Name: Collecte simultanée de données de mesures IRMf et NIRS f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T14:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: Découvrez une méthode de collecte simultanée IRMf et NIRS f pour améliorer l'alignement des signaux en neuroimagerie fonctionnelle. Ce protocole validé sur des adultes s'adapte aux populations cliniques et développementales.

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Cette recherche a été financée par les sources de financement suivantes : une subvention NARSAD Young Investigator Award de la Brain and Behavior Research Foundation (subvention #29736) (SSA), une subvention Global Grand Challenges de la Fondation Bill et Melinda Gates (subvention #INV-005792) (RNA) et une subvention du Discovery Fund du Département de psychologie de l’Université Yale (RNA). Les auteurs tiennent également à remercier Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) pour son soutien lors de la collecte des données, ainsi qu’Adam Eggebrecht, Ari Segel et Emma Speh (Washington University à St Louis) pour leur aide dans l’analyse des données.

Les frais de publication de cet article sont financés par NIRx. Les auteurs n’ont rien d’autre à révéler.

Ce protocole pour la collecte simultanée de données de signaux IRMf et fNIRS utilise un réseau d’optodes fNIRS de la tête entière et des canaux à courte distance pour mesurer et régresser les signaux physiologiques systémiques non corticaux. Les étapes critiques de ce protocole comprennent la modification et le développement de l’équipement fNIRS pour la collecte des signaux fNIRS dans l’environnement IRM. À notre connaissance, il n’existe pas de système commercial clé en main entièrement optimisé pour capturer simultané...

