Raccolta simultanea di dati di fMRI e fNIRS utilizzando un array di optodi a testa intera e canali a breve distanza

Presentiamo un metodo per la raccolta simultanea di segnali fMRI e fNIRS dagli stessi soggetti con copertura fNIRS a testa intera. Il protocollo è stato testato con tre giovani adulti e può essere adattato per la raccolta di dati per studi sullo sviluppo e popolazioni cliniche.

Raccogliere simultaneamente il segnale fMRI e fNIRS dagli stessi soggetti è estremamente importante perché ci permette di allineare il segnale fNIRS con quello della fMRI, che è il gold standard nel neuroimaging. La fNIRS è una metodologia che è ancora in fase di sviluppo e non può raggiungere strutture cerebrali più profonde. Quindi le registrazioni fMRI ci danno una migliore comprensione del segnale fNIRS.

I precedenti tentativi di registrare i segnali fNIRS e fMRI dal cervello dello stesso partecipante richiedevano due sessioni di registrazione. Sfortunatamente, queste due sessioni significano che il partecipante ha visto e sentito ripetutamente gli stessi stimoli, il che può cambiare il modo in cui il cervello risponde. Sebbene nel protocollo, i segnali fMRI e fNIRS siano allineati solo negli adulti tipici, speriamo che l'attuale protocollo possa essere esteso anche per testare le popolazioni cliniche e dello sviluppo.

Ciò sarà particolarmente importante, ad esempio, quando si raccolgono dati da individui che potrebbero avere deficit neuropsicologici, poiché saremo in grado di interpretare il segnale fNIRS con la massima sicurezza. Riteniamo che queste registrazioni simultanee di fNIRS e fMRI saranno particolarmente importanti per comprendere le reti neurali nel cervello per popolazioni speciali e per i bambini. Non c'è dubbio che raccogliere simultaneamente i segnali fMRI e fNIRS sia impegnativo, ma lavoriamo attraverso tutti i passaggi e siamo fiduciosi che il nostro protocollo consentirà ad altri laboratori di raccogliere lo stesso tipo di dati.

Una delle sfide principali sarà probabilmente quella di garantire che il partecipante si senta a proprio agio nello scanner, soprattutto quando indossa un cappuccio fNIRS a testa intera. A dimostrare la procedura sarà Virginia Chambers, la responsabile del laboratorio del nostro laboratorio. Una volta che il partecipante ha firmato i moduli di consenso necessari e ricevuto le istruzioni per i compiti, indirizzalo a sedersi su una sedia nella sala di controllo.

Avvolgi un metro morbido intorno alla fronte. Spostati nella parte più larga sul retro e torna al punto di partenza. Scegliere il capovolgimento fNIRS più vicino alla circonferenza misurata.

Afferrare saldamente e far scorrere la base delle sonde del rivelatore a breve distanza attorno alla parte del passacavo che passa attraverso la rete del cappuccio fNIRS. Assicurarsi che il cavo del rilevatore a breve distanza sia rivolto verso la parte posteriore del cappuccio per un'area del viso libera. Successivamente, chiedi al partecipante di far scorrere il berretto verso il basso dalla sommità della testa in un modo simile a quello di indossare un cappello invernale e di stringere il sottogola in misura confortevole.

Allacciare le cinghie posteriori. Verificare che il cappuccio sia fissato saldamente e che le prese dell'optoide siano ben salde contro la testa. Quindi posizionare adesivi verdi per contrassegnare le posizioni fiduciarie chiave in conformità con le posizioni del sistema 10/20.

Usa un metro a nastro per allineare i punti del cuoio capelluto simmetricamente con i punti sul cappuccio. Garantire la stessa distanza dal punto CZ al punto pre-auricolare, inionico e nasionico. Chiedi al partecipante di rimanere fermo per creare un modello 3D della sua testa.

Quindi avvia l'applicazione della struttura su un tablet o iPad. Assicurati che il colore ad alta risoluzione, l'esposizione automatica a infrarossi e le funzioni migliorate del tracker siano disattivate. Ora posiziona il partecipante centralmente, assicurandoti che l'intera testa si adatti al quadrato 3D sullo schermo e che le sue spalle siano minimamente visibili nell'inquadratura.

