Name: 全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T14:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 19 s
Description: 学ぶ、fMRIとfNIRSの同時測定プロトコル。全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いて神経イメージングデータを収集し、臨床・発達集団への応用可能性を示す方法です。

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この記事の掲載料はNIRxが後援しています。著者は他に開示するものは何もありません。

fMRIとfNIRS信号を同時にデータ収集するためのこのプロトコルは、全身の非皮質生理学的信号を測定および退回させるために、全頭部fNIRSオプトードアレイと短距離チャネルを使用します。このプロトコルの重要なステップには、MRI環境でfNIRS信号を収集するためのfNIRS装置の変更と開発が含まれます。私たちの知る限り、全頭fNIRSアレイを使用してfMRIとfNIRSの同時測定値を取得するために完全に最適化されたターンキーの商用システムはありません。現在のプロトコルは、このギャップに対処し、2つのシグナルの全頭比較に関心のある研究者に特に関連しますが、特定の関心領域を調査する研究では簡単に変更できます。
このプロトコルでは、ビタミンEカプセルを保管するためのインサートを備えたfNIRSキャップの準備、前頭部の快適性と後頭部の調整機能を向上させるためのキャップの改良、fNIRS光ファイバーをスキャナーテーブルに持ってくるためのカスタムメイドのMRセーフブリッジなど、fNIRS機器の主な変更について詳細に説明しています。fMRI/fNIRSの同時研究を実施する際の重要な課題の1つは、...

認知機能は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を介して成人の脳で30年近く研究されてきました。fMRIは高い空間分解能と機能的および構造的画像の両方を提供しますが、自然主義的な文脈で実施される研究や、乳児や臨床集団での使用には実用的ではないことがよくあります。これらの制約は、脳機能の理解を実質的に制限します。fMRIの代替法は、機能的近赤外分光法(fNIRS)1,2,3など、より費用対効果が高く、動きに対して堅牢なポータブル手法を使用することです。fNIRSは、言語発達、社会的に関連性のある情報の処理、物体処理など、さまざまな認知領域にわたる脳機能を評価するために乳幼児に使用されています4,5,6。fNIRSは、7、8、9歳にわたって繰り返し検査とモニタリングを行う可能性があるため、臨床集団の検査に特に適した神経画像モダリティでもあります。その幅広い適用性にもかかわらず、同じ被験者から同時に収集されたfMRI信号とfNIRS信号を頭全体を対象として定量的に比較した研究はありません。この比較は、fMRIゴールドスタンダードに照らして、領域レベルの活性化と関心領域(ROI)間の機能的接続性を包括的に検証するために必要です。さらに、このモダリティ間の対応関係を確立することは、fNIRSが典型的および非定型的発達の両方で収集された唯一のシグナルである場合に、fNIRSの解釈を強化する可能性を秘めています。
fMRIとfNIRSの信号はどちらも、脳の機能的活性化中の脳血中酸素化(CBO)の変化を検出します10,11。fMRIは電磁場の変化に依存し、CBOの変化の高い空間分解能を提供する12。対照的に、fNIRSは、一連の発光および光検出オプトードを使用して近赤外光の吸収レベルを測定します2。fNIRSは異なる波長での吸収の変化を測定するため、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの両方の濃度変化を評価することができます。少数のオプトードでfMRI信号とfNIRS信号の同時記録を用いた先行研究により、2つの信号は高い空間的および時間的対応関係を有することが示されている10。血中酸素濃度依存性(BOLD)fMRIと光学的測定値11,13の間には強い相関関係があり、fNIRSとfMRIの血行動態応答関数(HRF)の時間的ダイナミクスを比較した先行研究で報告されているように、デオキシヘモグロビンはBOLD応答と最も高い相関を示しています14。これらの初期の研究では、運動反応パラダイム(すなわち、指のタッピング)を実装し、一次運動野と運動前皮質領域をカバーする限られた数のオプトードを使用していました。過去10年間で、研究は焦点を拡大し、認知タスクと安静状態のセッションのより大きなバッテリーを含むようになりましたが、特定のROIをカバーする限られた数のオプトードを依然として使用しています。これらの研究は、fNIRS/fMRI相関の変動性が頭皮および脳からの光学管の距離に依存することを示した15。さらに、fNIRSは、fMRI16,17に匹敵する安静時の機能的接続測定を提供することができます。
現在のプロトコルは、以前の研究に基づいて構築されており、i) 全頭部 fNIRS カバレッジの提供、ii) 非皮質生理学的信号の回帰のための短距離測定を含む、iii) fNIRS 測定のオプトードから頭皮への同時登録のための 2 つの異なる方法の実装、および iv) 2 つの独立したセッションにわたる信号のテストと再テストの信頼性の評価を可能にします。fMRI信号とfNIRS信号を同時にデータ収集するためのこのプロトコルは、当初、若年成人の検査用に開発されました。しかし、この研究の目標の1つは、fMRI/fNIRS信号を同時に収集し、その後、発生集団の検査に応用できる実験装置を作成することでした。したがって、現在のプロトコルは、幼児をテストするためのプロトコルを開発するための出発点としても使用できます。このプロトコルは、全身のfNIRSカバレッジの使用に加えて、全身の生理学的信号(すなわち、血圧、呼吸器、心臓信号などの非皮質ソースから生じる血管の変化)を測定するための短距離チャネルを含めるなど、fNIRSハードウェアの分野における最近の進歩を組み込むことも目的としています18,19。オプトードと頭皮の共登録のための3D構造センサーの使用20。現在のプロトコルの焦点は、視覚的に点滅するチェッカーボードタスクの結果にありますが、実験全体には、従来のブロックタスク設計、安静状態セッション、および自然主義的な映画鑑賞パラダイムを組み合わせた2つのセッションが含まれています。
このプロトコルでは、キャップの設計、トリガー同期による時間的アライメント、データ収集開始前に必要なファントムテストなど、fNIRS装置をMRI環境で使用するために適応させるために必要な手順を説明しています。前述したように、ここでは点滅するチェッカーボードタスクの結果に焦点を当てていますが、全体的な手順はタスク固有ではなく、任意の数の実験パラダイムに適している可能性があります。このプロトコルでは、fNIRSキャップの配置とシグナルのキャリブレーション、参加者と実験装置のセットアップ、実験後のクリーンアップとデータの保存など、データ収集中に必要な手順をさらに概説しています。プロトコルの最後には、fNIRSおよびfMRIデータの前処理に特化した分析パイプラインの概要を示します。

