Recopilación simultánea de datos de mediciones de fMRI y fNIRS utilizando una matriz de optodos de cabeza completa y canales de corta distancia

Resumen

Presentamos un método para recolectar simultáneamente señales de fMRI y fNIRS de los mismos sujetos con cobertura de fNIRS en toda la cabeza. El protocolo ha sido probado con tres adultos jóvenes y puede adaptarse para la recopilación de datos para estudios de desarrollo y poblaciones clínicas.

Resumen

La espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) es una metodología de neuroimagen portátil, más robusta al movimiento y más rentable que la resonancia magnética funcional (fMRI), lo que la hace muy adecuada para realizar estudios naturalistas de la función cerebral y para su uso en poblaciones clínicas y de desarrollo. Tanto las metodologías fNIRS como fMRI detectan cambios en la oxigenación de la sangre cerebral durante la activación cerebral funcional, y estudios previos han demostrado una alta correspondencia espacial y temporal entre las dos señales. Sin embargo, no existe una comparación cuantitativa de las dos señales recogidas simultáneamente de los mismos sujetos con cobertura fNIRS de toda la cabeza. Esta comparación es necesaria para validar de forma exhaustiva las activaciones a nivel de área y la conectividad funcional con el estándar de oro de la resonancia magnética funcional, que a su vez tiene el potencial de facilitar las comparaciones de las dos señales a lo largo de la vida útil. Abordamos esta brecha mediante la descripción de un protocolo para la recopilación simultánea de datos de señales de fMRI y fNIRS que: i) proporciona cobertura de fNIRS en toda la cabeza; ii) incluye mediciones de corta distancia para la regresión de la señal fisiológica sistémica no cortical; y iii) implementa dos métodos diferentes para el co-registro optodo a cuero cabelludo de las mediciones de fNIRS. Se presentan los datos de fMRI y fNIRS de tres sujetos, y se discuten las recomendaciones para adaptar el protocolo a las poblaciones clínicas y de desarrollo. La configuración actual con adultos permite sesiones de escaneo durante un promedio de aproximadamente 40 minutos, que incluyen escaneos funcionales y estructurales. El protocolo describe los pasos necesarios para adaptar el equipo fNIRS para su uso en el entorno de resonancia magnética (RM), proporciona recomendaciones tanto para el registro de datos como para el co-registro de optodo a cuero cabelludo, y analiza las posibles modificaciones del protocolo para adaptarse a las características específicas del sistema fNIRS seguro para RM disponible. Las respuestas representativas específicas de un sujeto de una tarea de tablero de ajedrez intermitente ilustran la viabilidad del protocolo para medir señales fNIRS de toda la cabeza en el entorno de RM. Este protocolo será particularmente relevante para los investigadores interesados en validar las señales fNIRS contra la resonancia magnética funcional a lo largo de la vida.

Introducción

La función cognitiva se ha estudiado en el cerebro humano adulto a través de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) durante casi tres décadas. Aunque la resonancia magnética funcional proporciona una alta resolución espacial e imágenes tanto funcionales como estructurales, a menudo no es práctica para estudios realizados en contextos naturalistas o para su uso con bebés y poblaciones clínicas. Estas limitaciones limitan sustancialmente nuestra comprensión de la función cerebral. Una alternativa a la resonancia magnética funcional es el uso de metodologías portátiles que son más rentables y resistentes al movimiento, como la espectroscopia funcional de infra....

Protocolo

La investigación fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional (IRB, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Yale. Se obtuvo el consentimiento informado de todos los sujetos. Los sujetos tuvieron que pasar la prueba de resonancia magnética para garantizar su participación segura. Se excluyeron si tenían antecedentes de trastornos médicos o neurológicos graves que probablemente afectarían el funcionamiento cognitivo (es decir, un trastorno neurocognitivo o depresivo, trauma, esquizofrenia o trastorno obsesivo-compulsivo).

NOTA: El protocolo actual utiliza un dispositivo CW-NIRS con 100 canales de larga distancia y 8 canales de c....

Resultados

En esta sección se presentan respuestas representativas específicas de cada sujeto para la tarea de tablero de ajedrez intermitente para señales de resonancia magnética funcional y fNIRS. En primer lugar, en las Figuras 6 y 7 se muestran datos brutos representativos de fNIRS y evaluaciones de calidad para ilustrar la viabilidad de la configuración experimental para medir las señales de fNIRS en el entorno de la RMN. En la Fi.......

Discusión

Este protocolo para la recopilación simultánea de datos de señales de fMRI y fNIRS utiliza una matriz de optódicos fNIRS de cabeza completa y canales de corta distancia para medir y hacer una regresión de las señales fisiológicas sistémicas no corticales. Los pasos críticos en este protocolo incluyen la modificación y el desarrollo del equipo fNIRS para recolectar señales fNIRS en el entorno de RMN. Hasta donde sabemos, no existe un sistema comercial llave en mano que esté totalmente optimizado para capturar mediciones s.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
280 ojales de perfil bajo compatibles con resonancia magnética para tapas NIRs	NIRx	GRM-LOP
4 tapas NIRS de 128 posiciones con 128 ranuras despobladas en disposición 10-5	NIRx	CP-128-128S	Tamaños: 52, 54, 56, 60
8 haces de 4 fibras detectoras con punta de perfil bajo; Compatible con resonancia magnética, MEG y TMS.	NIRx	DET-FBO- LOW	10 m de largo
8 haces de 4 fibras de fuente láser con punta de perfil bajo compatible con resonancia magnética	NIRx	SRC-FBO- LAS-LOW	10 m de largo
Conjunto de 8 detectores de canal corto con arandelas de anillo especializadas que se ajustan a ojales de perfil bajo	NIRx	DET-SHRT-SET	Divide un solo detector en 8 canales cortos que se pueden colocar en cualquier lugar de una sola tapa NIRS
Magnetom 3T PRISMA	Siemens	N/A	Capacidad de 128 canales, bobinas de cabezal de 64/32/20 canales, amplitud de gradiente máxima de 80 mT/m, velocidad de respuesta de 200 T/m/s, secuencias neurológicas completas
Unidad de sistema central NIRScout XP NIRx		NSXP-CHS	Hasta 64 iluminadores Laser-2 (o 32x laser-4) o 64 iluminadores LED-2; hasta 32 detectores; capaz de realizar mediciones en tándem (multisistema) e hiperescaneo (multisujeto); compatible con EEG, tDCS, seguimiento ocular y otras modalidades; módulos disponibles para fMRI, TMS, MEG Compatibilidad
NIRStar	NIRx	/A	versión 15.3
Replicador de puerto paralelo NIRx	NIRx	ACC-LPT-REP	El replicador de prot paralelo viene con tres componentes: caja replicadora de puerto paralelo, cable de alimentación USB y adaptador BNC
Unidad de pulso fisiológico	Siemens	PPU098	Pletismografía óptica que permite la adquisición de la ritmo cardíaco.
Unidad respiratoria	Siemens PERU098		Equipo destinado a la adquisición de la amplitud respiratoria (mediante un sistema neumático y un cinturón de sujeción).
Sensor de estructura Mark II	Occipital	101866 (SN)	Sensor de estructura 3D para la digitalización de optótodos.