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

Das gleichzeitige Sammeln von fMRT- und fNIRS-Signalen von denselben Probanden ist äußerst wichtig, da wir so das fNIRS-Signal mit dem der fMRT, dem Goldstandard in der Neurobildgebung, in Einklang bringen können. fNIRS ist eine Methodik, die sich noch in der Entwicklung befindet und keine tieferen Gehirnstrukturen erreichen kann. fMRT-Aufzeichnungen geben uns also ein besseres Verständnis des fNIRS-Signals.

Frühere Versuche, fNIRS- und fMRT-Signale aus dem Gehirn desselben Teilnehmers aufzuzeichnen, erforderten zwei Aufzeichnungssitzungen. Leider bedeuten diese beiden Sitzungen, dass der Teilnehmer die gleichen Reize wiederholt gesehen und gehört hat, was die Art und Weise, wie das Gehirn reagiert, verändern kann. Obwohl fMRT- und fNIRS-Signale im Protokoll nur bei typischen Erwachsenen aufeinander abgestimmt sind, hoffen wir, dass das derzeitige Protokoll auch auf klinische und entwicklungsbedingte Populationen ausgeweitet werden kann.

Dies wird zum Beispiel besonders wichtig sein, wenn wir Daten von Personen sammeln, die möglicherweise neuropsychologische Defizite haben, da wir das fNIRS-Signal mit der höchsten Zuverlässigkeit interpretieren können. Wir glauben, dass diese gleichzeitigen Aufzeichnungen von fNIRS und fMRT besonders wichtig sein werden, um die neuronalen Netzwerke im Gehirn für spezielle Bevölkerungsgruppen und für Kinder zu verstehen. Es besteht kein Zweifel, dass die gleichzeitige Erfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen eine Herausforderung darstellt, aber wir arbeiten alle Schritte durch und sind zuversichtlich, dass unser Protokoll es anderen Laboren ermöglichen wird, die gleiche Art von Daten zu sammeln.

Eine der größten Herausforderungen wird wahrscheinlich darin bestehen, sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer im Scanner wohlfühlt, insbesondere wenn er eine Ganzkopf-fNIRS-Kappe trägt. Das Verfahren wird von Virginia Chambers, der Laborleiterin unseres Labors, demonstriert. Sobald der Teilnehmer die erforderlichen Einverständniserklärungen unterschrieben und Anweisungen für die Aufgaben erhalten hat, weisen Sie ihn an, sich auf einen Stuhl im Kontrollraum zu setzen.

Wickeln Sie ein weiches Maßband um die Stirn. Bewege dich an die breiteste Stelle hinten und kehre zum Ausgangspunkt zurück. Wählen Sie die fNIRS-Kenterung, die dem gemessenen Umfang am nächsten kommt.

Fassen Sie die Basis der Kurzstrecken-Detektorsonden fest und schieben Sie sie um den Teil der Tülle, der durch das Netz der fNIRS-Kappe verläuft. Stellen Sie sicher, dass das Melderkabel mit kurzer Distanz zur Rückseite der Kappe zeigt, um einen klaren Gesichtsbereich zu erhalten. Als nächstes bitten Sie den Teilnehmer, die Mütze vom Scheitel nach unten zu schieben, so wie beim Aufsetzen einer Wintermütze, und ziehen Sie den Kinnriemen bequem fest.

Befestigen Sie die hinteren Gurte. Vergewissern Sie sich, dass die Kappe fest angebracht ist und die Optodenbuchsen fest am Kopf anliegen. Bringen Sie dann grüne Aufkleber an, um die wichtigsten Passermarken in Übereinstimmung mit den 10/20-Systempositionen zu markieren.

Verwenden Sie ein Maßband, um die Kopfhautpunkte symmetrisch mit den Punkten auf der Kappe auszurichten. Achten Sie auf einen gleichmäßigen Abstand vom CZ-Punkt zum präaurikulären, Inion- und Nasitionspunkt. Weisen Sie den Teilnehmer an, stationär zu bleiben, um ein 3D-Modell seines Kopfes zu erstellen.

Starten Sie dann die Strukturanwendung auf einem Tablet oder iPad. Stellen Sie sicher, dass die hochauflösende Farbe, die automatische Infrarotbelichtung und die verbesserten Tracker-Funktionen deaktiviert sind. Positionieren Sie den Teilnehmer nun mittig und achten Sie darauf, dass sein gesamter Kopf in das 3D-Quadrat auf dem Bildschirm passt und seine Schultern minimal im Bild zu sehen sind.

