Analyses qualitatives et comparatives des données d’activité corticale à partir d’une expérience de spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge appliquant la conception de blocs

Summary

Nous décrivons l’analyse de l’expérience fonctionnelle continue-onduleuse de spectroscopie proche infrarouge utilisant une conception de bloc avec une tâche sensorimotrice. Pour accroître la fiabilité de l’analyse des données, nous avons utilisé la cartographie statistique paramétrique qualitative générale basée sur un modèle linéaire et les modèles mixtes hiérarchiques comparatifs pour les canaux multiples.

Abstract

Les études de neuroimagerie jouent un rôle central dans l’évaluation des affections neurologiques pré-interventionnelles par rapport aux affections post-interventionnelles, comme la réadaptation et le traitement chirurgical. Parmi les nombreuses technologies de neuroimagerie utilisées pour mesurer l’activité cérébrale, la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) permet d’évaluer les activités corticales dynamiques en mesurant les niveaux locaux d’hémoglobine similaires à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). En outre, en raison d’une restriction physique moindre dans fNIRS, plusieurs variantes de tâches sensorimotrices peuvent être évaluées. De nombreux laboratoires ont mis au point plusieurs méthodes d’analyse des données du FNIRS; cependant, malgré le fait que les principes généraux sont les mêmes, il n’existe pas de méthode universellement normalisée. Ici, nous présentons les méthodes analytiques qualitatives et comparatives des données obtenues à partir d’une expérience fNIRS multicanal à l’aide d’un plan de bloc. Pour l’analyse qualitative, nous avons utilisé un logiciel pour le NIRS comme approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire généralisé. L’analyse NIRS-SPM montre des résultats qualitatifs pour chaque session en visualisant la zone activée pendant la tâche. En outre, le numériseur tridimensionnel non invasif peut être utilisé pour estimer les emplacements des canaux fNIRS par rapport au cerveau. Pour corroborer les résultats du NIRS-SPM, l’amplitude des changements dans les niveaux d’hémoglobine induits par la tâche sensorimotrice peut être statistiquement analysée en comparant les données obtenues à partir de deux sessions différentes (avant et après l’intervention) du même sujet d’étude à l’aide d’un modèle mixte hiérarchique multicanal. Nos méthodes peuvent être utilisées pour mesurer l’analyse pré- vs post-intervention dans une variété de troubles neurologiques tels que les troubles du mouvement, les maladies cérébrovasculaires et les troubles neuropsychiatriques.

Introduction

Neurorehabilitation joue un rôle important dans le rétablissement fonctionnel suivant la perturbation sensorimotrice. Pour clarifier les mécanismes de la récupération fonctionnelle associée à la neuroplasticité, diverses technologies de neuroimagerie ont été utilisées, telles que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), la tomographie par émission de positons (TEP), l’électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (IRNirs). Différentes modalités d’imagerie présentent différents avantages et inconvénients. Bien que l’IRMf soit l’appareil le plus typique, il est affecté par les champs magnétiques, a un coût élevé, une restriction physique élevée et des tâches sensorimotrices limitées^1,2,3,4. Le dispositif fNIRS se distingue comme une neuroimagerie optique non invasive et a une résolution spatiale relativement inférieure, mais il a une meilleure résolution temporelle que l’IRMf^4. Le fNIRS convient lors de la vérification des effets du traitement, car il compare les effets pré- et post-intervention, a des tâches motrices dynamiques, est portable et fonctionne davantage dans les environnements naturels que l’IRMf^1,2,4. Il a été rapporté que le NIRS est plus approprié dans les domaines des maladies cérébrovasculaires, des troubles épileptiques, des lésions cérébrales graves, de la maladie de Parkinson et des troubles cognitifs^1,5. En ce qui concerne les tâches sensorimotrices, il est largement utilisé dans la démarche et l’équilibre debout^6,7,8,la fonction des membres supérieurs (préhension de la main, tapotement des doigts)^8,9,l’entraînement moteur complexe^10,11,la robotique^12,13,14,15,et l’interface cerveau-ordinateur^16,17,18. Le fNIRS est basé sur les principes de neuroimagerie optique et de couplage neurovasculaire, qui mesurent l’activité métabolique corticale, l’augmentation du flux sanguin, et par conséquent l’activité corticale comme signaux secondaires^19. On a signalé que les signaux fNIRS ont de fortes corrélations avec les signaux d’IRMf²⁰dépendant du niveau d’oxygène dans le sang. Un fNIRS à ondes continues utilise la loi de Beer-Lambert modifiée pour déterminer les changements dans les niveaux de concentration corticale d’hémoglobine oxygénée_(HbO2)et d’hémoglobine désoxygénée (HHb) en fonction des changements mesurés dans l’atténuation de la lumière proche infrarouge à large bande^21,22. Comme il n’était pas possible de mesurer le facteur différentiel de longueur de chemin (DPF) à l’aide du système NIRS à ondes continues, nous avons supposé que le DPF était constant et que les changements de signal d’hémoglobine étaient notés en unités arbitraires de millimole-millimètre (mM x mm)^2,18.

