Name: 使用全头光电阵列和短距离通道同时收集 fMRI 和 fNIRS 测量数据 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T14:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 了解如何使用全头光电阵列和短距离通道同时采集功能性磁共振成像与功能性近红外光谱信号。该方法通过信号对齐提升神经影像数据可靠性，适用于临床及发育人群的研究。

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本研究得到了以下资助来源的支持：脑与行为研究基金会（Brain and Behavior Research Foundation）颁发的NARSAD青年研究者奖（Grant #29736）（SSA）、比尔及梅琳达·盖茨基金会（Bill and Melinda Gates Foundation）的全球重大挑战奖（Global Grand Challenges Grant）（Grant #INV-005792）（RNA），以及耶鲁大学心理学系的发现基金奖（Discovery Fund Grant）（RNA）。作者还希望感谢耶鲁大学脑成像中心（Yale Brain Imaging Center）的Richard Watts在数据采集过程中提供的支持，以及圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St Louis）的Adam Eggebrecht、Ari Segel和Emma Speh在数据分析方面的协助。

本文的出版费用由NIRx赞助。作者无其他事项需要披露。

本方案通过使用全脑fNIRS探头阵列和短距离通道，同步采集fMRI&#160;与fNIRS信号，并对系统性非皮层生理信号进行测量和回归去除。该方案的关键步骤包括对fNIRS设备进行改造与开发，以实现在MRI环境中采集fNIRS信号。据我们所知，目前尚无完全针对全脑fNIRS阵列同步采集fMRI&#160;和fNIRS信号而优化的即插即用型商用系统。本方案填补了这一空白，尤其适用于希望对两种信号进行全脑比较的研究人员，但也可轻松修改用于针对特定感兴趣区域的研究。
本方案详细阐述了对fNIRS设备进行的关键改进，包括在fNIRS帽中加入可放置维生素E胶囊的插件、改进帽子前额区域的舒适性以及后脑部位的可调节性，以及定制的磁共振安全桥架，用于将fNIRS光学纤维引至扫描仪操作台。在开展同步fMRI/fNIRS研究时，一个关键挑战是确保实验装置能够让受试者在扫描仪内舒适地保持静卧状态。目前针对成人的实验设置平均可支持约40分钟的扫描时间，其中包括功能成像和结构成像。受试者在扫描仪内能够舒适静卧的时间长短主要取决于fNIRS系统所配备的探头类型。本方案采用的是NIRx NIRScout XP系...

近三十年来，研究人员通过功能性磁共振成像（fMRI）研究成人人类大脑的认知功能。尽管fMRI具有高空间分辨率，并能同时提供功能和结构图像，但在自然情境下开展的研究，或针对婴儿及临床人群的研究中，fMRI往往不够实用。这些限制显著制约了我们对大脑功能的理解。fMRI的一种替代方法是采用便携式技术，例如功能性近红外光谱成像（fNIRS），该技术成本更低，且对运动干扰更具鲁棒性1,2,3。fNIRS已被用于婴儿和幼儿的研究，以评估多种认知领域的脑功能，如语言发展、社会相关信息的处理以及物体识别4,5,6。由于fNIRS具备在不同年龄段进行重复测试和长期监测的潜力，因此特别适用于临床人群的神经影像研究7,8,9。尽管fNIRS应用广泛，目前尚无研究对同一受试者在全脑覆盖条件下同步采集的fMRI与fNIRS信号进行定量比较。此类比较对于全面验证感兴趣区域（ROIs）的脑区激活水平及功能连接性，使之与fMRI金标准相对照，具有重要意义。此外，建立这种跨模态的对应关系，有望在典型与非典型发育过程中仅采集fNIRS信号时，提升其数据解释的准确性与可靠性。
功能磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱成像（fNIRS）信号均可检测功能脑激活期间脑血氧（CBO）的变化10,11。fMRI依赖于电磁场的变化，能够提供高空间分辨率的CBO变化信息12。相比之下，fNIRS利用一系列发光和光探测光学探头，测量近红外光的吸收水平2。由于fNIRS可测量不同波长下的光吸收变化，因此能够评估氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。早期研究通过使用少量光学探头同步记录fMRI和fNIRS信号，发现这两种信号在空间和时间上具有高度一致性10。血氧水平依赖性（BOLD）fMRI信号与光学测量指标之间存在强相关性11,13，先前比较fNIRS与fMRI血流动力学响应函数（HRFs）时间动态特性的研究指出，脱氧血红蛋白与BOLD响应的相关性最高14。这些早期研究采用运动反应范式（例如手指敲击），并使用有限数量的光学探头覆盖初级运动皮层和前运动皮层区域。在过去十年中，研究范围已扩展至更多类型的认知任务以及静息态扫描，但仍仅使用覆盖特定感兴趣区域（ROIs）的有限数量光学探头。这些研究表明，fNIRS与fMRI相关性的变异程度取决于光学探头与头皮及大脑之间的距离15。此外，fNIRS可提供与fMRI相当的静息态功能连接测量结果16,17。
本方案在先前研究的基础上，通过以下方式解决了关键局限性：i）提供全头部fNIRS覆盖，ii）包含短距离测量以回归非皮层生理信号，iii）实施两种不同的fNIRS测量中光极与头皮共配准方法，以及iv）支持在两次独立实验会话中评估信号的重测信度。该fMRI&#160;与fNIRS信号同步采集的方案最初是为测试年轻成人而开发的。然而，本研究的目标之一是建立一种可用于同步采集fMRI/fNIRS信号的实验设置，以便后续适用于发育人群的测试。因此，当前方案也可作为开发针对儿童测试方案的起点。除了采用全头部fNIRS覆盖外，本方案还旨在整合fNIRS硬件领域的最新进展，例如引入短距离通道以测量系统性生理信号（即来自非皮层源的血管变化，如血压、呼吸和心脏信号）18,19；以及使用3D结构传感器实现光极与头皮的共配准20。尽管本方案的重点是视觉闪烁棋盘任务的结果，但整个实验包含两次会话，结合了传统的区组任务设计、静息态会话以及自然主义电影观看范式。
该方案描述了将fNIRS设备适配用于MRI环境所需的步骤，包括帽具设计、通过触发同步实现时间对齐，以及数据采集开始前所需的模体测试。如前所述，此处重点介绍闪烁棋盘格任务的结果，但整体流程并不局限于特定任务，可适用于多种实验范式。该方案还进一步概述了数据采集过程中的操作步骤，包括fNIRS帽具的佩戴与信号校准、受试者&#160;以及实验设备的设置、实验后的清理工作和数据存储。该方案最后概述了专门用于预处理fNIRS和fMRI数据的分析流程。