<table><tbody><tr><td>NIRsキャップ用280ロープロファイルMRI対応グロメット</td><td>NIRx</td><td>GRM-LOP</td><td></td></tr><tr><td>4 128ポジションNIRSキャップ、10-5レイアウトの128x未実装スリット付き</td><td>NIRx</td><td>CP-128-128S</td><td>サイズ:52、54、56、60</td></tr><tr><td>ロープロファイルチップ付き4x検出器ファイバーの8束。MRI、MEG、TMSに対応。</td><td>NIRx</td><td>DET-FBO- LOW</td><td>長さ10m</td></tr>、<tr><td>MRI対応の薄型チップ付き4倍レーザーソースファイバー8束</td><td>NIRx</td><td>SRC-FBO- LAS-LOW</td><td>長さ10m、薄型</td></tr><tr><td>グロメットに適合する特殊なリンググロメットを備えた8つの短チャンネル検出器のバンドルセット</td><td>NIRx</td><td>DET-SHRT-SET</td><td>1つの検出器を8つの短いチャンネルに分割し、1つのNIRSキャップ上のどこにでも配置できます</td></tr><tr><td>Magnetom 3T PRISMA</td><td>Siemens</td><td>N/A</td><td>128チャネル容量、64/32/20チャネルヘッドコイル、80 mT/m最大勾配振幅、200 T/m/sスルーレート、フルニューロシーケンス</td></tr><tr><td>NIRScout XP コアシステムユニット</td><td>NIRx</td><td>NSXP-CHS</td><td>最大64x Laser-2(または32x laser-4)イルミネーターまたは64 LED-2イルミネーター、最大32x検出器、タンデム(マルチシステム)およびハイパースキャン(マルチサブジェクト)測定が可能、EEGと互換性あり、 tDCS、アイトラッキング、およびその他のモダリティ。fMRI、TMS、MEG互換性</td></tr><tr><td>NIRStarソフトウェアNIRx</td><td></td><td>のN/A</td><td>バージョン15.3</td></tr><tr><td>NIRxパラレルポートリプリケータ</td><td>NIRx</td><td>のACC-LPT-REP</td><td>パラレルPROTリプリケータ&nbsp;3つのコンポーネントが付属しています:パラレルポートリプリケータボックス、USB電源ケーブル、BNCアダプタ</td></tr><tr><td>生理学的パルスユニット</td><td>シーメン</td>ス<td>PPU098</td><td>光プレチスモグラフィーの獲得を可能にする心臓のリズム。</td></tr><tr><td>呼吸ユニット</td><td>Siemens</td><td>PERU098&nbsp;</td><td>呼吸振幅の取得を目的としたユニット(空気圧システムと拘束ベルトを使用)。</td></tr><tr><td>構造センサー Mark II</td><td>Occipital</td><td>101866 (SN)</td><td>オプトデジタイズ用の3D構造センサー。</td></tr></tbody></table>

