Method Article

Gleichzeitige Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Messungen unter Verwendung eines Ganzkopf-Optodenarrays und Kurzstreckenkanälen

DOI:

10.3791/65088

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October 20th, 2023

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1Child Study Center, Yale University School of Medicine, 2Department of Psychology, University of Connecticut, 3Department of Psychology, Yale University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wir stellen eine Methode zur gleichzeitigen Erfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen von denselben Probanden mit Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung vor. Das Protokoll wurde mit drei jungen Erwachsenen getestet und kann für die Datenerhebung für Entwicklungsstudien und klinische Populationen angepasst werden.

Abstract

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Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) ist eine tragbare Neuroimaging-Methode, die robuster gegenüber Bewegungen und kostengünstiger ist als die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), wodurch sie sich hervorragend für die Durchführung naturalistischer Studien der Gehirnfunktion und für den Einsatz bei Entwicklungs- und klinischen Populationen eignet. Sowohl fNIRS- als auch fMRT-Methoden erkennen Veränderungen in der Sauerstoffversorgung des zerebralen Blutes während der funktionellen Gehirnaktivierung, und frühere Studien haben eine hohe räumliche und zeitliche Übereinstimmung zwischen den beiden Signalen gezeigt. Es gibt jedoch keinen quantitativen Vergleich der beiden Signale, die gleichzeitig von denselben Probanden mit Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung gesammelt wurden. Dieser Vergleich ist notwendig, um Aktivierungen auf Bereichsebene und funktionelle Konnektivität umfassend anhand des fMRT-Goldstandards zu validieren, was wiederum das Potenzial hat, Vergleiche der beiden Signale über die gesamte Lebensdauer hinweg zu erleichtern. Wir schließen diese Lücke, indem wir ein Protokoll für die gleichzeitige Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen beschreiben, das: i) eine Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung bietet; ii) Kurzstreckenmessungen zur Regression des nicht-kortikalen, systemischen physiologischen Signals umfasst; und iii) implementiert zwei verschiedene Methoden für die Ko-Registrierung von Optode zu Kopfhaut von fNIRS-Messungen. fMRT- und fNIRS-Daten von drei Probanden werden vorgestellt und Empfehlungen für die Anpassung des Protokolls an Testentwicklungs- und klinische Populationen diskutiert. Das derzeitige Setup mit Erwachsenen erlaubt Scansitzungen von durchschnittlich ca. 40 Minuten, die sowohl funktionelle als auch strukturelle Scans umfassen. Das Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die fNIRS-Geräte für den Einsatz in der Magnetresonanzumgebung (MR) anzupassen, gibt Empfehlungen sowohl für die Datenaufzeichnung als auch für die Koregistrierung von Optode und Kopfhaut und diskutiert mögliche Änderungen des Protokolls, um den Besonderheiten des verfügbaren MR-sicheren fNIRS-Systems gerecht zu werden. Repräsentative fachspezifische Antworten aus einer blinkenden Schachbrettaufgabe veranschaulichen die Machbarkeit des Protokolls zur Messung von Ganzkopf-fNIRS-Signalen in der MR-Umgebung. Dieses Protokoll wird besonders für Forscher relevant sein, die daran interessiert sind, fNIRS-Signale gegen fMRT über die gesamte Lebensspanne zu validieren.

Introduction

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Die kognitive Funktion wird im erwachsenen menschlichen Gehirn seit fast drei Jahrzehnten mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersucht. Obwohl die fMRT eine hohe räumliche Auflösung und sowohl funktionelle als auch strukturelle Bilder liefert, ist sie für Studien, die in naturalistischen Kontexten durchgeführt werden, oder für den Einsatz mit Säuglingen und klinischen Populationen oft nicht praktikabel. Diese Einschränkungen schränken unser Verständnis der Gehirnfunktion erheblich ein. Eine Alternative zur fMRT ist der Einsatz tragbarer Methoden, die kostengünstiger und robuster gegenüber Bewegungen sind, wie z. B. die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS)1,2,3. fNIRS wurde bei Säuglingen und Kleinkindern eingesetzt, um die Gehirnfunktion in einer Reihe von kognitiven Bereichen zu beurteilen, wie z. B. Sprachentwicklung, Verarbeitung sozial relevanter Informationen und Objektverarbeitung 4,5,6. fNIRS ist auch eine Neuroimaging-Modalität, die sich besonders für die Untersuchung klinischer Populationen eignet, da sie das Potenzial für wiederholte Tests und Überwachungen im Alter von 7,8,9 Jahren bietet. Trotz seiner breiten Anwendbarkeit gibt es keine Studien, die fMRT- und fNIRS-Signale, die gleichzeitig von denselben Probanden mit Ganzkopfabdeckung gesammelt wurden, quantitativ vergleichen. Dieser Vergleich ist notwendig, um Aktivierungen auf Bereichsebene und funktionelle Konnektivität zwischen Regions of Interest (ROIs) anhand des fMRT-Goldstandards umfassend zu validieren. Darüber hinaus hat die Etablierung dieser intermodalen Korrespondenz das Potenzial, die Interpretation von fNIRS zu verbessern, wenn es das einzige gesammelte Signal sowohl für die typische als auch für die atypische Entwicklung ist.

Sowohl fMRT- als auch fNIRS-Signale detektieren Veränderungen der zerebralen Blutoxygenierung (CBO) während der funktionellen Gehirnaktivierung10,11. fMRT beruht auf Veränderungen in elektromagnetischen Feldern und liefert eine hohe räumliche Auflösung von CBO-Veränderungen12. Im Gegensatz dazu misst fNIRS den Absorptionsgrad von Nahinfrarotlicht mit einer Reihe von lichtemittierenden und lichtdetektierenden Optoden2. Da fNIRS Änderungen der Absorption bei verschiedenen Wellenlängen misst, kann es Konzentrationsänderungen sowohl im Oxy- als auch im Desoxyhämoglobin beurteilen. Frühere Studien mit gleichzeitigen Aufzeichnungen von fMRT- und fNIRS-Signalen mit einer kleinen Anzahl von Optoden haben gezeigt, dass die beiden Signale eine hohe räumliche und zeitliche Übereinstimmung aufweisen10. Es gibt starke Korrelationen zwischen der blutsauerstoffgehaltsabhängigen (BOLD) fMRT und optischen Messungen11,13, wobei Desoxyhämoglobin die höchste Korrelation mit dem BOLD-Ansprechen zeigt, wie in früheren Arbeiten berichtet wurde, in denen die zeitliche Dynamik der fNIRS- und fMRT-hämodynamischen Antwortfunktionen (HRFs) verglichen wurde14. Diese frühen Studien implementierten motorische Reaktionsparadigmen (d.h. Fingerklopfen) und verwendeten eine begrenzte Anzahl von Optoden, die primäre motorische und prämotorische Kortexbereiche abdeckten. In den letzten zehn Jahren haben Studien den Fokus auf eine größere Anzahl kognitiver Aufgaben und Ruhezustandssitzungen ausgeweitet, obwohl immer noch eine begrenzte Anzahl von Optoden verwendet wird, die bestimmte ROIs abdecken. Diese Studien haben gezeigt, dass die Variabilität der fNIRS/fMRT-Korrelationen von der Entfernung der Optode von der Kopfhaut und dem Gehirn abhängt15. Darüber hinaus kann fNIRS funktionelle Konnektivitätsmaße im Ruhezustand liefern, die mit der fMRTvergleichbar sind 16,17.