<table><tbody><tr><td>280 个低剖面 MRI 兼容 NIRs 帽用衬套</td><td>NIRx</td><td>GRM-LOP</td><td></td></tr><tr><td>4 个 128 位点 NIRS 帽，带 128× 未安装插槽，布局为 10-5</td><td>NIRx</td><td>CP-128-128S</td><td>尺寸：52、54、56、60</td></tr><tr><td>8 组 4× 探测器光纤，带低剖面端头；兼容 MRI、MEG 和 TMS&amp;nbsp;</td><td>NIRx</td><td>DET-FBO- LOW</td><td>10 米长</td></tr><tr><td>8 组 4× 激光光源光纤，带 MRI 兼容低剖面端头</td><td>NIRx</td><td>SRC-FBO- LAS-LOW</td><td>10 米长</td></tr><tr><td>8 个短通道探测器组件，配备专用环形衬套，可适配低剖面衬套</td><td>NIRx</td><td>DET-SHRT-SET</td><td>将单个探测器分成 8 个短通道，可放置于单个 NIRS 帽上的任意位置</td></tr><tr><td>Magnetom 3T PRISMA</td><td>Siemens</td><td>N/A</td><td>128 通道容量，64/32/20 通道头部线圈，最大梯度幅度 80 mT/m，压摆率 200 T/m/s，支持完整的神经序列</td></tr><tr><td>NIRScout XP 核心系统单元</td><td>NIRx</td><td>NSXP- CHS</td><td>最多支持 64× Laser-2（或 32× Laser-4）光源或 64× LED-2 光源；最多支持 32× 探测器；支持串联（多系统）和超扫描（多受试者）测量；兼容 EEG、tDCS、眼动追踪及其他模态；提供 fMRI、TMS、MEG 兼容模块</td></tr><tr><td>NIRStar 软件</td><td>NIRx</td><td>N/A</td><td>版本 15.3</td></tr><tr><td>NIRx 并口复制器</td><td>NIRx</td><td>ACC-LPT-REP</td><td>并口复制器&amp;nbsp;包含三个组件：并口复制器盒、USB 电源线和 BNC 适配器</td></tr><tr><td>生理脉搏单元</td><td>Siemens</td><td>PPU098</td><td>光学体积描记法，用于采集心律信号。</td></tr><tr><td>呼吸单元</td><td>Siemens</td><td>PERU098&amp;nbsp;</td><td>用于采集呼吸幅度的单元（通过气动系统和束缚带实现）。</td></tr><tr><td>Structure Sensor Mark II</td><td>Occipital</td><td>101866 (SN)</td><td>用于光极数字化的 3D 结构传感器。</td></tr></tbody></table>