Les expériences fNIRS doivent sélectionner les méthodes les plus adéquates, y compris les paramètres de la sonde, les plans d’expérience et les méthodes d’analyse. En ce qui concerne le réglage de la sonde, la méthode internationale 10-20 utilisée dans la mesure EEG est la norme de réglage utilisée par de nombreux chercheurs en neuroimagerie. Au cours des dernières années, des paramètres de coordonnées basés sur le cerveau standard sur la base des coordonnées de l’Institut neurologique de Montréal (INM) ont été utilisés. L’expérience utilise une conception de bloc, généralement utilisée pour les tâches sensorimotrices, et une conception liée aux événements. Il s’agit d’une méthode de comparaison des changements dans la concentration d’hémoglobine au repos et pendant les tâches; Les niveaux de concentration de HbO₂ augmentent et les niveaux de concentration de HHb diminuent avec des changements du flux sanguin cérébral lié à l’activité corticale tâche-dépendante. Bien qu’il existe différentes méthodes d’analyse, le logiciel libre NIRS-SPM permet une analyse similaire à la cartographie paramétrique statistique (SPM) de l’IRMf. Le traitement des données nirs utilise une approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire général (GLM). Lors de l’analyse de l’activité cérébrale dépendante de la tâche, les mesures fNIRS peuvent être affectées par une activité neuronale évoquée ou non évoquée et des interférences physiologiques systémiques (fréquence cardiaque, pression artérielle, fréquence respiratoire et activité du système nerveux autonome) dans le compartiment cérébral et extracérébral^23. Par conséquent, le traitement de pré-analyse, le filtrage, la conversion d’ondelettes et l’analyse en composantes principales sont utiles^23. En ce qui concerne le filtrage et les artefacts du traitement des données à l’aide du NIRS-SPM, le filtrage passe-bas⁹ et la longueur minimale de description des ondelettes (Wavelet-MDL)²⁴ detrending ont été utilisés pour surmonter le mouvement ou d’autres sources de bruit / artefact. Pour plus de détails sur cette méthode analytique, voir le rapport de Ye et coll.^25. Bien qu’il existe des rapports utilisant uniquement SPM, il ne s’agit que d’un index qualitatif par analyse d’image, et en raison de la faible résolution spatiale de NIRS, une extrême prudence est requise pour l’analyse de groupe. De plus, lorsque le DPF est constant, des comparaisons numériques entre les canaux et les individus ne doivent pas être effectuées, mais la différence dans les changements dans chaque canal peut être vérifiée. Sur la base des conditions ci-dessus, afin de compléter les résultats de l’analyse de groupe NIRS-SPM, nous avons utilisé la méthode d’analyse originale pour l’analyse multicanal après avoir amélioré la précision de l’enregistrement spatial. Cette analyse multicanal a comparé l’amplitude de la variation des niveaux d’HbO2 et de HHb entre les périodes de repos et de travail à chaque canal avant et immédiatement après le traitement à l’aide de modèles mixtes hiérarchiques avec des interventions fixes (avant ou après), des périodes fixes (repos ou sur la tâche) et des effets individuels aléatoires.

