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

Sara Sanchez-Alonso; Rebecca R. Canale; Isabel F. Nichoson; Richard N. Aslin

doi:10.3791/65088

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Methodenartikel

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

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DOI:

10.3791/65088

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20. Oktober 2023

Sara Sanchez-Alonso¹ , Rebecca R. Canale² , Isabel F. Nichoson¹ , Richard N. Aslin¹^,²^,³

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Nahinfrarotspek....