Das aktuelle Protokoll baut auf früheren Arbeiten auf und behebt wichtige Einschränkungen, indem es i) eine Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung bietet, ii) Kurzstreckenmessungen für die Regression nicht-kortikaler physiologischer Signale einschließt, iii) zwei verschiedene Methoden für die Koregistrierung von fNIRS-Messungen von Optode zu Kopfhaut implementiert und iv) die Bewertung der Test-Retest-Zuverlässigkeit des Signals über zwei unabhängige Sitzungen hinweg ermöglicht. Dieses Protokoll zur gleichzeitigen Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen wurde ursprünglich für die Testung junger Erwachsener entwickelt. Eines der Ziele der Studie war es jedoch, einen Versuchsaufbau für die gleichzeitige Erfassung von fMRI/fNIRS-Signalen zu schaffen, die anschließend für das Testen von Entwicklungspopulationen angepasst werden können. Daher kann das aktuelle Protokoll auch als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Protokolls zum Testen von Kleinkindern verwendet werden. Neben der Verwendung der Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung zielt das Protokoll auch darauf ab, die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der fNIRS-Hardware zu berücksichtigen, wie z. B. die Einbeziehung von Kurzstreckenkanälen zur Messung des systemischen physiologischen Signals (d. h. vaskuläre Veränderungen, die sich aus nichtkortikalen Quellen ergeben, wie Blutdruck, Atem- und Herzsignale)18,19 ; und die Verwendung eines 3D-Struktursensors für die Koregistrierung von Optode zu Kopfhaut20. Obwohl der Fokus des vorliegenden Protokolls auf den Ergebnissen einer visuell blinkenden Schachbrettaufgabe liegt, umfasst das gesamte Experiment zwei Sitzungen mit einer Mischung aus traditionellen Blockaufgabendesigns, Ruhezustandssitzungen und naturalistischen Filmbetrachtungsparadigmen.

Das Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die fNIRS-Geräte für den Einsatz in der MRT-Umgebung anzupassen, einschließlich des Kappendesigns, der zeitlichen Ausrichtung über die Trigger-Synchronisation und der Phantomtests, die vor Beginn der Datenerfassung erforderlich sind. Wie bereits erwähnt, liegt der Fokus hier auf den Ergebnissen der blinkenden Schachbrettaufgabe, aber die Gesamtprozedur ist nicht aufgabenspezifisch und kann für eine beliebige Anzahl von experimentellen Paradigmen geeignet sein. Das Protokoll beschreibt außerdem die Schritte, die während der Datenerfassung erforderlich sind, darunter die Platzierung der fNIRS-Kappe und die Signalkalibrierung, die Einrichtung von Teilnehmern und experimentellen Geräten sowie die Bereinigung und Datenspeicherung nach dem Experiment. Das Protokoll schließt mit einem Überblick über die analytischen Pipelines, die für die Vorverarbeitung von fNIRS- und fMRT-Daten spezifisch sind.

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Protocol

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Die Studie wurde vom Institutional Review Board (IRB) der Yale University genehmigt. Für alle Probanden wurde eine Einwilligung nach Aufklärung eingeholt. Die Probanden mussten ein MRT-Screening bestehen, um ihre sichere Teilnahme zu gewährleisten. Sie wurden ausgeschlossen, wenn sie in der Vorgeschichte eine schwere medizinische oder neurologische Störung hatten, die wahrscheinlich die kognitiven Funktionen beeinträchtigen würde (d. h. eine neurokognitive oder depressive Störung, ein Trauma, eine Schizophrenie oder eine Zwangsstörung).

HINWEIS: Das aktuelle Protokoll verwendet ein CW-NIRS-Gerät mit 100 Fernkanälen und 8 Kurzstreckenkanälen (32 Laserdiodenquellen, λ = 785/830 nm mit einer durchschnittlichen Leistung von 20 mW/Wellenlänge und 38 Avalanche-Photodiodendetektoren), die bei 1,95 Hz abgetastet wurden. MRT- und fMRT-Scans wurden auf einem Siemens 3 Tesla Prisma-Scanner mit einer 20-Kanal-Kopfspule aufgenommen. Alle Daten wurden am Yale Brain Imaging Center (https://brainimaging.yale.edu/) erhoben. Systemspezifische Modifikationen für die gleichzeitige Erfassung von fMRT- und fNIRS-Daten sind im gesamten Protokoll vermerkt.

1. Modifikationen und Entwicklung von fNIRS-Geräten für die gleichzeitige Datenerfassung

HINWEIS: Die Schritte 3 bis 6 sind spezifisch für das NIRScoutXP-System und gelten aufgrund von Variationen in der Erfassungssoftware und den verfügbaren Phantomen für die Optodenbewertung möglicherweise nicht für andere fNIRS-Systeme.

