איסוף נתונים סימולטני של מדידות fMRI ו-fNIRS באמצעות מערך Optode של ראש שלם וערוצים למרחקים קצרים
20 באוקטובר 2023
אנו מציגים שיטה לאיסוף סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS מאותם נבדקים עם כיסוי fNIRS של כל הראש. הפרוטוקול נבדק עם שלושה צעירים וניתן להתאים אותו לאיסוף נתונים עבור מחקרים התפתחותיים ואוכלוסיות קליניות.
איסוף אותות fMRI ו-fNIRS בו-זמנית מאותם נבדקים חשוב ביותר מאחר שהוא מאפשר לנו להתאים את אות fNIRS לזה של fMRI, שהוא תקן הזהב בדימות מוחי. fNIRS היא מתודולוגיה שעדיין מתפתחת והיא אינה יכולה להגיע למבני מוח עמוקים יותר. אז רישומי fMRI נותנים לנו הבנה טובה יותר של אות fNIRS.
ניסיונות קודמים להקליט אותות fNIRS ו-fMRI ממוחו של אותו משתתף דרשו שני מפגשי הקלטה. לרוע המזל, משמעות שני המפגשים האלה היא שהמשתתף ראה ושמע את אותם גירויים שוב ושוב, מה שיכול לשנות את האופן שבו המוח מגיב. למרות שבפרוטוקול, אותות fMRI ו-fNIRS מיושרים רק במבוגרים טיפוסיים, אנו מקווים שניתן יהיה להרחיב את הפרוטוקול הנוכחי גם לבדיקת אוכלוסיות קליניות והתפתחותיות.
זה יהיה חשוב במיוחד, למשל, בעת איסוף נתונים מאנשים שעשויים להיות ליקויים נוירופסיכולוגיים שכן נוכל לפרש את האות fNIRS עם הביטחון הגבוה ביותר. אנו מאמינים שהקלטות סימולטניות אלה של fNIRS ו-fMRI יהיו חשובות במיוחד להבנת הרשתות העצביות במוח עבור אוכלוסיות מיוחדות ועבור ילדים. אין ספק שאיסוף אותות fMRI ו-fNIRS בו זמנית הוא מאתגר, אבל אנחנו עובדים על כל השלבים ובטוחים שהפרוטוקול שלנו יאפשר למעבדות אחרות לאסוף את אותו סוג של נתונים.
סביר להניח שאחד האתגרים העיקריים יהיה לוודא שהמשתתף מרגיש בנוח בסורק, במיוחד כאשר הוא חובש כובע fNIRS עם ראש שלם. מי שתדגים את ההליך תהיה וירג'יניה צ'יימברס, מנהלת המעבדה מהמעבדה שלנו. לאחר שהמשתתף חתם על טופסי ההסכמה הנדרשים וקיבל הוראות לביצוע המשימות, יש לכוון אותו לשבת על כיסא בחדר הבקרה.
עטפו סרט מדידה רך סביב המצח. עברו לחלק הרחב ביותר מאחור וחזרו לנקודת ההתחלה. בחר את מכסה fNIRS הקרוב ביותר להיקף הנמדד.
אחזו היטב והחליקו את בסיס גשושיות הגלאי למרחקים קצרים סביב החלק של הגרומט העובר דרך הרשת של כובע fNIRS. ודא שכבל הגלאי למרחקים קצרים פונה לחלק האחורי של המכסה לקבלת אזור פנים ברור. לאחר מכן, בקשו מהמשתתפים להחליק את הכובע כלפי מטה מכתר ראשו באופן דומה לחבישת כובע חורף ולהדק את רצועת הסנטר במידה נוחה.
הדקו את רצועות הגב. ודא שהפקק מחובר היטב וששקעי האופטודה יציבים כנגד הראש. לאחר מכן הדביקו מדבקות ירוקות כדי לסמן מיקומי מפתח בהתאם למיקומי מערכת 10/20.
השתמשו בסרט מדידה כדי ליישר את נקודות הקרקפת באופן סימטרי עם נקודות על הפקק. ודא מרחק שווה מנקודת CZ לנקודת קדם-אוריקולרית, איניון ונקודת נאזיון. הנחו את המשתתף להישאר נייח כדי ליצור מודל תלת ממדי של ראשו.
לאחר מכן הפעל את יישום המבנה בטאבלט או ב- iPad. ודא שהצבע ברזולוציה גבוהה, חשיפה אוטומטית לאינפרא אדום ותכונות מעקב משופרות כבויים. כעת מקמו את המשתתף במרכז, וודאו שכל ראשו מתאים לריבוע התלת-ממדי על המסך, וכתפיו נראות באופן מינימלי בפריים.
הסתובב סביב הנושא כדי לסרוק את צורת הראש ואת האופטודות באמצעות סורק התלת-ממד. לאחר השלמת הסריקה כולה, לחץ על הלחצן בצד ימין של המסך כדי להתחיל את עיבוד התלת-ממד. ודא את רמת הבהירות והפירוט של הרינדור כדי להבטיח מיקום מדויק של האופטודות ומדבקות הפידוק הירוקות.
מטעמי בטיחות ופרטיות, שמור את הסריקה התלת-ממדית בשרת מוגן HIPAA. לאחר השלמת המודל התלת-ממדי, הסירו את המדבקות הירוקות ובקשו מהמשתתף להכניס אטמי אוזניים לאוזניו. בחדר הסריקה, ודא שסליל ראש 20 הערוצים ממוקם בסורק.
הניחו כרית קצף בתוך החלק התחתון של סליל ראש ה-MRI כדי לתמוך בחלק העליון של ראש המשתתף. הנחו את המשתתפים לשבת בנוחות על שולחן הסורק. תוך כדי החזקת גרומט האופטודה יציב ביד אחת, השתמש במוליך בטוח MRI כדי לנקות את השיער מאמצע הגרומה.
לאחר מכן הפעל לחץ חזק כדי לאבטח את האופטודה לתוך הגרומה. הנחו את המשתתף לשכב לאט ובזהירות. כוונן את חבילות הסיבים האופטיים כדי להבטיח שראש המשתתף מונח בנוחות בתוך סליל הראש.
בהתאם למיקום הכבלים ממדריך הגל, הרם את שולחן הסורק. הניחו כרית רכה מתחת לרגלי המשתתפים כדי להבטיח נוחות. לעטוף את חגורת הנשימה סביב המותניים של המשתתף.
הנחו את המשתתף להרכיב אוזניות מבטלות רעשים, וודאו שהן אינן מפריעות למיקום הבדיקה fNIRS. הניחו את מד הדופק על האצבע המורה השמאלית של הנבדק. במקרה שתיבת כפתורים משמשת למשימות הניסוי, הנחו את הנבדק להחזיק אותה ביד הדומיננטית.
ספק הוראות ברורות כיצד להשתמש בתיבת הלחצנים. הניחו את כדור הלחיצה או אזעקת הכפתור על היד הלא דומיננטית של הנבדק והנחו את המשתתף כיצד להשתמש בו. בדוק את האזעקה על ידי בקשת המשתתף ללחוץ עליה.
החלק את המשתתף כמה סנטימטרים לתוך משעמם הסורק כדי ליישר את הראש. מקם את החלק העליון של סליל הראש. לאחר מכן, הכנס את המיקרופון ואת המראה בסליל המתאים תוספות.
החלק את המשתתף באיטיות לתוך בור הסורק תוך אחיזת הסיבים האופטיים. במחשב הסורק, בחר את הרצפים המבניים והפונקציונליים הרלוונטיים הדרושים למחקר. ודא את הלוקליזר למיקום נכון של הראש בתוך משעמם הסורק, וודא שהוא מספק כיסוי מלא מראש הראש ועד המוח הקטן.
ודא עם המשתתף שמסך המחשב גלוי דרך מראת סליל הראש והפעל את הסריקה המבנית הראשונית. נתוני fNIRS ברמת הנושא הראו הפעלה מוגברת באזורים דו-צדדיים של קליפת המוח הראייתית במהלך בלוקי לוח המשבצות המהבהבים בהשוואה לתקופות שבין הניסויים. עקבות זמן של פעילות מוחית הראו עלייה באות HBO במהלך הצגת לוח המשבצות המהבהב וירידה במהלך תקופות בין ניסויים.
הדמיה של נתוני HBO במהלך תקופת לוח המשבצות המהבהבת הראתה הפעלה דו-צדדית באזורי קליפת המוח הראייתית ברמת הנבדק הבודד. נתוני fMRI ברמת הנושא מראים תגובת אות מודגשת גדולה יותר בקליפת המוח הראייתית הראשונית והמשנית במהלך תקופות לוח הדמקה המהבהב ביחס לתקופות שבין הניסויים. ברמה התת-קליפתית, נצפתה הפעלה מוגברת בגרעין הגניקולאט הצידי של התלמוס. אחד האתגרים המרכזיים של הפרוטוקול שלנו הוא להבטיח שהמשתתף יוכל לנוח בנוחות בסורק, וזה ייקבע בעיקר על ידי סוג האופטודה שמגיעה עם מערכת fNIRS.
ניתן להתאים את הפרוטוקול לאיסוף נתונים מאזורי עניין ספציפיים וממגוון פרדיגמות ניסיוניות. אנו מספקים גם הצעות ספציפיות כיצד להשתמש בפרוטוקול עם אוכלוסיות קליניות והתפתחותיות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג פרוטוקול חדש לאיסוף סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS, המאפשר יישור משופר של נתונים החיוני להדמיה עצבית. המתודולוגיה נבחנה בקרב מבוגרים צעירים ומטרתה להיות ניתנת להתאמה לשימוש באוכלוסיות קליניות והתפתחותיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דימות עצבי
- טכניקות לדימות עצבי תפקודי
- מדעי המוח הקליניים
רקע
- fMRI נחשב לסטנדרט הזהב בדימות מוחי, ומספק תובנות לגבי מבנים עמוקים יותר במוח.
- fNIRS היא טכניקה מתפתחת שיכולה למדוד פעילות מוחית, אם כי עם מגבלות מבחינת העומק.
- ניסיונות קודמים כללו מפגשים נפרדים עבור fMRI ו-fNIRS, דבר שעלול להשפיע על תגובת המשתתפים.
- הקלטות סימולטניות שואפות לשפר את פירוש הנתונים, במיוחד באוכלוסיות מיוחדות.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה לאיסוף סימולטני של נתוני fNIRS ו-fMRI.
- אספקת פרוטוקול מהימן הניתן להתאמה לאוכלוסיות מגוונות, כולל כאלו עם ליקויים נוירו-פסיכולוגיים.
- שיפור הביטחון בפרשנות של אותות fNIRS באמצעות התאמה לתוצאות fMRI.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- המחקר השתמש בטכנולוגיית fMRI ו-fNIRS בו-זמנית כדי לאסוף נתוני דימות מוחי.
- פרטים מרכזיים כללו את הכשרת המשתתפים, התאמת הכובע והצמדה מאובטחת של האופטודים עבור fNIRS.
- המשתתפים עברו הליך סריקה שכלל הגדרה ויישור מדויקים כדי להבטיח נוחות.
- בוצע מידול תלת-ממדי של הראש כדי למקם את האופטודים באופן מדויק לפני הדימות.
תוצאות עיקריות
- ממצאים ראשוניים הצביעו על עלייה בהפעלה באזורי קליפת המוח החזותית הדו-צדדית במהלך משימות חזותיות ספציפיות.
- נתוני fNIRS הראו עלייה משמעותית באות ה-HBO בתגובה לגירויים, דבר המדגים את יעילות השיטה.
- הפרוטוקול נמצא מבטיח למחקרים עתידיים עם משתתפים במחקרים קליניים והתפתחותיים.
- המתודולוגיה מאפשרת איסוף מהימן של נתוני הדמיה עצבית ממשתתפים שעשויות להיות להם רמות נוחות משתנות עם ציוד fMRI.
מסקנות
- הפרוטוקול שפותח מדגים את ההיתכנות של איסוף נתוני fMRI ו-fNIRS בו-זמנית.
- סנכרון האותים משתי טכניקות הדמיה עצבית אלו משפר את ההבנה של הדינמיקה העצבית.
- לעבודה זו יש השלכות משמעותיות למחקר על רשתות עצביות באוכלוסיות מיוחדות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
רכישה סימולטנית של נתוני fMRI ו-fNIRS של הראש כולו מאפשרת תיקוף כמותי ישיר של אותות fNIRS אל מול תקן הזהב של fMRI, ובכך היא נותנת מענה לצורך קריטי בדימות מוחי חסון וניתן להרחבה במחקרים תרגומיים והתפתחותיים. פרוטוקול זה תומך בביטחון חיזוי במיפוי מוחי תפקודי, ומקל על אימוץ מערכות fNIRS ניידות עבור יישומים רחבים יותר של מו"פ ויישומים קליניים. גישה זו מחזקת החלטות לגבי תיקי פרויקטים על ידי אפשור השוואה קפדנית בין מודליות והפחתת סיכונים של סממנים ביולוגיים של דימות מוחי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר השוואה ישירה בין אותות fNIRS ל-fMRI לצורך תיקוף של מטרות תפקודיות במחקרי דימות מוחי.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית על ידי התאמת פלטי fNIRS ניידים למדדי ייחוס מבוססים של fMRI.
- מסייע בבדיקת היפותזות במערכות רלוונטיות למחלות, במיוחד עבור אוכלוסיות קליניות והתפתחותיות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק קריאות כמותיות ומאומתות של הפעלה תפקודית של המוח באמצעות מערכי אופטודים של ראש שלם.
- משפר את השחזוריות של הבדיקה על ידי שילוב ערוצים למרחקים קצרים לצורך ביטול (regress) של אותות פיזיולוגיים שאינם קורטיקליים.
- מאפשר סטנדרטיזציה של פרוטוקולי דימות מוחי לסריקה ניתנת להרחבה (scalable) על פני קבוצות נבדקים מגוונות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מסנכרן תוצרי fNIRS עם fMRI כדי לתמוך בפיתוח ביומרקרים תרגומיים לאורך מעגל החיים.
- מבטיח רצף משלב גילוי של הדמיה מוחית ועד לתיקוף פרה-קליני באוכלוסיות מיוחדות.
- מפחית את הסיכון התרגומי על ידי אספקת נתונים כמותיים ומאומתים באופן צולב של קישוריות תפקודית.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פרוטוקול זה מגשר בין שלבי הגילוי המוקדמים למחקר תרגומי על ידי מתן אפשרות לדימות מוחי כמותי בו-זמני באמצעות fMRI ו-fNIRS, ובכך הוא תומך בתהליכי זיהוי מובילים (lead identification) ותיקוף של סמנים ביולוגיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקה קפדנית של היפותזות ובבירור מסלולים באמצעות התאמת אותות בין מודליות שונות.
- סריקה: מספקת מפות הפעלה כמותיות הניתנות לשחזור, המתאימות להערכה של תרכובות או התערבויות בשלבים הבאים.
- אנליטיקה: מספקת מדידות מסונכרנות וכמותיות של משתנים תלויים לצורך השוואה סטטיסטית חסונה.
- מחקר תרגומי: מקלה על התאמת סממנים ביולוגיים והמשכיות בין מבוגרים בריאים לקבוצות קליניות והתפתחותיות.
- שימוש חוזר ברמה ארגונית: קובעת פרוטוקול הניתן לשימוש חוזר ולהתאמה עבור מחקרי דימות מוחי רב-אתריים ורב-אוכלוסיים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של סמנים ביולוגיים בדימות מוחי.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של איסוף וניתוח נתונים בין מודליות ואוכלוסיות שונות.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות משופרת לגבי המשך או הפסקה (go/no-go) של תוכניות המבוססות על דימות מוחי ומפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם-סיכון של נכסי דימות מוחי והשקעות במחקר תרגומי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות הן במיכשור והן בניתוח נתונים של fMRI ו-fNIRS.
- מחייב חומרה של fNIRS התואמת ל-MR ושיטות חזקות של רישום משותף (co-registration) של האופטודים אל הקרקפת.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית לאספירת נתונים, רגרסיה של אותות פיזיולוגיים ונוחות הנבדק.
- ניתן להתאמה לאוכלוסיות התפתחותיות וקליניות באמצעות שינויים בפרוטוקול למען נוחות והסכמה.
- משך המפגש וסבילות המשתתפים עשויים להגביל את תפוקת המדגם בקבוצות מסוימות.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:49
fNIRS Cap Placement and Signal Calibration on Testing Day
4:50
Participant Setup
6:17
Scanner and fNIRS Equipment Setup Prior to Signal Recording
6:48
Results: Subject‐Specific Responses for the Flashing Checkerboard Task for fMRI and fNIRS Signals
7:49
Conclusion