Cammina intorno al soggetto per scansionare la forma della testa e gli optodi con lo scanner 3D. Una volta completata l'intera scansione, premere il pulsante sul lato destro dello schermo per avviare il rendering 3D. Verifica la chiarezza e il livello di dettaglio del rendering per garantire un posizionamento accurato degli optodi e degli adesivi fiduciali verdi.

Per motivi di sicurezza e privacy, salva la scansione 3D su un server protetto HIPAA. Una volta completato il modello 3D, rimuovi gli adesivi verdi e chiedi al partecipante di inserire i tappi per le orecchie nelle orecchie. Nella sala di scansione, assicurarsi che la bobina della testa a 20 canali sia posizionata nello scanner.

Posizionare un cuscino di schiuma all'interno della parte inferiore della bobina della testa per risonanza magnetica per sostenere la parte superiore della testa del partecipante. Chiedere al partecipante di sedersi comodamente sul tavolo dello scanner. Tenendo fermo l'occhiello dell'optode con una mano, utilizzare un applicatore sicuro per la risonanza magnetica per pulire i capelli dal centro dell'occhiello.

Quindi applicare una pressione decisa per fissare l'ostopide nell'anello di tenuta. Chiedi al partecipante di sdraiarsi lentamente e con attenzione. Regolare i fasci di fibre ottiche per garantire che la testa del partecipante poggi comodamente all'interno della bobina della testa.

A seconda della posizione dei cavi dalla guida d'onda, sollevare il tavolo dello scanner. Posizionare un morbido cuscino sotto le gambe del partecipante per garantire il massimo comfort. Avvolgere la cintura respiratoria intorno alla vita del partecipante.

Istruire il partecipante a indossare cuffie con cancellazione del rumore, assicurandosi che non interferiscano con il posizionamento della sonda fNIRS. Posizionare il pulsossimetro sul dito indice sinistro del soggetto. Nel caso in cui venga utilizzata una pulsantiera per i compiti sperimentali, istruire il soggetto a tenerla con la mano dominante.

Fornisci istruzioni chiare su come utilizzare la pulsantiera. Posiziona la sfera di compressione o l'allarme del pulsante sulla mano non dominante del soggetto e istruisci il partecipante su come usarlo. Testare l'allarme chiedendo al partecipante di premerlo.

Far scorrere il partecipante di alcuni centimetri nel foro dello scanner per allineare la testa. Posizionare la parte superiore della bobina della testa. Quindi, inserire il microfono e lo specchio negli inserti della bobina corrispondenti.

Far scorrere lentamente il partecipante nel foro dello scanner tenendo le fibre ottiche. Sul computer dello scanner, scegliere le sequenze strutturali e funzionali pertinenti richieste per lo studio. Verificare il corretto posizionamento della testina all'interno del foro dello scanner, assicurandosi che fornisca una copertura completa dalla parte superiore della testa al cervelletto.

Confermare con il partecipante che lo schermo del computer è visibile tramite lo specchio della bobina di testa ed eseguire la scansione strutturale iniziale. I dati fNIRS a livello di soggetto hanno mostrato una maggiore attivazione nelle aree bilaterali della corteccia visiva durante i blocchi a scacchiera lampeggianti rispetto ai periodi inter-trial. Le tracce temporali dell'attività cerebrale hanno mostrato un aumento del segnale HBO durante la presentazione della scacchiera lampeggiante e una diminuzione durante i periodi inter-trial.

La visualizzazione dei dati HBO durante il periodo di lampeggiamento a scacchiera ha mostrato un'attivazione bilaterale nelle aree della corteccia visiva a livello di singolo soggetto. I dati fMRI a livello di soggetto mostrano una maggiore risposta del segnale audace nella corteccia visiva primaria e secondaria durante i periodi a scacchiera lampeggiante rispetto ai periodi inter-prova A livello sottocorticale, si osserva una maggiore attivazione nel nucleo genicolato laterale del talamo. Una delle sfide principali del nostro protocollo è garantire che il partecipante possa riposare comodamente nello scanner, e questo sarà determinato principalmente dal tipo di optodo fornito con il sistema fNIRS.

Il protocollo può essere adattato per raccogliere dati da specifiche regioni di interesse e attraverso una varietà di paradigmi sperimentali. Forniamo anche suggerimenti specifici su come utilizzare il protocollo con le popolazioni cliniche e dello sviluppo.