La fonction cognitive est étudiée dans le cerveau humain adulte par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) depuis près de trois décennies. Bien que l’IRMf fournisse une haute résolution spatiale et des images fonctionnelles et structurelles, elle n’est souvent pas pratique pour les études menées dans des contextes naturalistes ou pour une utilisation avec des nourrissons et des populations cliniques. Ces contraintes limitent considérablement notre compréhension du fonctionnement du cerveau. Une alternative à l’IRMf est l’utilisation de méthodologies portables plus rentables et plus résistantes au mouvement, telles que la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS)1,2,3. Le fNIRS a été utilisé chez les nourrissons et les jeunes enfants pour évaluer la fonction cérébrale dans divers domaines cognitifs, tels que le développement du langage, le traitement de l’information socialement pertinente et le traitement des objets 4,5,6. Le fNIRS est également une modalité de neuroimagerie particulièrement adaptée aux tests sur les populations cliniques en raison de son potentiel de tests et de surveillance répétés à l’âge de7, 8 et 9 ans. Malgré sa large applicabilité, il n’existe pas d’études comparant quantitativement les signaux IRMf et fNIRS collectés simultanément chez les mêmes sujets avec une couverture de la tête entière. Cette comparaison est nécessaire pour valider de manière exhaustive les activations au niveau de la zone et la connectivité fonctionnelle entre les régions d’intérêt (ROI) par rapport à l’étalon-or de l’IRMf. De plus, l’établissement de cette correspondance intermodale a le potentiel d’améliorer l’interprétation du fNIRS lorsqu’il s’agit du seul signal collecté à travers le développement typique et atypique.
Les signaux IRMf et fNIRS détectent tous deux des changements dans l’oxygénation cérébrale du sang (CBO) lors de l’activation cérébrale fonctionnelle10,11. L’IRMf s’appuie sur les changements dans les champs électromagnétiques et fournit une haute résolution spatiale des changements CBO12. fNIRS, en revanche, mesure les niveaux d’absorption de la lumière proche infrarouge à l’aide d’une série d’optodes électroluminescentes et de détection de lumière2. Étant donné que le fNIRS mesure les changements d’absorption à différentes longueurs d’onde, il peut évaluer les changements de concentration dans l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine. Des études antérieures utilisant des enregistrements simultanés de signaux IRMf et NIRS fNIRS avec un petit nombre d’optodes ont montré que les deux signaux ont une correspondance spatiale et temporelle élevée10. Il existe de fortes corrélations entre l’IRMf dépendante du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD) et les mesures optiques11,13, la désoxyhémoglobine montrant la corrélation la plus élevée avec la réponse BOLD, comme l’ont rapporté des travaux antérieurs comparant la dynamique temporelle des fonctions de réponse hémodynamique (HRF) du NIRS f et de l’IRMf (HRF)14. Ces premières études ont mis en œuvre des paradigmes de réponse motrice (c’est-à-dire le tapotement des doigts) et ont utilisé un nombre limité d’optodes couvrant les zones du cortex moteur primaire et prémoteur. Au cours de la dernière décennie, des études ont élargi l’objectif pour inclure une plus grande batterie de tâches cognitives et de séances à l’état de repos, bien qu’elles utilisent toujours un nombre limité d’optodes couvrant des ROI spécifiques. Ces études ont montré que la variabilité des corrélations NIRSf/IRMf dépend de la distance de l’optode par rapport au cuir chevelu et au cerveau15. De plus, le NIRS f peut fournir des mesures de connectivité fonctionnelle à l’état de repos comparables à l’IRMf16,17.
Le protocole actuel s’appuie sur des travaux antérieurs et aborde les principales limites en i) fournissant une couverture fNIRS de la tête entière, ii) incluant des mesures à courte distance pour la régression des signaux physiologiques non corticaux, iii) mettant en œuvre deux méthodes différentes pour le co-enregistrement optode-cuir chevelu des mesures fNIRS et iv) permettant l’évaluation de la fiabilité test-retest du signal sur deux sessions indépendantes. Ce protocole de collecte simultanée de données de signaux IRMf et NIRS a été initialement développé pour tester les jeunes adultes. Cependant, l’un des objectifs de l’étude était de créer un dispositif expérimental pour collecter des signaux IRMf/NIRS simultanés qui peuvent être adaptés par la suite pour tester des populations en développement. Par conséquent, le protocole actuel peut également servir de point de départ à l’élaboration d’un protocole de dépistage des jeunes enfants. En plus d’utiliser la couverture fNIRS de la tête entière, le protocole vise également à intégrer les avancées récentes dans le domaine du matériel fNIRS, telles que l’inclusion de canaux à courte distance pour mesurer le signal physiologique systémique (c’est-à-dire les changements vasculaires provenant de sources non corticales, telles que la pression artérielle, les signaux respiratoires et cardiaques)18,19 ; et l’utilisation d’un capteur de structure 3D pour le co-enregistrement optode-scalp20. Bien que le présent protocole se concentre sur les résultats d’une tâche en damier clignotant visuellement, l’ensemble de l’expérience comprend deux sessions avec un mélange de conceptions traditionnelles de tâches en bloc, de sessions à l’état de repos et de paradigmes naturalistes de visionnage de films.
Le protocole décrit les étapes nécessaires à l’adaptation de l’équipement fNIRS pour une utilisation dans l’environnement IRM, y compris la conception du capuchon, l’alignement temporel via la synchronisation des déclencheurs et les tests fantômes requis avant le début de la collecte de données. Comme nous l’avons indiqué, l’accent est mis ici sur les résultats de la tâche en damier clignotant, mais la procédure globale n’est pas spécifique à la tâche et peut convenir à un certain nombre de paradigmes expérimentaux. Le protocole décrit en outre les étapes requises lors de la collecte des données, qui comprennent la mise en place du capuchon fNIRS et l’étalonnage du signal, la configuration des participants et de l’équipement expérimental, ainsi que le nettoyage post-expérience et le stockage des données. Le protocole se termine en fournissant une vue d’ensemble des pipelines analytiques spécifiques au prétraitement des données fNIRS et IRMf.