使用全头光学探头阵列和短距离通道同步采集 fmri 与 fnirs 测量数据

Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

功能性近红外光谱成像（fNIRS）是一种便携式神经影像学方法，相较于功能性磁共振成像（fMRI），其对运动干扰更具鲁棒性且成本更低，因此非常适用于开展脑功能的自然情境研究，以及用于发育和临床人群。fNIRS与fMRI方法均可检测脑功能激活期间脑血氧水平的变化，先前研究已表明这两种信号在空间和时间上具有高度一致性。然而，目前尚无针对同一受试者、在全脑覆盖的fNIRS条件下同步采集的两种信号的定量比较。此类比较对于全面验证区域水平的激活和功能连接性（以fMRI作为金标准）至关重要，进而有望促进两种信号在全生命周期中的对比研究。为弥补这一空白，本文描述了一种同步采集fMRI&#160;和fNIRS信号的实验方案，该方案：i）实现全脑fNIRS覆盖；ii）包含短距离通道测量，用于回归去除非皮层来源的系统性生理信号；iii）采用两种不同的方法实现fNIRS光极与头皮的共配准。本文展示了来自三名受试者的fMRI与fNIRS数据，并讨论了将该方案应用于发育和临床人群的适应性建议。当前针对成人的实验设置平均可支持约40分钟的扫描时长，包括功能扫描和结构扫描。该方案详细说明了将fNIRS设备适配至磁共振（MR）环境所需的操作步骤，提供了数据记录和光极-头皮共配准的建议，并讨论了根据所用MR兼容fNIRS系统的具体特性对方案进行潜在调整的方法。来自闪烁棋盘格任务的代表性个体响应结果，展示了在MR环境中利用该方案采集全脑fNIRS信号的可行性。本方案对于希望在全生命周期范围内以fMRI为参照验证fNIRS信号的研究人员尤为具有参考价值。

本节展示了功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱成像（fNIRS）信号在闪烁棋盘格任务中具有代表性的被试特异性响应。首先，展示了具有代表性的原始fNIRS数据及其质量评估结果 图6 和 图7 以说明在MRI环境中测量fNIRS信号的实验设置的可行性。整个头部探头阵列及敏感度分布示意图如下所示。 图8. 
<img alt="785 nm 和 830 nm 处的时频分析；光谱比较；信号波动图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65088/65088fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 6"> 
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我们介绍一种可对同一受试者同时采集fMRI和fNIRS信号并实现全脑fNIRS覆盖的方法。该方案已在三名年轻成人中进行测试，也可根据需要调整用于发育研究和临床人群的数据采集。