  1. Vorbereitung der fNIRS-Kappen
    1. Identifizieren Sie die fNIRS-Kappen, die für die Studie benötigt werden. Stellen Sie für eine Studie für Erwachsene sicher, dass die folgenden Kappengrößen (in cm) verfügbar sind: 54, 56, 58 und 60.
    2. HINWEIS: Die Kappengrößen sind spezifisch für das in diesem Protokoll verwendete System. Daher kann es Unterschiede in den spezifischen Größen geben, die für verschiedene NIRS-Systeme benötigt werden.
    3. Bereiten Sie die Fiducals mit Vitamin-E-Kapseln und einem wasserabweisenden Material (z. B. Nylongewebe mit PU-Beschichtung) vor. Wickeln Sie die Kapseln mit dem Material Ihrer Wahl ein und nähen (oder kleben) Sie die Fiducials an die ausgewählten Stellen (siehe Abbildung 1A). Vitamin-E-Kapseln dienen als Referenzmarken, um die Position der fNIRS-Kanäle relativ zum darunter liegenden Hirngewebe anhand des T1w-Bildes zu identifizieren.
    4. Bestimmen Sie die Anzahl der Rahmenmarken in Abhängigkeit vom Optodenarray und der Co-Registrierungsmethode. Einige Studien erfordern nur die Erkennung einiger anatomischer Landmarken, während andere davon profitieren können, Fiducials neben jeder Optode zu platzieren.
    5. Wenn die fNIRS-Mütze am Hinterkopf zu locker sitzt, befestigen Sie zwei Riemen auf beiden Seiten der Mütze mit elastischem Stoff (mit vorgeschnittenen Knopflöchern) und Knöpfen, um die Verstellbarkeit der Mütze zu erhöhen. Befestigen Sie die Gurte für alle Teilnehmer und unabhängig davon, wie fest die Kappe ist, um ein einheitliches Kappen-Setup zu gewährleisten.
    6. Wenn die Vorderseite der Kappe zu eng auf der Stirn sitzt, legen Sie Gummipuffer auf die Optoden, die in direktem Kontakt mit der Haut stehen. Wenn der fNIRS-Lieferant keine Puffer zur Verfügung stellt, erstellen Sie diese mit Filzstoffaufklebern. Wenn Sie Gummipuffer verwenden, verwenden Sie diese für alle Teilnehmer, unabhängig von der Passform der Kappe, um eine konsistente Kappenkonfiguration zu gewährleisten. Stellen Sie sicher, dass die Bestandteile in den Gummipuffern keine metallischen Bestandteile enthalten, um Artefakte in den MRT-Bildern zu vermeiden.
  2. Aufbau der fNIRS-Geräte in den MRT-Kontroll- und Scannerräumen
    1. Platzieren Sie das fNIRS-Gerät im Kontrollraum in der Nähe eines der Wellenleiter, die zum Scannerraum führen. Verwenden Sie bei Bedarf eine erhöhte Oberfläche (z. B. einen Tritthocker), um sicherzustellen, dass sich das fNIRS-Gerät so nah wie möglich an den Wellenleitern befindet, um die Faserlänge zu maximieren.
    2. Bündeln Sie die Glasfasern mit Hilfe von Maschendrahtgeflechten in Gruppen. Bestimmen Sie diese Gruppen basierend auf dem gewählten Optodenarray. Im Idealfall werden optische Fasern so gruppiert, dass alle Optoden in der Gruppe auf der gleichen Seite des Kopfes (links vs. rechts) platziert werden.
    3. Verbinden Sie die optischen Fasern mit dem fNIRS-Gerät und führen Sie die Bündel durch die Hohlleiter in den Scannerraum. Messen Sie vor der Bestellung der optischen Fasern den Abstand zwischen dem fNIRS-Gerät und der Mitte der Scannerbohrung, um sicherzustellen, dass die Länge der optischen Fasern ausreichend ist.
    4. Bringen Sie die optischen Fasern zum Scannertisch. Verwenden Sie eine MRT-sichere Brücke, um die optischen Fasern zu halten, um sicherzustellen, dass das Gewicht der Fasern nicht dazu führt, dass die Fasern durchhängen, und um zu verhindern, dass sie die Kappe vom Kopf des Probanden wegziehen (siehe Abbildung 1B).
  3. Einrichten der Parallelport-Replikatorbox
    1. Installieren Sie die neueste Version der NIRStar-Software auf dem fNIRS-Datenerfassungscomputer.
    2. Schließen Sie den Parallelport-Replikator an das Kabel an, das den Transistor-Transistor-Logik-ähnlichen (TTL)-ähnlichen Impuls vom Scanner überträgt, wie im Triggerhandbuch des Herstellers angegeben (Version R2.1; siehe Abbildung 1C). Der TTL-Impuls entspricht einem Slice-Timing-Impuls, der direkt vom Scanner gesendet wird. Wenn der Scanner einen Impuls sendet, leuchtet eine der LED-Anzeigen auf.
    3. Verbinden Sie die Parallelport-Replikatorbox über einen Parallelport-Eingang mit dem fNIRS-Gerät. Dadurch wird ein Trigger an die NIRStar-Software gesendet, wenn ein TTL-Impuls vom Scanner erkannt wird. Das Triggersignal wird auf dem Aufzeichnungsbildschirm der Datenerfassung als gestrichelte Linie angezeigt. Dieser Aufbau gewährleistet die Synchronisierung der fNIRS- und fMRT-Datenerfassung, da jedes Mal, wenn ein Slice-Timing-Impuls im Scanner erfasst wird, dies im fNIRS-Datenstrom widergespiegelt wird, der von der NIRStar-Erfassungssoftware aufgezeichnet wird.
  4. Vorbereitung des statischen Phantoms für die Optodenbewertung
    1. Setzen Sie die Optoden in das statische Phantom ein, das vom fNIRS-Lieferanten bereitgestellt wird. Die Anordnung der Optoden auf dem Phantom hängt von der Art des fNIRS-Instruments und der Anzahl der verfügbaren Quellen und Detektoren ab. Überprüfen Sie die korrekte Optodenanordnung in der Kurzanleitung des Herstellers des Anbieters.
    2. Stellen Sie sicher, dass das Phantom vollständig von Lichtquellen abgeschirmt ist. Einige Anbieter bieten ein passendes Gehäuse an, das hilft, die Optoden von jeder externen Lichtquelle abzuschirmen.
    3. Stecken Sie alle verfügbaren Quellen und Detektorbündel entsprechend der vorgegebenen Optodenanordnung in das fNIRS-Phantom.
    4. Verbinden Sie das fNIRS-Phantom mit dem Erfassungscomputer und starten Sie die NIRStar-Erfassungssoftware.
  5. Durchführen eines Phantom-Instrumententests für dunkles Rauschen
    1. Öffnen Sie unter dem Menüpunkt "Hardware konfigurieren" der NIRStar-Erfassungssoftware die Registerkarte "Kanal-Setup". Stellen Sie sicher, dass unter Anzahl der Quellen und Anzahl der Detektoren die Gesamtzahl der verfügbaren Quellen und Detektoren korrekt eingestellt ist. Bestätigen Sie diese Einstellungen mit einem Klick auf OK.
    2. Starten Sie das Testfenster für dunkles Rauschen, indem Sie im Hauptmenü des NIRStar-Fensters auf den Menüpunkt Diagnose klicken.
    3. Führen Sie den Test aus, indem Sie auf die Schaltfläche Test ausführen klicken. Speichern Sie die Testergebnisse, indem Sie auf die Schaltfläche Ergebnisse speichern klicken.
      HINWEIS: Im "Getting Started Guide: Troubleshooting Static Phantom" des Herstellers finden Sie Hinweise zur Interpretation der Ergebnisse.
  6. Durchführen eines Phantomkalibrierungstests
    1. Öffnen Sie unter dem Menüpunkt "Hardware konfigurieren " in der NIRStar-Erfassungssoftware die Registerkarte "Kanal-Setup ". Stellen Sie sicher, dass unter Anzahl der Quellen und Anzahl der Detektoren die Gesamtzahl der verfügbaren Quellen und Detektoren korrekt eingestellt ist.
    2. Öffnen Sie unter dem Menüpunkt "Hardware konfigurieren " die Registerkarte "Kanalmaskierung ". Maskieren Sie alle Kanäle, indem Sie die Taste "Alle auswählen " drücken.
    3. Wählen Sie unter dem Menüelement "Hardware konfigurieren" auf der Registerkarte "Hardwarespezifikation" unter "Studientyp" die Option "Statisches Phantom" aus. Bestätigen Sie diese Einstellungen, indem Sie auf OK klicken.
    4. Starten Sie die Kalibrierung, indem Sie die Taste Kalibrieren drücken. Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, klicken Sie auf die Schaltfläche Details , um die detaillierten Kalibrierungsergebnisse anzuzeigen.
      HINWEIS: Im "Getting Started Guide: Troubleshooting Static Phantom" des Herstellers finden Sie Hinweise zur Interpretation der Ergebnisse.

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Abbildung 1. Geräte zur gleichzeitigen Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Messungen. (A) Beutel aus schwarzem, wasserabweisendem Material zur Aufbewahrung von Vitamin-E-Kapseln, die auf die fNIRS-Kappe neben jeder Optode genäht sind. (B) MRT-sichere Brücke, um die optischen Fasern über dem Boden zu halten, damit sie während der Datenerfassung den Kopf des Teilnehmers erreichen können. (C) Parallelport-Replikator, der Impulse vom Scanner an das fNIRS-Gerät überträgt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Experimentelles Aufgabendesign

  1. Entscheiden Sie über die Dauer der Scansitzung, indem Sie den Komfort des Teilnehmers im Inneren des Scanners berücksichtigen. Zum Beispiel enthält die hier vorgestellte Studie zwei Strukturbilder (T1w und T2w) für eine Gesamtdauer von ca. 14 Minuten und fünf Funktionsläufe für eine zusätzliche Dauer von ca. 25 Minuten.
    HINWEIS: Die Pilotierung der Studie mit mehreren Teilnehmern ist notwendig, um die geeignete Dauer der Studie zu bestimmen, da studienspezifische Faktoren (z. B. Alter des Teilnehmers, Größe der Kappe) den Komfort bestimmen.
  2. Gestalten Sie die Neuroimaging-Aufgaben im Einklang mit den Forschungszielen. Dies wird studienspezifisch sein. Hier werden die Vorgehensweise (und repräsentative Ergebnisse) einer blinkenden Schachbrettaufgabe vorgestellt.

3. Platzierung der fNIRS-Kappe und Signalkalibrierung am Testtag

HINWEIS: Alle unten aufgeführten Schritte finden in den MRT-Kontroll- oder Einwilligungsräumen statt, sofern nicht anders angegeben.

