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

La recopilación simultánea de la señal de fMRI y fNIRS de los mismos sujetos es extremadamente importante porque nos permite alinear la señal fNIRS con la de fMRI, que es el estándar de oro en neuroimagen. fNIRS es una metodología que aún está en desarrollo y no puede llegar a estructuras cerebrales más profundas. Por lo tanto, las grabaciones de resonancia magnética funcional nos brindan una mejor comprensión de la señal fNIRS.

Los intentos anteriores de registrar las señales de fNIRS y fMRI del cerebro del mismo participante requirieron dos sesiones de grabación. Desafortunadamente, estas dos sesiones significan que el participante ha visto y escuchado los mismos estímulos repetidamente, lo que puede cambiar la forma en que responde el cerebro. Aunque en el protocolo, las señales de fMRI y fNIRS solo están alineadas en adultos típicos, esperamos que el protocolo actual también pueda extenderse a las poblaciones clínicas y de desarrollo.

Esto será especialmente importante, por ejemplo, a la hora de recoger datos de individuos que puedan tener déficits neuropsicológicos, ya que podremos interpretar la señal fNIRS con la mayor confianza. Creemos que estas grabaciones simultáneas de fNIRS y fMRI serán particularmente importantes para comprender las redes neuronales en el cerebro para poblaciones especiales y para niños. No hay duda de que la recopilación simultánea de señales de fMRI y fNIRS es un desafío, pero trabajamos en todos los pasos y estamos seguros de que nuestro protocolo permitirá que otros laboratorios recopilen el mismo tipo de datos.

Es probable que uno de los principales desafíos sea asegurarse de que el participante se sienta cómodo en el escáner, especialmente cuando se usa una gorra fNIRS de cabeza completa. La demostración del procedimiento estará a cargo de Virginia Chambers, la directora de laboratorio de nuestro laboratorio. Una vez que el participante haya firmado los formularios de consentimiento necesarios y haya recibido instrucciones para las tareas, indíquele que se siente en una silla en la sala de control.

Envuelve la frente con una cinta métrica suave. Muévete a la parte más ancha en la parte posterior y regresa al punto de partida. Elija el vuelco fNIRS más cercano a la circunferencia medida.

Sujete firmemente y deslice la base de las sondas detectoras de corta distancia alrededor de la parte del ojal que pasa por la malla de la tapa fNIRS. Asegúrese de que el cable del detector de corta distancia esté orientado hacia la parte posterior de la tapa para que el área de la cara esté despejada. A continuación, pida al participante que deslice la gorra hacia abajo desde la coronilla de la cabeza como si se pusiera un gorro de invierno y apriete la correa de la barbilla hasta un punto cómodo.

Abrocha las correas traseras. Verifique que la tapa esté bien sujeta y que los enchufes del optódico estén firmes contra la cabeza. A continuación, coloque pegatinas verdes para marcar las ubicaciones fiduciales clave de acuerdo con las posiciones del sistema 10/20.

Use una cinta métrica para alinear los puntos del cuero cabelludo simétricamente con los puntos de la gorra. Asegúrese de que la distancia desde el punto CZ hasta el punto preauricular, el punto de inión y el punto de nasión. Indique al participante que permanezca inmóvil para crear un modelo 3D de su cabeza.

A continuación, inicie la aplicación de estructura en una tableta o iPad. Asegúrese de que el color de alta resolución, la exposición automática infrarroja y las funciones mejoradas del rastreador estén desactivadas. Ahora coloque al participante en el centro, asegurándose de que toda su cabeza quepa dentro del cuadrado 3D de la pantalla y de que sus hombros sean mínimamente visibles en el encuadre.

Camina alrededor del sujeto para escanear la forma de la cabeza y los optodes con el escáner 3D. Una vez que se complete todo el escaneo, presione el botón en el lado derecho de la pantalla para iniciar el renderizado 3D. Verifique la claridad y el nivel de detalle de la representación para garantizar la colocación precisa de los optodos y las pegatinas fiduciales verdes.