<table><tbody><tr><td>280 œillets à profil bas compatibles IRM pour capuchons NIRx</td><td></td><td>GRM-LOP</td><td></td></tr><tr><td>4 capuchons NIRS à 128 positions avec 128x fentes inhabitées en disposition 10-5</td><td>NIRx</td><td>CP-128-128S</td><td>Tailles : 52, 54, 56, 60</td></tr><tr><td>8 faisceaux de 4x fibres de détection avec pointe à profil bas ; Compatible avec l’IRM, la MEG et la TMS.&nbsp ;</td><td>NIRx</td><td>DET-FBO- LOW</td><td>10 m</td></tr><tr><td>de long 8 faisceaux de 4 fibres sources laser avec pointe à profil bas compatible IRM</td><td>NIRx</td><td>SRC-FBO- LAS-LOW</td><td>10 m de long</td></tr><tr><td>Ensemble de 8 détecteurs à canaux courts avec joints annulaires spécialisés qui s’adaptent aux œillets à profil bas</td><td>NIRx</td><td>DET-SHRT-SET</td><td>Divise un seul détecteur en 8 canaux courts qui peuvent être placés n’importe où sur un seul capuchon NIRS</td></tr><tr><td>Magnéto 3T PRISMA</td><td>Siemens</td><td>N/A</td><td>Capacité de 128 canaux, bobines de tête 64/32/20 canaux, amplitude de gradient maximale de 80 mT/m, vitesse de balayage de 200 T/m/s, séquences neurologiques complètes</td></tr><tr><td>NIRScout XP Core System Unit</td><td>NIRx</td><td>NSXP- CHS</td><td>Jusqu’à 64 illuminateurs Laser-2 (ou 32 laser-4) ou 64 illuminateurs LED-2 ; jusqu’à 32 détecteurs ; capables de mesures en tandem (multi-systèmes) et en hyperbalayage (multi-sujets) ; compatible avec EEG, tDCS, suivi oculaire et autres modalités ; modules disponibles pour la compatibilité FMR, TMS, MEG Logiciel</td></tr><tr><td>NIRStar</td><td>NIRx</td><td>N/A</td><td>Version 15.3</td></tr><tr><td>Réplicateur de ports parallèles NIRx</td><td></td><td>ACC-LPT-REP</td><td>Le réplicateur de prot parallèle est livré avec trois composants : boîtier de réplicateur de port parallèle, câble d’alimentation USB et adaptateur BNC</td></tr><tr><td>Unité d’impulsion physiologique</td><td>Siemens</td><td>PPU098</td><td>Pléthysmographie optique permettant l’acquisition de la rythme cardiaque.</td></tr><tr><td>Unité respiratoire</td><td>Siemens</td><td>PERU098&nbsp ;</td><td>Unité destinée à l’acquisition de l’amplitude respiratoire (au moyen d’un système pneumatique et d’une ceinture de retenue).</td></tr><tr><td>Capteur de structure Mark II</td><td>Occipital</td><td>101866 (SN)</td><td>Capteur de structure 3D pour la numérisation des optodes.</td></tr></tbody></table>

collecte simultanée de données de mesures irmf et nirs f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance

Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

La spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) est une méthodologie de neuroimagerie portable, plus robuste au mouvement et plus rentable que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ce qui la rend parfaitement adaptée à la réalisation d’études naturalistes de la fonction cérébrale et à une utilisation avec des populations développementales et cliniques. Les méthodologies fNIRS et IRMf détectent les changements dans l’oxygénation cérébrale du sang au cours de l’activation cérébrale fonctionnelle, et des études antérieures ont montré une correspondance spatiale et temporelle élevée entre les deux signaux. Il n’y a cependant pas de comparaison quantitative des deux signaux collectés simultanément chez les mêmes sujets avec une couverture fNIRS de la tête entière. Cette comparaison est nécessaire pour valider de manière exhaustive les activations au niveau de la zone et la connectivité fonctionnelle par rapport à l’étalon-or de l’IRMf, qui à son tour a le potentiel de faciliter les comparaisons des deux signaux tout au long de la vie. Nous comblons cette lacune en décrivant un protocole pour la collecte simultanée de données de signaux IRMf et NIRS f qui : i) fournit une couverture fNIRS de la tête entière ; ii) comprend des mesures à courte distance pour la régression du signal physiologique systémique non cortical ; et iii) met en œuvre deux méthodes différentes pour le co-enregistrement optode-cuir chevelu des mesures fNIRS. Les données d’IRMf et de NIRS f de trois sujets sont présentées, et des recommandations pour adapter le protocole aux populations développementales et cliniques sont discutées. La configuration actuelle avec des adultes permet des séances de numérisation d’une durée moyenne d’environ 40 minutes, ce qui comprend à la fois des analyses fonctionnelles et structurelles. Le protocole décrit les étapes nécessaires à l’adaptation de l’équipement fNIRS pour une utilisation dans l’environnement de résonance magnétique (IRM), fournit des recommandations pour l’enregistrement des données et le co-enregistrement optode-scalp, et discute des modifications potentielles du protocole pour s’adapter aux spécificités du système fNIRS IRM disponible sans danger pour l’IRM. Des réponses représentatives spécifiques à un sujet à partir d’une tâche en damier clignotant illustrent la faisabilité du protocole pour mesurer les signaux fNIRS de la tête entière dans l’environnement d’IRM. Ce protocole sera particulièrement pertinent pour les chercheurs intéressés par la validation des signaux fNIRS par rapport à l’IRMf tout au long de la vie.