  1. Sammeln von Kopfmaßen und Auswahl der fNIRS-Kappe
    1. Sobald der Teilnehmer die entsprechenden Einverständniserklärungen unterschrieben und die Anweisungen für die bevorstehenden Aufgaben erhalten hat, weisen Sie ihn an, sich auf einen Stuhl im Kontrollraum zu setzen.
    2. Wickeln Sie das Klebeband mit einem handelsüblichen weichen Maßband um den größtmöglichen Umfang des Kopfes des Teilnehmers. von der markantesten Stelle der Stirn (oft 1 oder 2 Finger über der Augenbraue) bis zur breitesten Stelle des Hinterkopfes und dem Rücken rundherum. Versuchen Sie, den breitesten Umfang zu finden.
    3. Wählen Sie die Kappengröße, die dem gemessenen Umfang am nächsten kommt.
  2. Anbringen der Kurzstrecken-Detektorsonden an der Kappe
    HINWEIS: Dieser Schritt ist spezifisch für NIRx-Systeme und gilt möglicherweise nicht für andere fNIRS-Geräte.
    1. Platzieren Sie die Kurzstrecken-Detektorsonden, indem Sie die Basis fest fassen und um den Teil der Tülle schieben, der durch das Netz der fNIRS-Kappe geht (siehe Abbildung 2A). Achten Sie darauf, die Kurzstrecken-Detektorsonden nicht vom Kabel zu ziehen, da dies das Kabel beschädigen kann.
      HINWEIS: Bei der Entscheidung über die Verteilung der Sonden beziehen Sie sich bitte auf neuere Arbeiten, in denen Ganzkopf- und ROI-spezifische Verteilungen verglichen wurden18.
    2. Verwenden Sie bei Bedarf die vom Hersteller bereitgestellten Faser-Organizer-Clips für das Kabelmanagement. Achten Sie darauf, dass die Kabel des Kurzstreckendetektors zur Rückseite der Kappe ausgerichtet sind, um den Bereich um das Gesicht herum frei zu halten.
  3. Aufsetzen der fNIRS-Kappe und der Optoden auf den Kopf des Teilnehmers
    1. Bitten Sie den Teilnehmer, die Mütze aufzusetzen, indem Sie sie gerade vom Kopf nach unten schieben, als ob er eine Wintermütze aufsetzen würde. Achten Sie darauf, dass die Kappe gerade ist und die Ohren in den Ohrlöchern sitzen.
    2. Bitten Sie den Teilnehmer, den Kinnriemen so fest wie möglich anzuziehen. Ziehen Sie die hinteren Gurte fest und stellen Sie sicher, dass die Kappe sicher befestigt ist und die Optodenbuchsen fest am Kopf sitzen.
    3. Bringen Sie grüne Aufkleber an, um die wichtigsten Passermarken entsprechend den 10-20 Systempositionen (Inion, Nasion, präaurikuläre Punkte vor dem Ohr und Cz) zu markieren21.
      HINWEIS: Die grünen Aufkleber sind erforderlich, wenn der 3D-Struktursensor verwendet wird, um die räumlichen Koordinaten der Quellen- und Detektoroptodenpositionen zu bestimmen. Dies kann je nach Typ des 3D-Struktursensors variieren. Das aktuelle Protokoll verwendet einen Struktursensor (Mark II) von Occipital20.
    4. Richten Sie mit einem Maßband die Punkte auf der Kappe symmetrisch an den Kopfhautpunkten aus, indem Sie darauf achten, dass i) die präaurikulären Punkte gleich weit vom Cz-Punkt entfernt sind und ii) der Inion- und der Nasenpunkt gleich weit vom Cz-Punkt entfernt sind. Stellen Sie sicher, dass die Cap-Position für alle Teilnehmer identisch ist.
  4. Erstellung eines Modells des Kopfes des Teilnehmers mit einem 3D-Struktursensor-Digitalisierer
    1. Weisen Sie den Teilnehmer an, still zu sitzen, um ein 3D-Modell seines Kopfes zu erstellen.
    2. Öffnen Sie die Anwendung Structure auf einem Tablet oder iPad.
      HINWEIS: Das Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um ein Kopfnetz mit dem Struktursensor (Mark II) von Occipital20 zu erstellen. Diese Schritte können je nach System variieren.
    3. Stellen Sie sicher, dass die folgenden Einstellungen deaktiviert sind: Hochauflösende Farbe, automatische IR-Belichtung und verbesserter Tracker.
    4. Zentrieren Sie den Teilnehmer so, dass sich sein gesamter Kopf innerhalb des 3D-Quadrats auf dem Bildschirm befindet, sein ganzer Kopf gerendert wird und nicht zu viel von seinen Schultern im Bild zu sehen ist.
    5. Machen Sie vorsichtig einen 360°-Rundgang um den Teilnehmer herum, um den 3D-Scan zu erstellen. Warten Sie, bis die Anwendung das Bild etwa alle 90° aufgenommen hat, bevor Sie fortfahren (siehe Abbildung 3A).
    6. Nachdem der gesamte Scan erfasst wurde, drücken Sie die Schaltfläche auf der rechten Seite des Bildschirms, um das 3D-Rendering zu erstellen.
    7. Überprüfen Sie das Rendering, um sicherzustellen, dass es klar ist und genügend Details vorhanden ist, um die Platzierung der Optoden und grünen Passermarkenaufkleber zu bestimmen. Speichern Sie den 3D-Scan auf einem HIPAA-geschützten Server.
  5. Vorbereitung des Teilnehmers auf das Betreten des Scannerraums
    1. Nachdem das 3D-Modell erstellt wurde, entfernen Sie die grünen Aufkleber und weisen Sie den Teilnehmer an, Ohrstöpsel in die Ohren zu stecken.
    2. Befolgen Sie die Anweisungen im MRT-Bildgebungszentrum, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer den Scannerraum sicher betreten kann. Dieser Schritt beinhaltet in der Regel, dass der Teilnehmer bestätigt, dass sich keine Metalle in seinem Körper befinden, und dass er als letzte Kontrolle durch einen Metalldetektor geht. Ein MRT-Sicherheitsfragebogen, der vom Probanden vor der Ankunft ausgefüllt wird, wird von den meisten Bildgebungszentren verlangt.
  6. Aufsetzen der Quellen- und Detektorsonden auf die fNIRS-Kappe
    1. Weisen Sie den Teilnehmer im Scannerraum an, sich bequem auf den Scannertisch zu setzen.
    2. Während Sie jede Optodentülle mit einer Hand stabilisieren, verwenden Sie mit der anderen Hand einen MRT-sicheren Applikator, um das Haar von der Mitte der Tülle wegzuschieben (siehe Abbildung 2B). Wenn die Haare ausreichend aus dem Bereich herausbewegt wurden (idealerweise so, dass die Kopfhaut sichtbar ist), drücken Sie die Optode fest in die Tülle.
    3. Stellen Sie sicher, dass das Haar nach dem Lösen der Spannung an der Tülle nicht zurückkehrt, um die Mitte der Optode zu verdecken. Bei Verwendung eines Ganzkopf-Arrays wird empfohlen, die Optoden am Hinterkopf so auszurichten, dass ihre Fasern nach vorne gerichtet sind, und die Optoden an der Vorderseite des Kopfes mit ihren Fasern nach hinten. Diese Konfiguration der optischen Fasern verhindert, dass sie sich verheddern oder kräuseln, wenn sich der Teilnehmer hinlegt und seinen Kopf in die MRT-Kopfspule steckt.
      HINWEIS: Dieser Prozess des Einfügens und Ausrichtens von Fasern wird schneller und einfacher mit zwei Experimentatoren durchgeführt, die sich auf jeder Seite des Teilnehmers befinden und gleichzeitig verschließen.
    4. Ordnen Sie die optischen Fasern mit Hilfe von Kabel-Organizern ordentlich in Bündeln an (siehe Abbildung 2B und Abbildung 3B). Führen Sie eine Testkalibrierung und Messung der Signalstärke mit der NIRStar-Software durch. Die Platzierung und Kalibrierung der Optoden, die von zwei erfahrenen Forschern durchgeführt wird, dauert etwa 10 Minuten.
    5. Passen Sie einzelne Optoden nach Bedarf an, bis eine ausreichende Signalqualität erreicht ist, indem störende Haare von den problematischen Optoden verdrängt werden. Entfernen Sie Optoden von der Kappe, um das Haar mit einer Kunststoffpinzette zu verdrängen (siehe Abbildung 2B).