使用全头光学探头阵列和短距离通道同步采集 fMRI 与 fNIRS 测量数据

功能近红外光谱成像（fNIRS）是一种便携式神经影像学方法，相较于功能磁共振成像，其对运动伪影的敏感性更低，且成本效益更高。

对同一受试者同时采集 fMRI 和 fNIRS 信号极为重要，因为这使我们能够将 fNIRS 信号与作为神经影像学金标准的 fMRI 信号进行对齐。fNIRS 是一种仍在发展的方法，无法到达较深的脑部结构，因此 fMRI 记录有助于我们更深入地理解 fNIRS 信号。以往尝试从同一位受试者大脑中同时记录fNIRS和fMRI信号需要进行两次记录会话。然而，这两次会话意味着受试者会反复看到和听到相同的刺激，这可能会改变大脑的响应方式。尽管在本方案中，fMRI和fNIRS信号仅在典型成年人中进行了对齐，但我们希望当前的方案未来也可扩展应用于临床和发育人群的测试。例如，在采集可能存在神经心理缺陷的个体数据时，这一点尤为重要，因为我们将能够以最高置信度解读fNIRS信号。我们相信，fNIRS与fMRI的同步记录对于理解特殊人群及儿童的大脑神经网络将具有特别重要的意义。毫无疑问，同步采集fMRI和fNIRS信号具有挑战性，但我们已逐步解决了所有问题，并确信本方案将使其他实验室能够采集相同类型的数据。主要挑战之一很可能是确保受试者在扫描仪中感到舒适，尤其是在佩戴全头fNIRS帽时。本操作流程将由本实验室的实验室主管Virginia Chambers进行演示。在受试者签署必要的知情同意书并接收任务指导后，请引导其在控制室内就座于椅子上。将软质卷尺围绕前额一周，在后脑最宽处通过并回到起点。根据测得的头围选择最接近的 fNIRS 帽子尺寸。牢固握住短距离探测器探头的底座，并将其沿穿过fNIRS帽网眼的衬圈部分滑动。确保短距离探测器的电缆朝向帽的后方，以留出清晰的面部区域。接下来，请受试者像戴冬季帽子一样，将帽沿头顶冠部向下拉，并将下颌带调整至舒适的程度并固定。系紧背部绑带。确认帽具已牢固固定，且探头插座紧贴头部。然后根据10/20系统的位置，粘贴绿色贴纸以标记关键的解剖标志点。使用卷尺将头皮各点与帽上的对应点对称对齐。确保从CZ点到耳前点、枕外隆凸点和鼻根点的距离相等。指导受试者保持静止不动，以建立其头部的三维模型。然后在平板电脑或 iPad 上启动结构扫描应用程序。确保关闭高分辨率彩色成像、红外自动曝光以及改进的追踪功能。将受试者置于正中央位置，确保其整个头部位于屏幕上的 3D 方框内，且肩膀在画面中仅轻微可见。使用3D扫描仪围绕受试者走动，以扫描头部形状和光学探头。完成整个扫描后，按下屏幕右侧的按钮以启动3D重建。检查重建图像的清晰度和细节水平，确保光学探头和绿色标记贴片的位置准确无误。出于安全与隐私考虑，将3D扫描数据保存至符合HIPAA保护标准的服务器上。3D模型完成后，取下绿色贴纸，并提示受试者将耳塞插入耳中。在扫描室内，确保20通道头部线圈已放置于扫描仪中。在 MRI 头线圈底部放置一个泡沫枕头，以支撑受试者头部的上部。指导受试者舒适地坐在扫描仪检查床上。用一只手稳住光极橡胶垫圈，同时使用 MRI 安全的涂抹工具将垫圈中部的头发拨开。然后施加稳固的压力，将光极固定在衬套中。指导受试者缓慢而小心地躺下。调整光纤束，确保受试者的头部在头部线圈内处于舒适的位置。根据波导电缆的位置，升起扫描仪床。在受试者腿部下方放置一个软垫以确保舒适。将呼吸带缠绕在受试者腰部。指导受试者佩戴降噪耳机，确保其不会干扰 fNIRS 探头的放置。将脉搏血氧仪置于受试者的左手食指上。如果实验任务中使用了按钮盒，则指导受试者用优势手握住按钮盒。明确说明如何使用按钮盒。将挤压球或按钮报警器放置在受试者的非优势手上，并指导参与者如何使用。通过要求参与者按压按钮来测试报警器是否正常工作。将受试者向扫描仪孔内推进几英寸以调整头部位置。放置头部线圈的上部组件。接着，将麦克风和反射镜插入线圈对应的插槽中。握住光纤，缓慢将受试者推入扫描仪孔内。在扫描仪的计算机上，选择研究所需的相关结构和功能序列。通过定位像确认受试者头部在扫描仪孔内的位置是否正确，确保成像范围完全覆盖从头部顶部至小脑的区域。通过头部线圈镜确认受试者能够看到计算机屏幕，并运行初始结构扫描。受试者水平的fNIRS数据显示，在闪烁棋盘格任务期间，双侧视觉皮层区域的激活程度较试验间期升高。脑活动的时间轨迹显示，在呈现闪烁棋盘格时，HBO信号增加，而在试验间期则下降。在闪烁棋盘格刺激期间对HBO数据的可视化显示，在单个被试水平上，视觉皮层区域出现双侧激活。单个被试的fMRI数据显示，在闪烁棋盘格刺激期间，初级和次级视觉皮层的BOLD信号反应强于试次间期。在皮层下水平，丘脑的外侧膝状体核出现激活增强。本实验方案的关键挑战之一是确保被试能够在扫描仪中舒适地保持静息状态，而这主要取决于fNIRS系统所配备的光学探头类型。该方案可进行调整，以从特定兴趣区域及多种实验范式中采集数据。我们还提供了关于如何在临床和发育人群研究中使用该方案的具体建议。

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神经科学

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开放性协作学习中的脑间同步性：一项基于fNIRS超扫描的研究

当个体之间相互协调时，他们大脑之间的动态关系越来越多地通过脑间同步（IBS）来表征，这主要基于使用功能性近红外光谱成像（fNIRS）进行的同时记录大脑信号（即超扫描）。在fNIRS超扫描研究中，由于小波变换相干性（WTC）方法能够将时间序列扩展到时频空间，从而以高度直观的方式呈现振荡活动，因此IBS通常通过WTC方法进行评估。所观察到的IBS可通过基于排列的试验、搭档和条件随机配对进一步验证。本文提供了一套实验方案，用于描述如何在超扫描研究中通过fNIRS技术获取脑信号，利用WTC方法计算IBS，并通过排列法对IBS进行验证。此外，我们还讨论了使用上述方法时的关键问题，包括fNIRS信号的选择、数据预处理方法以及计算过程中的可选参数。 总之，结合WTC方法与排列检验可能是分析fNIRS超扫描研究中IBS的一种潜在标准流程，有助于提升IBS研究的可重复性与可靠性。...

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