Por seguridad y privacidad, guarde el escaneo 3D en un servidor protegido por HIPAA. Una vez que el modelo 3D esté completo, retire las pegatinas verdes y pida al participante que se inserte tapones para los oídos en los oídos. En la sala de escaneo, asegúrese de que la bobina del cabezal de 20 canales esté colocada en el escáner.

Coloque una almohada de espuma dentro de la parte inferior de la bobina de la cabeza de la resonancia magnética para sostener la parte superior de la cabeza del participante. Indique al participante que se siente cómodamente en la mesa del escáner. Mientras sostiene firmemente el ojal de optodo con una mano, use un aplicador apto para resonancia magnética para limpiar el cabello desde el centro del ojal.

A continuación, aplique una presión firme para asegurar el optodo en el ojal. Indique al participante que se acueste lenta y cuidadosamente. Ajuste los haces de fibra óptica para asegurarse de que la cabeza del participante descanse cómodamente dentro de la bobina de la cabeza.

Dependiendo de la posición de los cables de la guía de ondas, levante la mesa del escáner. Coloque un cojín suave debajo de las piernas del participante para garantizar la comodidad. Envuelva el cinturón respiratorio alrededor de la cintura del participante.

Indíquele al participante que use auriculares con cancelación de ruido, asegurándose de que no interfiera con la colocación de la sonda fNIRS. Coloque el oxímetro de pulso en el dedo índice izquierdo del sujeto. En caso de que se utilice una caja de botones para las tareas experimentales, indique al sujeto que la sostenga con la mano dominante.

Proporcione instrucciones claras sobre cómo usar la caja de botones. Coloque la bola de compresión o la alarma de botón en la mano no dominante del sujeto e instruya al participante sobre cómo usarla. Pruebe la alarma pidiéndole al participante que la presione.

Deslice al participante unos centímetros en el orificio del escáner para alinear la cabeza. Coloque la parte superior de la bobina principal. A continuación, inserte el micrófono y el espejo en los insertos de bobina correspondientes.

Deslice el participante lentamente en el orificio del escáner mientras sostiene las fibras ópticas. En la computadora del escáner, elija las secuencias estructurales y funcionales pertinentes requeridas para el estudio. Verifique que el localizador esté correctamente posicionado en el cabezal dentro del orificio del escáner, asegurándose de que proporcione una cobertura completa desde la parte superior de la cabeza hasta el cerebelo.

Confirme con el participante que la pantalla de la computadora es visible a través del espejo de la bobina de la cabeza y ejecute el escaneo estructural inicial. Los datos de fNIRS a nivel de sujeto mostraron un aumento de la activación en las áreas bilaterales de la corteza visual durante los bloques de tablero de ajedrez intermitentes en comparación con los períodos entre ensayos. Los rastros temporales de la actividad cerebral mostraron un aumento en la señal de HBO durante la presentación del tablero de ajedrez intermitente y una disminución durante los períodos entre ensayos.

La visualización de los datos de HBO durante el período de tablero de ajedrez intermitente mostró una activación bilateral en las áreas de la corteza visual a nivel de sujeto individual. Los datos de fMRI a nivel de sujeto muestran una mayor respuesta de señal audaz en la corteza visual primaria y secundaria durante los períodos de tablero de ajedrez intermitente en relación con los períodos entre ensayos. A nivel subcortical, se observa una mayor activación en el núcleo geniculado lateral del tálamo. Uno de los desafíos clave de nuestro protocolo es garantizar que el participante pueda descansar cómodamente en el escáner, y esto va a estar determinado principalmente por el tipo de optodo que viene con el sistema fNIRS.

El protocolo se puede adaptar para recopilar datos de regiones específicas de interés y a través de una variedad de paradigmas experimentales. También proporcionamos sugerencias específicas sobre cómo utilizar el protocolo con poblaciones clínicas y de desarrollo.