Cette section présente des réponses représentatives spécifiques à un sujet pour la tâche du damier clignotant pour les signaux IRMf et NIRSF. Tout d’abord, des données brutes représentatives du fNIRS et des évaluations de la qualité sont présentées à la figure 6 et à la figure 7 pour illustrer la faisabilité du dispositif expérimental permettant de mesurer les signaux fNIRS dans l’environnement de l’IRM. Un diagramme de l’ensemble du réseau d’op...

Nous présentons une méthode permettant de collecter simultanément des signaux IRMf et fNIRS chez les mêmes sujets avec une couverture fNIRS de la tête entière. Le protocole a été testé auprès de trois jeunes adultes et peut être adapté à la collecte de données pour des études de développement et des populations cliniques.

Collecte simultanée de données de mesures IRMf et NIRS f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional ...

La collecte simultanée des signaux IRMf et IRMf chez les mêmes sujets est extrêmement importante car elle nous permet d’aligner le signal fNIRS avec celui de l’IRMf, qui est l’étalon-or en neuroimagerie. Le fNIRS est une méthodologie qui est encore en développement et qui ne peut pas atteindre des structures cérébrales plus profondes. Ainsi, les enregistrements IRMf nous permettent de mieux comprendre le signal fNIRS.Les tentatives précédentes d’enregistrement des signaux fNIRS et IRMf du cerveau du même participant nécessitaient deux sessions d’enregistrement. Malheureusement, ces deux séances signifient que le participant a vu et entendu les mêmes stimuli à plusieurs reprises, ce qui peut changer la façon dont le cerveau réagit. Bien que dans le protocole, les signaux IRMf et NIRS fNIRS ne soient alignés que chez les adultes typiques, nous espérons que le protocole actuel pourra également être étendu pour tester des populations cliniques et développementales.Cela sera particulièrement important, par exemple, lors de la collecte de données auprès d’individus susceptibles d’avoir des déficits neuropsychologiques, car nous serons en mesure d’interpréter le signal fNIRS avec la plus

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Nous avons développé une méthode pour l'imagerie simultanée par résonance magnétique fonctionnelle et l'enregistrement électrophysiologique dans le cerveau de rongeurs, en fournissant une plateforme pour l'étude de la relation entre l'activité neuronale et le niveau d'oxygénation du sang dépendantes (BOLD) du signal IRM.

IRMf simultanées et l&#39;électrophysiologie dans le cerveau de rongeurs

Nous présentons une méthode pour comparer l’activité cérébrale fonctionnelle enregistrée lors d’une tâche naturaliste à l’aide de la fNIRS avec l’activité enregistrée lors de l’IRMf.