De cette façon, il existe plusieurs méthodes de mesure et d’analyse du FNIRS; toutefois, aucune méthode normalisée n’a été établie. Dans cet article, nous présentons nos méthodes, la cartographie paramétrique statistique qualitative basée sur glm et le modèle mixte hiérarchique multi-niveaux comparatif, pour analyser les données obtenues à partir d’une expérience fNIRS multicanal de pré- vs post-intervention en utilisant une conception de bloc avec des tâches sensorimotrices.

Protocol

Cette étude a été approuvée par le comité d’examen institutionnel (CISR) de l’Université de Fukuoka, au Japon (CISR no 2017M017). Avant la participation, tous les patients ont donné leur consentement éclairé par écrit.

1. Préparation de l’expérience fNIRS

REMARQUE : Un système NIRS à ondes continues multicanal à ondes continues a été utilisé pour cette expérience. Les longueurs d’onde de la lumière proche infrarouge étaient de 780 nm, 805 nm et 830 nm, et le taux d’échantillonnage a été fixé à 7,8 Hz. Le temps et la résolution spatiale (distances entre l’émetteur de lumière et la sonde du détecteur) étaient de 0,13 s et 3,0 cm, respectivement.

1. Réglez le dispositif fNIRS dans un endroit sombre et silencieux. Mener des expériences à température ambiante. Démarrez l’instrument fNIRS 30 min avant l’expérience.
   NOTA: Les systèmes fNIRS sont utilisés dans des conditions de température et d’humidité contrôlées pour assurer un fonctionnement stable de l’équipement²⁶.
2. Utilisez un bouchon entier pour l’enregistrement fNIRS et fixez le capuchon sur la tête du sujet de telle sorte que la position correspondant à la centrale (Cz) du système international 10-20 soit située au support n° 245 du capuchon. (Figure 1).
3. Fixez l’autocollant de marquage aux points de localisation de référence : le nasion (Nz), le méat auditif externe droit (AR) et le méat auditif externe gauche (AL).
   REMARQUE: Étant donné que les coordonnées tridimensionnelles (3D) sont lues autour des positions de l’autocollant de marquage Nz, AR, AL et du support Cz, il est nécessaire de joindre l’autocollant de marquage avant de prendre une photo.
4. Après l’étalonnage d’un appareil photo numérique haute résolution pour l’enregistrement spatial, prenez des photos de la tête du sujet avec l’emplacement de la sonde tout en montrant les points de référence (Cz, Nz, AR et LR) à partir de 15 perspectives.
   REMARQUE: S’il vous plaît prendre une photo avant de placer la sonde. Si une photo est prise après avoir placé la sonde, le repère peut être caché par la sonde et le cordon de câblage. Comme recommandé par le fabricant, après avoir pris 12 photos en diagonale 30° vers l’avant à droite du sujet, prenez trois photos ou plus légèrement au-dessus afin que le Cz (support n ° 245) apparaisse sur la photo. En effet, il est facile de le rendre tridimensionnel lors de la capture d’un total de 15 prises de vue ou plus.
5. Séparez soigneusement les cheveux du sujet qui interfèrent avec l’optode à l’aide d’une tige en plastique éclairée par diode électroluminescente (LED) pour fixer la sonde. Disposez la sonde de manière à ce que les optodes soient fixées à une distance minimale de la surface du cuir chevelu et en contact avec le cuir chevelu.
   REMARQUE: Vérifiez soigneusement s’il y a une pression ou un inconfort pour le patient en raison de la fixation des optodes, en raison de la force croissante des facteurs de confusion systémiques associés à l’activation du système nerveux autonome²³.
6. Disposer le système à 48 canaux avec 32 optodes (16 sources lumineuses et 16 détecteurs; réseau 4 x 4 pour chaque hémisphère) à un capuchon de tête bilatéralement sur les zones frontales et pariétales en tant que régions d’intérêt(Figure 2).
7. Démarrez et utilisez le logiciel de numériseur 3D pour déterminer l’enregistrement spatial.
8. Après avoir scanné les données d’image d’une tête entière, déterminez la coordonnée spatiale de chaque patient en mesurant automatiquement et enregistrez-les dans le fichier Origine et autres (fichier *CSV).
   Remarque : Si les points de coordonnées n’ont pas pu être détectés à partir des images à l’aide de la mesure automatique, entrez le réglage manuellement.