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Abbildung 2. Kurzstreckendetektoren und Werkzeuge für die fNIRS-Kappenpräparation. (A) Kurzstrecken-Detektorsonden und Gummipuffer, die an der fNIRS-Kappe über den frontalen Bereichen angebracht werden, in denen nur wenig Haare vorhanden sind. (B) Von links nach rechts: Kabelorganisatoren, um die optischen Fasern in Bündeln anzuordnen, MRT-sichere Applikatoren, um die Haare während der Optodenplatzierung wegzudrücken, und Kunststoffpinzetten, um Optoden bei Bedarf von der Kappe zu entfernen, während der Einrichtung der NIRS-Kappe, um die Haare zu verdrängen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 3. 3D-Struktursensor-Digitizer und fNIRS-Kappenplatzierung. (A) Der Experimentator verwendet den 3D-Struktursensor-Digitalisierer, um ein 3D-Modell des Kopfes des Teilnehmers zu erstellen. Grüne Aufkleber werden verwendet, um Referenzmarken zu identifizieren. (B) Optische Fasern, die vor der Signalkalibrierung in die fNIRS-Kappe am Kopf eines Teilnehmers eingeführt und mit Hilfe von Kabelorganisatoren zu Bündeln angeordnet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Einrichtung der Teilnehmer

HINWEIS: Die folgenden Schritte werden im MRT-Scannerraum durchgeführt. Die Verwendung eines Atemgurts und eines Pulsoximeters ist optional und nur erforderlich, wenn die Forscher daran interessiert sind, diese Signale aus den fNIRS-Daten herauszuregressieren22. Das Protokoll verwendet einen Atemgurt, der Teil der Beatmungseinheit ist, um die Atemamplitude mit Hilfe eines Rückhaltegurtes zu erfassen. Ebenso besteht die physiologische Pulseinheit aus einem optischen Plethysmographie-Sensor, der die Erfassung des Herzrhythmus ermöglicht.

  1. Stellen Sie sicher, dass die 20-Kanal-Kopfspule im Scanner eingesetzt ist. Bei Verwendung eines Ganzkopf-fNIRS-Arrays sind die 32- und 64-Kanal-Kopfspulen für erwachsene Teilnehmer zu eng.
  2. Legen Sie ein Schaumstoffkissen in die Unterseite der MRT-Kopfspule, um den Hinterkopf des Probanden zu stützen (siehe Abbildung 4A).
  3. Bitten Sie den Teilnehmer, sich langsam und vorsichtig hinzulegen, damit seine Bewegung nicht die Kappe bewegt oder an den optischen Fasern zieht. Stellen Sie die Glasfaserbündel nach Bedarf so ein, dass der Kopf des Teilnehmers bequem in der Kopfspule ruht (siehe Abbildung 4B). Der Scannertisch muss während dieses Schritts möglicherweise angehoben werden, je nachdem, wo sich die Kabel vom Hohlleiter befinden.
  4. Legen Sie ein Kissen unter die Beine des Teilnehmers, um sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer wohlfühlt. Legen Sie den Atemgurt um die Taille des Teilnehmers.
  5. Bitten Sie den Teilnehmer, die Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung um die Ohren zu legen, und achten Sie darauf, die Platzierung der fNIRS-Sonde nicht zu stören. Um ein Verrutschen der Kopfhörer zu verhindern, verwenden Sie MRT-sichere Pads auf beiden Seiten des Kopfes zwischen den Kopfhörern und der Innenseite der Kopfspule. Ein Kissenbezug kann verwendet werden, um zu verhindern, dass der Kopfhörer mit der Kopfspule in Berührung kommt.
  6. Legen Sie das Pulsoximeter auf den Zeigefinger der nicht-dominanten Hand des Probanden. Wenn Sie eine Buttonbox für die experimentellen Aufgaben verwenden, bitten Sie den Teilnehmer, ihn mit seiner dominanten Hand zu halten. Geben Sie dem Teilnehmer Anweisungen zur Verwendung der Schaltflächenbox.
  7. Platzieren Sie den Quetschball oder den Knopfalarm auf der nicht dominanten Hand des Probanden und weisen Sie den Teilnehmer an, wie er ihn verwenden soll. Testen Sie den Alarm, indem Sie den Teilnehmer bitten, ihn zu drücken.
  8. Schieben Sie den Teilnehmer ein paar Zentimeter in die Scannerbohrung, um den Kopf auszurichten. Positionieren Sie den oberen Teil der Kopfspule. Als nächstes setzen Sie das Mikrofon und den Spiegel in die entsprechenden Spuleneinsätze ein.
  9. Schieben Sie den Teilnehmer langsam in die Scannerbohrung, während Sie die optischen Fasern festhalten. Für diesen Vorgang sind zwei Personen erforderlich, die sich auf jeder Seite des Scannertisches befinden. Stellen Sie sicher, dass die optischen Fasern vorsichtig in die Scannerbohrung geführt werden, um ein Ziehen an den Optoden oder ein Einklemmen der Fasern zwischen der Kopfspule und der Scannerbohrung zu vermeiden.
  10. Nachdem Sie mit dem Teilnehmer bestätigt haben, dass er für die Scansitzung bereit ist, kehren Sie in den Kontrollraum zurück und bestätigen Sie über die Gegensprechanlage, dass der Teilnehmer den Experimentator hören kann und der Experimentator den Teilnehmer hören kann.

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Abbildung 4. Teilnehmer im MRT-Scanner eingerichtet. (A) Kissen in der MR-Kopfspule, die verwendet werden, um den Kopf des Teilnehmers zu stützen, und optische Fasern, die vor dem Aufstellen des Teilnehmers in Bündeln angeordnet sind. (B) Der Teilnehmer liegt auf dem Scannerbett mit der fNIRS-Kappe, die zum Testen bereit ist. Die Oberseite der Kopfspule wurde noch nicht über das Gesicht des Teilnehmers gelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

5. Einrichtung des Scanners und der fNIRS-Ausrüstung vor der Signalaufzeichnung

  1. Wählen Sie am Scanner-Computer die für die Studie relevanten strukturellen und funktionellen Abläufe aus. Wenn Sie ein Empfindlichkeitslichtmodell der fNIRS-Daten berechnen, sammeln Sie sowohl T1w- als auch T2w-Bilder, um die beste Gewebekontrastauflösung zu erhalten.
  2. Überprüfen Sie den Lokalisierer, um eine gute Kopfposition innerhalb der Scannerbohrung zu bestätigen. Vergewissern Sie sich, dass das Gehirn vollständig vom Kopf bis zum Kleinhirn bedeckt ist.
  3. Bestätigen Sie mit dem Teilnehmer, dass der Computerbildschirm über den Kopfspulenspiegel sichtbar ist.
  4. Führen Sie den ersten Strukturscan aus. Führen Sie parallel dazu einen weiteren Kalibrierungstest der fNIRS-Optoden durch, um zu überprüfen, ob sich das Teilnehmer-Setup auf die Signalstärke eines der Kanäle ausgewirkt hat.
  5. Sammeln Sie nach dem ersten strukturellen MRT-Scan die Gradienten-Echo-Feldkartensequenzen und kalibrieren Sie die Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, um sicherzustellen, dass die Kopfhörer in der Lage sind, dem Teilnehmer akustische Reize zu geben und Umgebungsgeräusche zu blockieren.
    HINWEIS: Bei einigen Teilnehmern müssen möglicherweise die Kopfhörer angepasst werden. Wenn dies der Fall ist, betreten Sie den Scannerraum erneut und passen Sie die Polsterung um den Kopfhörer herum an, wobei Sie darauf achten sollten, die Platzierung der fNIRS-Sonde nicht zu beeinträchtigen. Führen Sie einen weiteren Lokalisierer, Gradientenecho-Feldkartensequenzen und einen Kalibrierungstest der fNIRS-Optoden durch, bevor Sie fortfahren.