Gehen Sie um das Motiv herum, um die Kopfform und die Optoden mit dem 3D-Scanner zu scannen. Sobald der gesamte Scan abgeschlossen ist, drücken Sie die Taste auf der rechten Seite des Bildschirms, um das 3D-Rendering zu starten. Überprüfen Sie die Klarheit und den Detaillierungsgrad des Renderings, um eine genaue Platzierung der Optoden und grünen Passermarkenaufkleber sicherzustellen.

Speichern Sie den 3D-Scan aus Sicherheits- und Datenschutzgründen auf einem HIPAA-geschützten Server. Sobald das 3D-Modell fertig ist, entfernen Sie die grünen Aufkleber und fordern Sie den Teilnehmer auf, Ohrstöpsel in die Ohren zu stecken. Stellen Sie im Scanraum sicher, dass sich die 20-Kanal-Kopfspule im Scanner befindet.

Legen Sie ein Schaumstoffkissen in die Unterseite der MRT-Kopfspule, um den oberen Teil des Kopfes des Probanden zu stützen. Weisen Sie den Teilnehmer an, sich bequem auf den Scannertisch zu setzen. Während Sie die Optodentülle mit einer Hand ruhig halten, verwenden Sie einen MRT-sicheren Applikator, um die Haare in der Mitte der Tülle zu entfernen.

Üben Sie dann festen Druck aus, um die Optode in der Tülle zu befestigen. Weisen Sie den Teilnehmer an, sich langsam und vorsichtig hinzulegen. Stellen Sie die Glasfaserbündel so ein, dass der Kopf des Teilnehmers bequem in der Kopfspule ruht.

Abhängig von der Position der Kabel vom Hohlleiter heben Sie den Scannertisch an. Legen Sie ein weiches Kissen unter die Beine des Teilnehmers, um Komfort zu gewährleisten. Wickeln Sie den Atemgurt um die Taille des Teilnehmers.

Weisen Sie den Teilnehmer an, Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung zu tragen, und stellen Sie sicher, dass diese die Platzierung der fNIRS-Sonde nicht beeinträchtigen. Legen Sie das Pulsoximeter auf den linken Zeigefinger des Probanden. Falls ein Knopfkasten für die experimentellen Aufgaben verwendet wird, weisen Sie die Versuchsperson an, sie mit der dominanten Hand zu halten.

Geben Sie klare Anweisungen zur Verwendung der Schaltflächenbox. 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.

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.

Schieben Sie den Teilnehmer langsam in die Scannerbohrung, während Sie die optischen Fasern festhalten. Wählen Sie auf dem Computer des Scanners die für die Studie erforderlichen strukturellen und funktionellen Sequenzen aus. Überprüfen Sie den Lokalisierer auf die korrekte Positionierung des Kopfes innerhalb der Scannerbohrung und stellen Sie sicher, dass er eine vollständige Abdeckung von der Oberseite des Kopfes bis zum Kleinhirn bietet.

Bestätigen Sie mit dem Teilnehmer, dass der Computerbildschirm über den Kopfspulenspiegel sichtbar ist, und führen Sie den ersten Strukturscan durch. Die fNIRS-Daten auf Probandenebene zeigten eine erhöhte Aktivierung in bilateralen Bereichen des visuellen Kortex während der blinkenden Schachbrettblöcke im Vergleich zu den Perioden zwischen den Studien. Zeitliche Spuren der Gehirnaktivität zeigten eine Zunahme des HBO-Signals während der Präsentation des blinkenden Schachbretts und eine Abnahme während der Versuchsphasen.

Die Visualisierung der HBO-Daten während der blinkenden Schachbrettperiode zeigte eine bilaterale Aktivierung in den Bereichen des visuellen Kortex auf der Ebene der einzelnen Probanden. Die fMRT-Daten auf Probandenebene zeigen eine stärkere Signalantwort im primären und sekundären visuellen Kortex während der blinkenden Schachbrettphasen im Vergleich zu den Perioden zwischen den Studien. Auf subkortikaler Ebene wird eine erhöhte Aktivierung im lateralen Nucleus geniculatus des Thalamus beobachtet. Eine der größten Herausforderungen unseres Protokolls besteht darin, sicherzustellen, dass sich der Teilnehmer bequem im Scanner ausruhen kann, und dies wird in erster Linie durch die Art der Optode bestimmt, die mit dem fNIRS-System geliefert wird.

Das Protokoll kann angepasst werden, um Daten aus bestimmten Interessengebieten und über eine Vielzahl von experimentellen Paradigmen hinweg zu sammeln. Wir geben auch spezifische Vorschläge zur Anwendung des Protokolls bei klinischen und entwicklungsfördernden Populationen.