2. Exécutez l’expérience

1. Sélectionnez un plan de bloc pour l’expérience, et la tâche peut être n’importe quel mouvement d’intérêt pour l’étude tel que l’ouverture / fermeture de la main, le tapotement des doigts, etc. Dans notre étude précédente, la tâche était les mouvements du coude assistés par robot¹⁵.
   REMARQUE: Chaque cycle est composé de trois blocs (15 s de repos - 15 s de tâche - 15 s de repos), et chaque patient complète sept cycles dans chaque session.
2. Faites attendre le participant dans une position confortable jusqu’au signal de départ. Demandez au sujet de fermer les yeux pendant le reste et la tâche.
3. Donnez des indices de départ et d’arrêt (c.-à-d. « Répétez la flexion et l’extension du coude », « Arrêtez-vous et détendez-vous »).
   Remarque : Ne parlez pas pendant les mesures. Vérifiez soigneusement les artefacts sur l’écran du moniteur pendant les mesures.
4. Effectuez la tâche de conception de bloc dans la même posture. Une posture verticale avec position debout ou assise est souhaitable pour ne pas déformer le casque.
   REMARQUE: Si le patient se sent mal à l’aise après avoir porté le porte-tête pendant une période prolongée, retirez ou desserrez la sonde pendant l’exercice assisté par robot.
5. Après avoir terminé la mesure NIRS, retirez le porte-tête et l’autocollant de marquage pour mettre fin à l’expérience.
   REMARQUE: Vérifiez soigneusement les dommages cutanés au cuir chevelu en raison d’un port prolongé.

3. Analyse GLM qualitative à l’aide du logiciel NIRS-SPM

1. Démarrez le NIRS-SPM sur le logiciel MATLAB. Convertir le fichier de données lié à la modification de la concentration d’HbO₂ et de HHb acquise à partir du dispositif NIRS dans le format de fichier pour l’analyse NIRS-SPM.
2. Choisissez l’option using NIRS system dans le menu contextuel. Sélectionnez le bouton de chargement et choisissez les options de conversion de changement de concentration HbO₂ et HHb.
3. Détecter l’enregistrement spatial de l’emplacement du canal NIRS. Cochez la case Autonome, puis cochez la case Avec le numériseur 3D.
4. Dans À partir de coordonnées réelles à l’espace MNI, utilisez la boîte de dialogue pour choisir _origin. CSV faisant référence au fichier de point de référence de coordonnées et _others. CSV faisant référence au fichier de sondes/canaux de coordonnées.
5. Sélectionnez le bouton Inscription. Choisissez les points pour passer à l’estimation spatiale, puis cliquez sur le bouton OK. Cliquez sur le bouton Coordonner l’INM du projet vers le cerveau rendu.
   NOTA : La position spatiale des emplacements des canaux du NIRS est estimée à l’aide du modèle de cerveau de l’Institut neurologique de Montréal (INM).
6. Sélectionnez l’option Vue dorsale et cliquez sur le bouton Enregistrer.
7. Dans la section Spécifier le^1er niveau, sélectionnez le nom de fichier des données NIRS et le répertoire SPM. Cochez la case hémoglobine; HbO₂ ou HHb. Mettez en surbrillance l’option Spécifier la conception' et sélectionnez l’option Sec. Mettez en surbrillance les options Nombre de conditions/essais et entrez le nombre 7.
8. Mettez en surbrillance les options Vecteur d’apparition et Durée(s) et entrez un vecteur d’apparition multiplié par la durée des conditions expérimentales comme suit.
   REMARQUE: Dans ce cas, le vecteur des heures d’apparition doit être spécifié comme [15:45:285] ou [15 60 105 150 195 240 285]. Le vecteur de durée doit être spécifié comme [15* ones(7,1)] ou [15 15 15 15 15 15 15].
9. Pour la déconseillement, sélectionnez le bouton Wavelet-MDL. Utilisez la méthode de précoloration: filtre passe-bas et sélectionnez le bouton hrf, et corrigez la corrélation sérielle, puis sélectionnez le bouton aucun.
10. Pour estimer les corrélations temporelles, vérifiez l’analyse individuelle.
    Remarque : enregistrez la localisation spatiale des positions de canal fNIRS dans les systèmes de coordonnées MNI individuels sous la forme d’un fichier texte. De même, enregistrez la carte en fonction de la zone de Brodmann (BA) individuelle en tant que fichier texte.
11. Pour estimer les corrélations temporelles, vérifiez l’analyse de groupe. Le NIRS-SPM a aligné les positions moyennes d’optode du nombre de participants selon le système de coordonnées cérébrales normalisé de l’INM.
12. Calculer la carte d’activation en fonction des changements dans le niveau d’hémoglobine pour le cerveau normalisé. Des niveaux de HbO₂ et de HHb ont été considérés significatifs à un seuil non corrigé de p < 0,01.
    Remarque : les informations gauche/droite ont été retournées dans les côtés droit-affectés pour l’analyse de groupe.