6. Gleichzeitige Signalaufzeichnung

  1. Erkundigen Sie sich beim Teilnehmer über die Gegensprechanlage, ob er sich wohl fühlt und es ihm gut geht. Geben Sie die Anweisungen für die Aufgabe und erinnern Sie die Teilnehmer daran, ihren Kopf und Körper ruhig zu halten.
  2. Geben Sie die folgenden Anweisungen an, die speziell für die Aufgabe des blinkenden Schachbrettmusters gelten (Abbildung 5).
    1. Weisen Sie den Teilnehmer in dieser Aufgabe an, immer in die Mitte des Bildschirms zu schauen, der sich vor ihm befindet (über den Spiegel). Manchmal zeigt der Bildschirm ein Schachbrett mit Kacheln, die mit unterschiedlichen Frequenzen flackern. In anderen Fällen sieht der Teilnehmer einen weißen Kreis in der Mitte des Bildschirms.
    2. Wenn der weiße Kreis auf dem Bildschirm erscheint, bitten Sie den Teilnehmer, mit dem Zeigefinger auf die Button Box zu drücken. Nach dem Drücken der Taste färbt sich der Kreis rot.
    3. Bei dieser Aufgabe wird ein alternierender Blockentwurf verwendet. Lassen Sie die Teilnehmer einen einzigen Lauf von 6 Minuten absolvieren, der 11 blinkende Schachbrettblöcke à 10 s und 11 Kreisblöcke à 20 s umfasst.
  3. Beginnen Sie mit der fNIRS-Datenaufzeichnung auf dem fNIRS-Computer und beginnen Sie mit Aufgaben auf dem Stimulus-Präsentationscomputer. Das Skript für die experimentellen Aufgaben wird als Aufgabenanweisung angezeigt.
  4. Starten Sie den ersten Funktionslauf. Sobald der Scanner den ersten TTL-Impuls sendet, wird dieser als Triggersignal auf dem Datenaufzeichnungsbildschirm der NIRStar-Software angezeigt. Mit diesem ersten Impuls wird auch die experimentelle Aufgabe gestartet.
  5. Überwachen Sie die Leistung und Bewegung der Teilnehmer während aller Aufgaben. In einigen Fällen, insbesondere bei der Verwendung eines Ganzkopf-Optodenarrays und kleiner Kappen, können einige Teilnehmer beim Tragen der Kappe ein gewisses Unbehagen verspüren. Es ist wichtig, immer den Komfort des Teilnehmers zu überwachen.
    1. Planen Sie bei Bedarf eine Pause für den Teilnehmer in der Mitte der Sitzung ein. Wenn sich die Teilnehmer während dieser Pause aufsetzen müssen, nehmen Sie einen Lokalisierer und führen Sie die Gradientenecho-Feldkartensequenzen, die Kopfhörerkalibrierung und die fNIRS-Testkalibrierung erneut durch, bevor Sie fortfahren. Dieser Schritt ist in der Regel nicht erforderlich, wenn junge Erwachsene im Scanner getestet werden, wenn die genauen Schritte im vorliegenden Protokoll befolgt werden.
  6. Machen Sie sich während der Datenerfassung Notizen über die Sitzung (z. B. Größe der Kappe, Tageszeit, Optoden, die nicht gut kalibriert waren, oder etwas Ungewöhnliches).
  7. Beenden Sie am Ende aller Funktionsläufe die Erfassung von fNIRS-Daten. Führen Sie bei Bedarf einen zweiten Strukturscan durch.

figure-protocol-5
Abbildung 5. Blinkendes Schachbrett-Paradigma als experimentelle Aufgabe. Die Teilnehmer sahen ein schwarz-weißes Schachbrettmuster mit weißen Quadraten, die achtmal pro Sekunde blinkten und sich mit einem grauen Bildschirm abwechselten, der einen weißen Kreis zeigte. Als Aufmerksamkeitstest wurden die Teilnehmer angewiesen, mit der rechten Hand einen Knopf zu drücken, wenn sie einen weißen Kreis in der Mitte des Bildschirms sahen. Beim Drücken des Knopfes färbt sich der Kreis rot. Die Aufgabe wurde in einem einzigen Durchlauf mit insgesamt 22 Blöcken erledigt: 11 blinkende Schachbrettblöcke und 11 Zwischenversuche. Die blinkenden Schachbrettphasen dauerten 10 s und die Zwischenphasen dauerten 20 s. Das Einsetzen des blinkenden Schachbrettmusters erfolgte also alle 30 s (0,033 Hz). Die Displays wurden von PsychoPy v2021.2.4 generiert und über ein 1080p-DLP-Projektionssystem auf den Rückspiegel auf der Oberseite der Kopfspule projiziert. Die Teilnehmer absolvierten einen Durchlauf dieser Aufgabe (~6 min). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

7. Bereinigung und Datenspeicherung nach dem Experiment

  1. Verwenden Sie das motorisierte Scannerbett, um den Teilnehmer langsam aus der Bohrung des Scanners zu entfernen, und achten Sie darauf, dass keine der optischen Fasern eingeklemmt wird. Entfernen Sie die Oberseite der Kopfspule und lassen Sie den Teilnehmer langsam aufsetzen.
  2. Entfernen Sie die fNIRS-Kappe vom Kopf des Teilnehmers und entfernen Sie jede Optode von den jeweiligen Tüllen. Haare bleiben oft in den Ösen stecken, auch nachdem die Optoden entfernt wurden, daher weisen Sie die Teilnehmer an, die Kappe langsam und vorsichtig zu entfernen.
  3. Einige Tüllen können sich beim Entdeckeln lösen. Stellen Sie sicher, dass Sie alle Tüllenteile finden und alle fehlenden Teile vor dem nächsten Scanvorgang des Teilnehmers ersetzen.
  4. Lassen Sie die Teilnehmer vom Scannerbett rutschen, bedanken Sie sich für ihre Zeit und leisten Sie gegebenenfalls eine finanzielle Entschädigung.
  5. Stellen Sie sicher, dass Aufgabenprotokolle, fNIRS- und fMRT-Daten gespeichert und gesichert werden. Desinfizieren Sie die Kappe mit einer Sprühreinigungslösung, wie vom fNIRS-Anbieter empfohlen, und wischen Sie die Optodenspitzen mit plastik- und gummisicheren Alkoholtüchern ab.

8. Vorverarbeitung von fMRT-Daten

HINWEIS: Die fMRT-Daten wurden gemäß den minimalen Vorverarbeitungspipelines aus dem Human Connectome Project23 unter Verwendung von QuNex24 vorverarbeitet, einer Open-Source-Software-Suite, die die Datenorganisation, Vorverarbeitung, Qualitätssicherung und Analysen über Neuroimaging-Modalitäten hinweg unterstützt. Eine detaillierte Dokumentation zu den spezifischen Einstellungen und Parametern für jeden der unten aufgeführten Schritte finden Sie auf der QuNex-Website unter https://qunex.yale.edu/. Die wichtigsten Schritte und Parameter, die zur Verarbeitung der Daten verwendet werden, sind im Folgenden aufgeführt.

