%を含んでいることを示しました。血管系の各アームは、インピーダンスで終端された単一の粘弾性チューブを表し、単一の反射部位を作成すると考えられます。^{[ 22 ]}心理生理学的刺激によって各末端部位で誘発される血管運動活動は、定常正弦波振動を発生させ、これは測定点の遠位から近位への入射波、反射波、および再反射波の影響による波の加算から構成されます。fTCDS研究は、被験者が仰臥位で頭部を約30度上げた状態で実施されます。プローブホルダーヘッドギア（例：LAM-RAK、DWL、ドイツ、ジップリンゲン）は、2つの耳栓と鼻稜にベースサポートを取り付けて使用します。2つの2MHzプローブをプローブホルダーに固定し、 プローブ表面から50mmの深さで両方のMCA主幹を連続的にモニタリングするための最適な位置を決定するために超音波照射を行います。各刺激に対するMFVの連続記録を取得し、後でフーリエ解析に使用します。フーリエ変換アルゴリズムは、標準ソフトウェア（例：時系列および予測モジュール、STATISTICA、StatSoft、Inc .）を使用します。最も効率的な標準フーリエアルゴリズムでは、入力系列の長さが 2 のべき乗に等しいことが必要です。そうでない場合は、追加の計算を実行する必要があります。必要な時系列を導出するために、データは 1 分間の各刺激について 10 秒のセグメントで平均化され、各参加者につき 6 つのデータ ポイント、男性 8 人全員と女性 8 人全員で合計 48 つのデータ ポイントが得られました。周期図値の平滑化は、加重移動平均変換を使用して実行されました。平滑化にはハミング ウィンドウが適用されました。^{[ 23 ] [ 24 ]}単一系列フーリエ解析から導出されたスペクトル密度推定値がプロットされ、推定値が最も高い周波数領域がピークとしてマークされました。ピークの起源は、現在の手法の信頼性を判断するために興味深いものです。基本波（F）、皮質波（C）または記憶波（M）、および皮質下波（S）のピークは、それぞれ0.125、0.25、および0.375の規則的な周波数間隔で発生した。これらの周波数は、心臓振動の基本周波数が平均心拍数であると仮定して、Hzに変換できる。第1高調波の基本周波数（F）は、1秒あたりの平均心拍数から決定できる。例えば、心拍数が74 bpmの場合、74サイクル/60、つまり1.23  Hzとなる。言い換えれば、F、C、およびSピークは、それぞれ第1高調波の倍数、第2高調波、および第3高調波で発生した。Fピークの反射部位までの距離は、D ₁ = 波長/4 = cf/4 = 6.15 (m/s)/(4×1.23  Hz) = 125の地点から発生すると推定できる。 cm、ここで c は McDonald (1974) による末梢動脈樹の想定される波の伝播速度です。血管の蛇行を考慮すると、推定距離は、MCA 主幹の測定部位から、横に伸ばしたときの指先に近い上肢からの反射の合計の仮想部位までの距離に近似します。^{[ 25 ]} C ピークは第 2 次高調波で発生したため、推定動脈長 (総頸動脈 c = 5.5  m/s を使用) ^{[ 26 ]}は、D ₂ = 波長/8 = cf ₂ /8 = 28  cm、周波数 f = 2.46  Hz で与えられます。この距離は、MCA 主幹から血管の蛇行を通って大脳凸面の周囲を通り、成人の頸動脈血管造影で後頭側頭接合部などの遠位皮質部位の末端血管までの目に見える動脈長に近似します。^{[ 25 ]} Sピークは第3高調波で発生し、推定位置D ₃ = 波長/16 = cf ₃ /16 = 9.3  cm、周波数f ₃ = 3.69  Hzで発生した可能性がある。後者は、頸動脈血管造影でMCA主幹からレンズ核線条体血管の見える動脈長に近似する。^{[ 27 ]}表示されていないが、第4高調波は、MCA主幹の測定部位に最も近いMCA分岐部から発生すると予想される。測定点からの分岐前の長さは、D ₄ = 波長/32 = cf ₄ /32 = 3.5  cm、周波数f ₄ = 4.92  Hzで与えられる。計算された距離は、おそらく超音波サンプルボリュームが配置された頸動脈分岐直後のMCA主幹セグメントからMCA分岐部までの距離に近似する。したがって、これらの推定値は実際の長さを近似しています。ただし、推定された距離は、Campbell ら (1989) による動脈樹の既知の形態計測寸法と正確には相関しない可能性があることが示唆されています。この方法は、2007 年に Philip Njemanze によって初めて記述され、機能的経頭蓋ドップラー分光法 (fTCDS) と呼ばれました。^{[ 25 ]} fTCDS は、精神作業中に誘発される周期的プロセスのスペクトル密度推定値を調べ、特定の精神刺激の影響に関連する変化のより包括的な像を提供します。スペクトル密度推定値は、周期性のないアーティファクトの影響を最も受けにくく、フィルタリングによってノイズの影響が軽減されます。^{[ 28 ]}Cピークの変化は、学習中^{[ 25 ]} および認知プロセス中の皮質活動の等価物を示唆すると提案されている皮質長期電位（CLTP）または皮質長期抑制（CLTD）を示す可能性がある。チェッカーボードの正方形を対象物として含むパラダイム1中の血流速度トレースは、顔全体（パラダイム2）および顔要素分類タスク（パラダイム3）と比較される。高速フーリエ変換計算を使用して、左右の中大脳動脈のスペクトル密度とクロス振幅プロットを取得する。Cピーク（記憶（Mピーク）皮質ピークとも呼ばれる）は、パラダイム3中に発生することが確認された。パラダイム3は、被験者がパラダイム3の各顔要素を記憶に保存されているもの（パラダイム2）に一致させることでパズルを空間的に適合させ、顔全体の画像を形成する前に反復的な記憶想起を必要とする顔要素分類タスクである。