IRMf Validation des fNIRS mesures pendant une tâche naturaliste

La surveillance de l’activité cérébrale pendant les tâches motrices debout est d’une grande valeur pour l’étude de la source neuronale des troubles du mouvement. Ici, nous démontrons un protocole qui combine la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle avec la surveillance continue de l’activité musculaire et cinématique pendant 4 types de tâches motrices.

Près fonctionnelle spectroscopie infrarouge des régions sensorielles et motrices cérébrales avec simultanée cinématique et EMG surveillance Pendant tâches motrices

Suivi de l'activité du cerveau à l'extérieur du laboratoire sans contraintes physiques présente des défis méthodologiques. Un fiberless, système portable fonctionnelle spectroscopie proche infrarouge (fNIRS) a été utilisé pour mesurer l'activité du cerveau pendant une tâche de mémoire prospective écologique. Il a été démontré que ce système pourrait être utilisé pour surveiller l'activité cérébrale au cours d'expériences sur la base non-laboratoire.

Utilisation fiberless, fNIRS Wearable pour surveiller l&#39;activité cérébrale dans des tâches cognitives monde réel

Le présent protocole décrit comment effectuer des expériences de hyperscanning fNIRS et analyser le cerveau-à-cerveau synchronie. De plus, nous discutons les défis et les solutions possibles.

Des expériences de Hyperscanning avec la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle

Le présent protocole décrit comment effectuer des enregistrements simultanés de l’EEG et du FNIRS et comment inspecter la relation entre les données EEG et fNIRS.

Conduite d’électroencéphalographie simultanée et d’enregistrements fonctionnels de spectroscopie proche infrarouge avec une tâche de flanker

Ce protocole démontre comment mesurer la connectivité fonctionnelle de l’état de repos dans le cortex préfrontal humain à l’aide d’un instrument de spectroscopie de corrélation diffuse sur mesure. Le rapport traite également des aspects pratiques de l’expérience ainsi que des étapes détaillées pour analyser les données.

Connectivité fonctionnelle de l’état de repos basée sur le flux sanguin cérébral du cerveau humain à l’aide de la spectroscopie optique de corrélation diffuse

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.

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

Le protocole pour mener des expériences d’hyperscan fNIRS sur des dyades d’apprentissage collaboratif dans un environnement d’apprentissage naturaliste est décrit. En outre, un pipeline pour analyser la synchronisation inter-cerveau (IBS) des signaux d’hémoglobine oxygénée (Oxy-Hb) est présenté.

La synchronisation inter-cerveaux dans l’apprentissage collaboratif ouvert : une étude fNIRS-Hyperscanning

La dynamique entre les cerveaux couplés des individus a été de plus en plus représentée par la synchronisation inter-cerveau (IBS) lorsqu’ils se coordonnent les uns avec les autres, principalement en utilisant des signaux d’enregistrement simultané des cerveaux (à savoir l’hyperscanning) avec fNIRS. Dans les études d’hyperscan fNIRS, le SCI a été couramment évalué par la méthode de la cohérence de transformation des ondelettes (WTC) en raison de son avantage sur l’expansion des séries...

Comment calculer et valider la synchronisation inter-cerveau dans une étude d’hyperscanning fNIRS

Ce protocole décrit la cohérence partielle de la transformation des ondelettes (pWTC) pour calculer le modèle décalé dans le temps de la synchronisation neuronale interpersonnelle (INS) afin de déduire la direction et le modèle temporel du flux d’informations au cours de l’interaction sociale. L’efficacité du pWTC dans l’élimination des confusions de l’autocorrélation du signal sur l’INS a été prouvée par deux expériences.

Mesure du flux d’informations directionnelles dans les données d’hyperscan fNIRS à l’aide de la méthode de cohérence de transformation partielle des ondelettes

Découvrez une méthode de collecte simultanée IRMf et NIRS f pour améliorer l'alignement des signaux en neuroimagerie fonctionnelle. Ce protocole validé sur des adultes s'adapte aux populations cliniques et développementales.

Collecte simultanée de données de mesures IRMf et NIRS f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance (Vidéo) | JoVE Journal

Collecte simultanée de données de mesures IRMf et NIRS f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance

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