  1. Vorverarbeitung der Strukturdaten
    1. PreFreeSurfer-Pipeline. Führen Sie die folgenden Schritte durch: Korrektur der Gradientenverzerrung, Ausrichtung wiederholter Durchläufe von T1w- und T2w-Bildern mit einer Starrkörpertransformation mit 6 Freiheitsgraden (DOF), AC-PC-Ausrichtung von T1w- und T2w-Bildern an der MNI-Raumvorlage, initiale Gehirnextraktion, Korrektur der Ausleseverzerrung, crossmodale Registrierung von T1w und T2w im nativen Volumenraum, Bias-Feldkorrektur und nichtlineare MNI-Volumenregistrierung.
    2. Freesurfer-Pipeline. Führen Sie die folgenden Schritte durch: Reduzieren Sie T1w mit Spline-Interpolation auf 1 mm und führen Sie Recon-All durch, um Oberflächen der weißen Substanz zu erzeugen, einschließlich der Feinabstimmung der T2w- bis T1w-Registrierung mit dem BBRegister-Algorithmus von Freesurfer (siehe23 für weitere Details).
    3. PostFreeSurfer-Pipeline. Führen Sie die folgenden Schritte aus: Konvertieren Sie alle Recon-All-Ausgaben in GIFTI und NIFTI im nativen Volume-Raum, generieren Sie die endgültige Gehirnmaske und das kortikale Ribbon-Volumen, generieren Sie Myelinkarten und führen Sie eine native nichtlineare Volumentransformation für MNI durch.
  2. Vorverarbeitung der Funktionsdaten
    1. fMRT-Volume-Pipeline. Führen Sie die folgenden Schritte durch: Verzerrungskorrektur, FLIRT-basierte Bewegungskorrektur, TOPUP-basierte Feldkartenvorverarbeitung mit einer Spin-Echo-Feldkarte, EPI-Bildverzerrungskorrektur und EPI-zu-T1w-Registrierung, einstufiges Spline-Resampling in den Atlasraum (MNI), Intensitätsnormalisierung durch Bias-Feldentfernung und Gehirnmaskierung.
    2. fMRT-Oberflächen-Pipeline. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um die Volumenzeitreihen einer kombinierten Oberflächen- und Volumen-Graukoordinatendarstellung zuzuordnen, die im CIFTI-Format gespeichert ist: fMRT-Bandkonstruktion, Oberflächenglättung, subkortikale Verarbeitung und Generierung dichter Zeitreihen.
    3. Bereiten Sie BOLD-Daten vor. Berechnen Sie quantitative QC-Statistiken, die Bewegungen und ihre künstlichen Eigenschaften widerspiegeln, um fehlerhafte Frames zu identifizieren. In der QuNex-Dokumentation finden Sie die verfügbaren Optionen zur Erstellung quantitativer QC-Statistiken. Diese Statistiken enthalten häufig BOLD-Statistiken zum zeitlichen Signal-Rausch-Verhältnis und zur Bewegungsbereinigung, wie z. B. den Schwellenwert für die Bildverschiebung und den normalisierten RMSE-Schwellenwert (Root Mean Squared Error) für die Bildintensität. Abhängig von den studienspezifischen Kriterien ignorieren oder interpolieren Sie die identifizierten problematischen Frames.
    4. Extrahieren Sie das Störsignal. Extrahieren Sie störende Signale aus Hirnventrikeln, weißer Substanz und grauer Substanz, um in nachfolgenden Schritten eine Regression der störenden Signale durchzuführen.

9. fNIRS-Datenvorverarbeitung

HINWEIS: Die fNIRS-Daten wurden gemäß den Best Practices der fNIRS-Datenanalyse25 unter Verwendung von NeuroDOT26 analysiert, einer Open-Source-Umgebung für die Analyse optischer Daten von Rohlichtpegeln bis hin zu Karten der Gehirnfunktion auf Voxelebene, die in der Anatomie eines bestimmten Teilnehmers oder in einem Atlas mitregistriert sind. Alle im Folgenden beschriebenen Schritte können mit NeuroDOT durchgeführt werden. Weitere Dokumentationen zu den spezifischen Einstellungen und Parametern für jeden der unten hervorgehobenen Schritte finden Sie in den Tutorials und Skripten unter https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. Schließlich erfordert die Optoden-zu-Kopfhaut-Registrierung die Ermittlung der fNIRS-Optodenkoordinaten relativ zum darunter liegenden Hirngewebe, was mit einem 3D-Digitalisierer oder Vitamin-E-Kapseln als Fiducials erfolgen kann, falls verfügbar. Beide Methoden werden in diesem Abschnitt beschrieben, und es werden Verweise auf die relevanten Softwarepakete bereitgestellt.

  1. Generierung eines fachspezifischen Kopfnetzes und Erstellung des Lichtmodells
    1. Segmentieren Sie das T1w-Bild in die relevanten Gewebetypen, um ein segmentiertes Kopfmodell zu erstellen: Kopfhaut, Schädel, Liquor cerebrospinalis (CSF), graue Substanz und weiße Substanz. Verwenden Sie sowohl T1w- als auch T2w-Bilder, falls verfügbar, da jedes von ihnen ergänzende Informationen zu den relevanten Gewebetypen liefert.
      HINWEIS: Dieser Schritt wird im aktuellen Protokoll mit der Funktion "Segment5R_fs" von NeuroDOT durchgeführt, die als Eingabeinformationen aus der volumetrischen Segmentierung28 von Freesurfer verwendet. Weitere allgemein verfügbare Softwarepakete für die Segmentierung von Hirngewebe sind SPM29 und AFNI30.
    2. Generieren Sie ein Kopfnetz aus dem segmentierten Kopfmodell mit dem Mimics-Softwarepaket über NeuroDOT. Wenn ein 3D-Digitalisierer verwendet wird, um die Optodenpositionen auf dem Kopfmodell zu platzieren, befolgen Sie die Fieldtrip-Empfehlungen für die Optodenlokalisierung31. Alternativ, wenn Vitamin-E-Kapseln als Fiducials zur Identifizierung von Koordinaten von Quelle-Detektor-Paaren verwendet werden, identifizieren Sie die Positionen der Quellen und Detektoren im T1w-Bild manuell (siehe32 für ein Beispiel).
    3. Platzieren Sie die über den 3D-Digitalisierer oder die Vitamin-E-Kapseln ermittelten Quell- und Detektorstandorte mit NeuroDOT auf den relevanten Loci im Netz.
    4. Stellen Sie die folgenden Parameter ein, um die Sensitivitätsmatrix für das fachspezifische Kopfmodell mit dem NIRFAST-Softwarepaket über NeuroDOT zu berechnen: Voxelationsauflösung: 2; Bereichsbezeichnungen: Liquor, weiß, grau, Knochen, Haut; Absorptionskoeffizienten für Regionen: GFK [0,004, 0,004], Weiß [0,0167, 0,0208]; grau [0,018 0,0192], Knochen [0,0116, 0,0139], Haut [0,74, 0,64]; Streukoeffizienten für Regionen: GFK [0,3, 0,3], weiß [1,1908, 1,0107]; grau [0,8359, 0,6726], Knochen [0,94, 0,84], Haut [0,64, 0,74], Brechungsindex für Regionen: Liquor [1,4, 1,4], weiß [1,4, 1,4]; grau [1.4, 1.4], Knochen [1.4, 1.4], Haut [1.4, 1.4].
      HINWEIS: Das Protokoll verwendet das NIRFAST-Softwarepaket (Version 9.1)33,34, das ein Finite-Elemente-Vorwärtslichtmodell verwendet, das auf der Diffusionsapproximation zur Strahlungstransportgleichung basiert. Um das Lichtmodell zu berechnen, stützt sich NIRFAST auf drei Arten von Informationen: i) die Form der Gewebegrenze, ii) die interne Verteilung der optischen Eigenschaften der Basislinie und iii) die Positionen von Quellen und Detektoren auf der Oberfläche (siehe 35,36 für weitere Details). Monte-Carlo-Methoden können alternativ eingesetzt werden, um Lösungen der Diffusionsgleichung für verschiedene Gewebetypen zu berechnen37,38.
    5. Visualisieren Sie ein Beispiel für die Sensitivität der Messung als qualitative Bewertung.
  2. Verarbeitung der Rohdaten aus den Quellen-Detektor-Messungen
    1. Zeigen Sie die durchschnittliche Lichtstärke für jede Quelle und jeden Detektor in einer 2D-Darstellung des Bildgebungsarrays an. Quelle-Detektor-Paare mit einer zeitlichen Standardabweichung von mehr als 7,5 % entfernen36. Wenn die Daten mit einer Bildrate von mindestens 3 Hz erfasst werden, verwenden Sie die Herzleistungsschwelle, um Messungen von Quelle-Detektor-Paaren abzulehnen, da eine gute Optoden-Kopfhaut-Kopplung Eigenschaften aufweist, die mit der Pulsfrequenz (~1 Hz) übereinstimmen.
    2. Detrendieren Sie die Daten, um den linearen Trend in jeder Messung zu entfernen. Hochpassfilter (0,02 Hz Cutoff) zur Entfernung von Tieffrequenzdrift. Anstatt zu filtern, besteht eine Alternative darin, einen Driftfaktor als Regressor in den GLM einzufügen.
    3. Tiefpassfilter (1 Hz) zur Entfernung von Herzschwingungen.
    4. Schätzen Sie das globale oberflächliche Signal, indem Sie den Durchschnitt aller 8-mm-Messungen des Quelle-Detektor-Paares berechnen. Verwenden Sie Kurzstreckenmessungen als Schätzung systemischer nicht-kortikaler physiologischer Signale, da sie hauptsächlich Kopfhaut und Schädel abtasten.
    5. Regression des globalen Signals aus allen Messungen39.
    6. Tiefpassfilter der Daten (0,5 Hz Cutoff), um die verbleibenden Daten weiter auf die Frequenz des Stimulus zu fokussieren, und Downsampling der Daten auf 1 Hz 40,41,42, um die Rechenlast zu reduzieren.
    7. Implementieren Sie die Bewegungszensur unter Verwendung der globalen Varianz der zeitlichen Ableitungen (GVTD)Zeitverlauf 43. GVTD wird als Wurzelmittelquadrat der zeitlichen Ableitungen über einen Satz von Messungen oder Voxeln43 berechnet. Implementieren Sie Bewegungszensierung oder Scrubbing, indem Sie die Zeitpunkte ausschließen, die den GVTD-Rauschschwellenwert überschreiten.
  3. Rekonstruktion des Lichtmodells und der vorverarbeiteten Daten zu einem funktionellen Neuroimaging-Volumen
    1. Rekonstruktion relativer Änderungen der Absorption bei 785 nm und 830 nm basierend auf einer regularisierten Inversion der Sensitivitätsmatrix mittels Tichonov-Regularisierung und räumlich variantenvarianter Regularisierung44.
    2. Berechnen Sie relative Änderungen der Hämoglobinkonzentration durch eine spektrale Zerlegung der wellenlängenabhängigen Absorptionsdaten 44,45.