4. Analyse comparative multicanal basée sur un modèle mixte hiérarchique

1. Démarrez le logiciel SAS. Convertir le document texte (. TXT) des changements de concentration de_HbO2 et HHb dans le fichier de données NIRS traité avec un filtre passe-bas (la fréquence de coupure a été fixée à 0,1 Hz) dans le fichier de valeurs séparées par des virgules du tableur (. CSV).
2. Créez les données SAS d’importation (.sas7bdat) à l’aide du programme.
3. Sortie du fichier d’importation avec la commande suivante, libname out « Importer le fichier »
4. En sortie du fichier pré-intervention et post-intervention pour chaque sujet, exécutez les commandes suivantes dans la SAP Analysis. (Figure 3) Lors de la création du fichier d’importation, donnez un nom qui puisse identifier les informations sur le sujet et avant ou après l’intervention (par exemple, id1 pre, id1 post...)
5. Exécutez la commande de données pré- et post-intervention pour chaque canal (ch1-48; _HbO2 et HHb) comme suit(figure 4).
6. D’après les données obtenues à partir des résultats de sortie, entrez les différences avant et après l’intervention en ce qui concerne les valeurs de changement (différence à la tâche et au repos), au repos et à la tâche (valeurs estimées, limites supérieures et limites inférieures) de chaque canal dans le fichier de classeur de feuilles de calcul (.xlsx).
7. De même, entrez les degrés de liberté du numérateur et du dénominateur, la valeur F et la valeur P de l’élément d’interaction du test de type 3 à effet fixe dans le fichier de classeur de feuille de calcul (.xlsx).
8. Pour contrôler le taux de fausses découvertes (FDR) dans les tests multicanaux, utilisez les méthodes de Benjamin et Hochberg²⁷ et contrôlez le FDR à une valeur de p < 0,01.

Results

Nous présentons ici la rééducation assistée par robot sur laquelle notre groupe travaille actuellement : les effets du biofeedback sur le déficit moteur des membres supérieurs chez les patients ayant subi un AVC aigu. Nous avons inclus 10 patients consentants de course (âge moyen : 66,8 ± 12,0 ans ; deux femmes et huit hommes) qui ont été admis à notre hôpital. À l’étape subaiguë de course, plus de 2 semaines après le début, nous avons évalué l’activité corticale moteur-connexe de ces pat...

Discussion

Dans nos méthodes analytiques de groupe pour le fNIRS, en plus d’effectuer une méthode d’analyse d’imagerie par des mappages qualitatifs de statistiques t,nous avons comparé pré- et post-intervention (exercice assisté par robot) en utilisant l’analyse multicanal comparative. Pour l’analyse qualitative, nous avons utilisé le logiciel NIRS-SPM comme une approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire généralisé. L’analyse NIRS-SPM montre les résultats qualitatifs de chaque session en visualisant la zone a...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Logiciel de numérisation 3D			logiciel ver.1.50
Système NIRS	Shimadzu-FOIRE-3000
Robot	CYBERDYNE-Single-joint		type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ)