Esplorare le funzioni cognitive in neonati, bambini e adulti con Near Infrared Spectroscopy

La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, o F nears, è un metodo per misurare la risposta emodinamica associata all'attività neurale nel cervello, utilizzando coppie di sorgenti e detector laser nel vicino infrarosso, o optodi, posizionati sulla testa del partecipante. Quando i neuroni in una specifica regione cerebrale aumentano la loro attività, aumenta anche il consumo di ossigeno. Di conseguenza, ciò promuove un incremento del flusso sanguigno nella regione cerebrale attiva.

Dato che il sangue ossigenato e quello deossigenato presentano diverse proprietà di assorbimento ottico, gli optodi posizionati all'esterno del cranio possono monitorare queste variazioni sottili. Tali variazioni sono correlate all'attività cerebrale sottostante e il percorso dei fotoni tra la coppia sorgente-rivelatore assume una forma a banana. Maggiore è la vicinanza tra sorgente e rivelatore, migliore sarà la risoluzione spaziale; maggiore è la distanza tra loro, maggiore sarà la profondità di penetrazione.

Ciao, sono Yuli Coman del laboratorio di Neuroscienze Cognitive di Dr. Laura e Petito sulla Neuroimmagine Cerebrale degli Infermieri e del laboratorio di Gene sul bilinguismo linguistico e lo sviluppo infantile presso il Dipartimento di Psicologia dell'Università di Toronto. E salve, sono la dottoressa Laura Ann Petito. Oggi, la dottoressa Lauren Petito, Mark Linsky, Melody Barens e io illustreremo collettivamente il metodo per l'acquisizione e l'analisi dei dati mediante spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso.

Utilizziamo questa procedura nel nostro laboratorio per studiare lo sviluppo del linguaggio e del cervello nei bambini e negli adulti. Cominciamo dunque. Prima dell'arrivo del partecipante, preparare la stanza che verrà utilizzata per lo studio.

Rimuovere articoli non necessari che potrebbero distrarre il partecipante. Quando la stanza è pronta, configurare e caricare il protocollo sperimentale sul sistema FNs Hitachi ETG-4000 come nella FMRI. Questo sistema FNS valuta la risposta emodinamica.

Cioè, valuta il flusso sanguigno verso le regioni cerebrali attivamente coinvolte nel compito in corso. L'F N'S presenta molti vantaggi rispetto alla FMRI. Ad esempio, è silenzioso, portatile e non richiede il confinamento in un tubo stretto.

È importante notare che il sistema ci permette di osservare neonati e bambini piccoli svegli e durante l'attività comportamentale. La risoluzione temporale di F N è paragonabile a quella della FMRI e la frequenza di campionamento è molto maggiore. L'Hitachi ETG 4,000 campiona a 10 hertz.

Pertanto, una frequenza di campionamento vicina è ottimale per misurare l'attività cerebrale attraverso la risposta emodinamica. I paradigmi sperimentali possono essere programmati con diversi software di presentazione, ma in questo studio utilizzeremo ePrime. Poiché la tempistica è fondamentale per l'analisi dei dati, il paradigma sperimentale deve essere temporizzato in modo perfetto.

Con la raccolta dei dati, il sistema Hitachi ETG 4,000 dell'infermiera EF possiede funzionalità di attivazione, che consentono al paradigma sperimentale di avviare la raccolta dati o viceversa. Qui illustreremo l'attivazione tramite porta parallela. L'attivazione può essere effettuata anche utilizzando porte seriali o USB per testare l'attivazione del programma di presentazione da parte del sistema F Ners Hitachi ETG 4,000.

Dopo aver effettuato il test, si è pronti per l'arrivo del partecipante. Prima che l'esperimento possa iniziare, il partecipante, un genitore o un tutore legale devono firmare un modulo di consenso. Successivamente viene somministrato un test di valutazione linguistica.

Dopo aver firmato il modulo di consenso, il partecipante viene fatto sedere vicino al sistema di test F NS. La posizione del partecipante è fondamentale per standardizzare il protocollo di registrazione di F Ns. Per consentire un'interpretazione coerente dei dati, la posizione ottimale prevede che l'adulto o il bambino più grande sia seduto comodamente su una sedia.

I neonati e i bambini piccoli devono essere fatti sedere in grembo alla madre. Una volta posizionati, la sessione può proseguire con il posizionamento degli optodi. Un posizionamento accurato degli optodi è importante tanto quanto il posizionamento del partecipante per standardizzare il protocollo di registrazione della F Ns.

Per ottenere un posizionamento neuroanatomico accurato delle sonde e confermare le regioni di interesse, utilizziamo il sistema internazionale 10-20 per il posizionamento degli elettrodi; illustreremo la procedura per l'adulto. La stessa procedura si applica a tutte le età, neonati, bambini e adulti. Per iniziare, effettuare le seguenti misurazioni della testa con un metro a nastro e registrarle sul foglio dati del partecipante.

Per prima cosa, misurare e registrare la distanza da Nain a Indian intorno alla testa, quindi misurare e registrare la distanza da Nain a Indian lungo la parte superiore. Successivamente, misurare e registrare la distanza da orecchio a orecchio lungo la parte superiore; il nastro chirurgico può essere utilizzato per segnare posizioni bersaglio specifiche. In questo esperimento, segneremo le posizioni FPz, T3, T4 e F8-F7.

Infine, gli array ottici vengono posizionati sulla testa del partecipante con specifici optodi ancorati ai punti 10-20 secondo le esigenze dell'esperimento, come ora indicato dal posizionamento del nastro chirurgico. Assicurarsi che le fibre ottiche pendano liberamente senza entrare in contatto con il corpo del partecipante o con la sedia. Quando si lavora con bambini e neonati, si consiglia di far guardare un cartone animato e di avere una persona aggiuntiva per intrattenere il bambino.

Durante la procedura di posizionamento della sonda, assicurarsi di scattare foto digitali delle posizioni della sonda per una successiva verifica, al fine di confermare la localizzazione stereotassica della berretta della sonda sul cranio del partecipante; le informazioni di tracciamento 3D vengono ottenute mediante un sistema Polyus Fast Trak. Queste informazioni vengono poi sovrapposte a una scansione di co-registrazione anatomica con risonanza magnetica del partecipante, eseguita posizionando capsule di vitamina E in corrispondenza di ciascuna posizione della sonda. Una volta posizionati gli optodi sul cuoio capelluto del partecipante, viene verificata la qualità del segnale.

Se un opto non presenta un segnale chiaro, ad esempio delle linee piatte indicheranno che gli opto non sono correttamente connessi. Rimuovere delicatamente i peli dalla zona di connessione tra l'opto e il cuoio capelluto. A volte, potrebbe essere necessario pulire gli opto con un tampone alcolico.

Dopo aver verificato che tutti gli opto presentino segnali chiari, inizia l'esperimento. Devono essere presenti almeno due sperimentatori durante i test.

Uno, per osservare l'indicazione in tempo reale della F vicina del Hitachi ETG 4,000 e l'altro. Per osservare il partecipante, si raccomanda vivamente di utilizzare una videocamera puntata sul partecipante per osservazioni successive alla sessione. In questo esperimento, sentirai i suoni ba da.

Quindi, ogni volta che sentite da, vorrei che premeteste questo pulsante con il dito indice. Ba BB da BB. Okay. Fissate lo schermo e vedrete delle parole.

Alcuni saranno parole reali e altri saranno parole inventate, e tutto ciò che devi fare è leggere le parole che vedi. Va bene? Ok. Bene. Ora inizio Quando Zero via ombra freddo. Un F vicino allo studio può impiegare paradigmi sperimentali visivi o uditivi.

Il sistema è completamente silenzioso ed è quindi perfettamente adatto per esperimenti uditivi. I partecipanti devono mantenere immobili la testa e il tronco, il che non impedisce loro di fornire una risposta verbale o manuale. Una volta raccolti tutti i dati, gli optodi vengono rimossi dal partecipante.

Il partecipante viene ringraziato per il tempo dedicato e per la disponibilità a partecipare e lascia il laboratorio. I dati raccolti dal Hitachi ETG 4,000 vengono esportati su un altro computer per l'analisi. Il Hitachi ETG 4,000 misura la diffusione e l'assorbimento della luce infrarossa vicina, in base ai quali vengono calcolate le variazioni di concentrazione di emoglobina ossigenata e deossigenata come indicatori dell'attività neurale.

Pertanto, i valori grezzi di attenuazione misurati in microvolt devono essere convertiti in valori di emoglobina ossigenata e deossigenata. Utilizzando l'equazione modificata di Beer-Lambert, si rimanda al nostro protocollo scritto per spiegazioni dettagliate su come vengono impiegate queste equazioni. Una risposta emodinamica tipica produce diverse caratteristiche distinte nella risposta dell'emoglobina ossigenata.

Innanzitutto, si osserva un calo caratteristico. Questo calo si verifica quando una regione di neuroni si attiva e impoverisce l'ossigeno disponibile mentre il flusso sanguigno aumenta, trasportando emoglobina ossigenata; la risposta dell'ossiemoglobina aumenta rapidamente oltre i livelli iniziali di base fino a raggiungere un livello stazionario. Quando la regione non è più attivata, la risposta dell'ossiemoglobina decresce nei successivi 12-15 secondi e torna lentamente ai livelli di base.

Si verifica occasionalmente un'oscillazione negativa prima che la risposta emodinamica ritorni ai livelli iniziali di base. Al contrario, risultati atipici o non validi sono solitamente dovuti a ODS non correttamente posizionati sul cuoio capelluto o a movimenti eccessivi. Le risposte di ossiemoglobina e deossiemoglobina si muovono in modo coordinato.

Questo viene dimostrato agitando le fibre ottiche. Vi abbiamo appena mostrato come utilizzare la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso per studiare lo sviluppo del linguaggio nei bambini e negli adulti. Un metodo sviluppato qui all'Università di Toronto dalla dottoressa Lauren Petito e dal suo team di ricerca.

Quando si esegue questa procedura, è importante ricordare quattro cose. Primo, assicurarsi che la stanza sia pulita e ordinata, per non distrarre i partecipanti. Secondo, verificare che il sistema informatico funzioni correttamente prima dell'arrivo del partecipante.

Punto tre, assicurarsi che gli elettrodi siano posizionati correttamente utilizzando il sistema 10-20. E punto quattro, esplorare gli artefatti del segnale e analizzare correttamente i dati. Se utilizzato correttamente, il sistema NER permetterà di svelare i segreti del cervello umano.

Se ha domande, non esiti a contattarmi. Laura am Petito presso l'Università di Toronto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i suoi esperimenti.