10. fMRT/fNIRS-aufgabenevozierte Datenanalysen

  1. Führen Sie eine Single-Session-First-Level-GLM-Analyse durch (HRF-Modellierung, Regression physiologischer Signale, einschließlich fNIRS-Messungen über kurze Distanzen), um zu beurteilen, wie die Gehirnaktivität mit der statistischen Hypothese für einen bestimmten Probanden zusammenhängt.
    HINWEIS: Eine Alternative zum GLM ist die Blockmittelung, die a priori Annahmen über die Form der HRF vermeidet. Die Blockmittelung erlaubt es jedoch nicht, relevante Störfaktoren im fNIRS-Signal zusammen mit der hämodynamischen Reaktion auf den Stimulus zu modellieren.
  2. Führen Sie eine Gruppen- oder Second-Level-GLM-Analyse durch, um Schätzungen der Aktivierung der ersten Ebene über Probanden hinweg zu kombinieren.
  3. Extrahieren Sie relevante Effektschätzungen aus den einzelnen GLM-Dateien und fassen Sie diese zu Gruppendateien zusammen.
  4. Berechnen Sie die gewünschten Statistiken. Ein etabliertes Paket für die Ausführung von Permutations-Resampling-Methoden von uni- und multivariaten GLM-Modellen für statistische Inferenz ist FSL PALM46.
  5. Erhalten Sie GLM-Beta-Schätzungen für das gesamte Gehirn.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In diesem Abschnitt werden repräsentative fachspezifische Antworten für die blinkende Schachbrettaufgabe sowohl für fMRT- als auch für fNIRS-Signale vorgestellt. Zunächst werden in Abbildung 6 und Abbildung 7 repräsentative fNIRS-Rohdaten und Qualitätsbewertungen gezeigt, um die Machbarkeit des Versuchsaufbaus zur Messung von fNIRS-Signalen in der MRT-Umgebung zu veranschaulichen. Ein Diagramm des gesamten Kopfoptodenarrays und des Empfindlichke...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Protokoll zur gleichzeitigen Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen verwendet ein Ganzkopf-fNIRS-Optodenarray und Kurzstreckenkanäle zur Messung und Rückbildung der systemischen nicht-kortikalen physiologischen Signale. Zu den kritischen Schritten in diesem Protokoll gehören die Modifikation und Entwicklung der fNIRS-Geräte zur Erfassung von fNIRS-Signalen in der MRT-Umgebung. Unseres Wissens gibt es kein schlüsselfertiges kommerzielles System, das vollständig für die gleichzeitige Erfassung von fMRT- und fNI...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Publikationsgebühren für diesen Artikel werden von NIRx gesponsert. Mehr haben die Autoren nicht zu verraten.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Forschung wurde durch die folgenden Finanzierungsquellen unterstützt: Ein NARSAD Young Investigator Award Grant der Brain and Behavior Research Foundation (Grant #29736) (SSA), ein Global Grand Challenges Grant der Bill and Melinda Gates Foundation (Grant #INV-005792) (RNA) und ein Discovery Fund Grant des Department of Psychology der Yale University (RNA). Die Autoren danken auch Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) für seine Unterstützung bei der Datenerhebung und Adam Eggebrecht, Ari Segel und Emma Speh (Washington University in St. Louis) für ihre Unterstützung bei der Datenanalyse.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
280 MRT-kompatible Tüllen mit niedrigem Profil für NIR-KappenNIRxGRM-LOP
4 NIRS-Kappen mit 128 Positionen und 128x unbestückten Schlitzen im 10-5-LayoutNIRxCP-128-128SGrößen: 52, 54, 56, 60
8 Bündel mit 4x Detektorfasern mit flacher Spitze; MRT-, MEG- und TMS-kompatibel.NIRxDET-FBO- LOW10 m lang
8 Bündel von 4x Laserquellenfasern mit MRT-kompatibler Low-Profile-SpitzeNIRxSRC-FBO- LAS-LOW10 m lang
Bundle-Set mit 8 Kurzkanal-Detektoren mit speziellen Ringtüllen, die auf Low-Profile-Tüllen passenNIRxDET-SHRT-SETTeilt einen einzelnen Detektor in 8 kurze Kanäle auf, die an beliebiger Stelle auf einer einzigen NIRS-Kappe platziert werden können
Magnetom 3T PRISMASiemensN/A128 Kanäle Kapazität, 64/32/20 Kanal Kopfspulen, 80 mT/m max. Gradientenamplitude, 200 T/m/s Anstiegsrate, vollständige Neurosequenzen
NIRScout XP Core System UnitNIRxNSXP- CHSBis zu 64x Laser-2 (oder 32x Laser-4) Beleuchtungen oder 64 LED-2 Beleuchtungen; bis zu 32x Detektoren; fähig für Tandem- (Multi-System) und Hyperscanning-Messungen (Multi-Probanden); kompatibel mit EEG, tDCS, Eye-Tracking und andere Modalitäten; Verfügbare Module für fMRT-, TMS- und MEG-Kompatibilität
NIRStar-SoftwareNIRxN/AVersion 15.3
NIRx Parallelport-ReplikatorNIRxACC-LPT-REPDer parallele Prot-Replikator wird mit drei Komponenten geliefert: Parallelport-Replikator-Box, USB-Stromkabel und BNC-Adapter
Physiologische ImpulseinheitSiemensPPU098Optische Plethysmographie, die den Erwerb des Herzrhythmus.
BeatmungsgerätSiemensPERU098 Gerät zur Erfassung der Atemamplitude (mittels eines pneumatischen Systems und eines Rückhaltegurtes).
Struktursensor Mark IIOccipital101866 (SN)3D-Struktursensor für die Optodendigitalisierung.

References

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