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfmriとfnirsの同時測定データ収集

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

機能的近赤外分光法(fNIRS)は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)よりも動きに強く、費用対効果の高いポータブルニューロイメージング手法であるため、脳機能の自然主義的な研究の実施や、発達および臨床集団での使用に非常に適しています。fNIRSとfMRIの両手法は、脳の機能的活性化における脳血中酸素化の変化を検出するものであり、先行研究により、2つの信号の間に高い空間的および時間的対応があることが示されている。ただし、同じ被験者から同時に収集された 2 つの信号を全頭 fNIRS カバレッジで定量的に比較することはできません。この比較は、fMRIのゴールドスタンダードに照らしてエリアレベルの活性化と機能的接続性を包括的に検証するために必要であり、寿命全体にわたって2つの信号の比較を容易にする可能性があります。我々は、fMRIとfNIRS信号の同時データ収集のためのプロトコルを記述することによって、このギャップに対処します:i)全頭部fNIRSカバレッジを提供します。ii)非皮質の全身性生理学的信号の退行のための短距離測定を含む。iii)fNIRS測定のオプトードと頭皮の同時登録のための2つの異なる方法を実装します。3人の被験者のfMRIおよびfNIRSデータが提示され、発生集団および臨床集団の検査にプロトコルを適応させるための推奨事項が議論されます。成人の現在のセットアップでは、機能スキャンと構造スキャンの両方を含む平均約40分のスキャンセッションが可能です。このプロトコルでは、磁気共鳴(MR)環境で使用するためにfNIRS機器を適応させるために必要な手順を概説し、データ記録とオプトードと頭皮の同時登録の両方に関する推奨事項を提供し、利用可能なMRセーフfNIRSシステムの仕様に適合するようにプロトコルを変更する可能性について説明します。点滅チェッカーボードタスクからの代表的な被験者固有の応答は、MR環境における全頭部fNIRS信号を測定するためのプロトコルの実現可能性を示しています。このプロトコルは、生涯にわたってfMRIに対するfNIRS信号の検証に関心のある研究者に特に関連します。

このセクションでは、fMRI信号とfNIRS信号の両方について、チェッカーボードの点滅タスクに対する代表的な被験者固有の応答を示します。まず、MRI環境でfNIRS信号を測定するための実験セットアップの実現可能性を示すために、代表的な生のfNIRSデータと品質評価を図6と図7に示します。頭部オプトードアレイ全体と感度プロファイルの図を図8に示します。 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65088/65088fig06.jpg"> 図6.バンドパスフィルタリングと表面信号回帰後の代表的なfN...

本稿では、全頭fNIRSカバレッジで同一被験者からfMRI信号とfNIRS信号を同時に収集する方法を提示する。このプロトコルは、3人の若年成人でテストされており、発達研究や臨床集団のデータ収集に適応させることができます。

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

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

同じ被験者からfMRI信号とfNIRS信号を同時に収集することは、神経イメージングのゴールドスタンダードであるfMRIの信号とfNIRS信号を一致させることができるため、非常に重要です。fNIRSはまだ発展途上の方法論であり、脳の深部構造に到達することはできません。したがって、fMRI記録により、fNIRS信号をよりよく理解できます。同じ参加者の脳からのfNIRS信号とfMRI信号を記録する以前の試みでは、2回の記録セッションが必要でした。残念なことに、この2つのセッションは、参加者が同じ刺激を繰り返し見聞きしていることを意味し、脳の反応の仕方を変える可能性があります。プロトコルでは、fMRIとfNIRSの信号は典型的な成人でのみ整列していますが、現在のプロトコルを臨床および発達集団の検査にも拡張できることを願っています。これは、たとえば、神経心理学的欠損の可能性のある個人からデータを収集する場合、fNIRS信号を最高の信頼度で解釈できるため、特に重要になります。fNIRSとfMRIの同時記録は、特別な集団や子どもの脳内の神経ネットワークを理解する上で特に重要になると考えています。fMRI信号とfNIRS信号を同時に収集することが困難であることは間違いありませんが、私たちはすべてのステップに取り組んでおり、私たちのプロトコルにより、他のラボが同じタイプのデータを収集できるようになると確信しています。主な課題の1つは、特に頭全体のfNIRSキャップを着用している場合に、参加者がスキャナーで快適に過ごせるようにすることです。手順を実演するのは、私たちの研究室のラボマネージャーであるVirginia Chambersです。参加者が必要な同意書に署名し、タスクの指示を受け取ったら、コントロールルームの椅子に座るように指示します。額に柔らかい巻尺を巻き付けます。奥の一番広いところに移動して、スタート地点に戻ります。測定された円周に最も近いfNIRS転覆サイズを選択します。短距離検出器プローブのベースをしっかりとつかみ、fNIRSキャップのメッシュを通過するグロメットの部分の周りでスライドさせます。面がはっきりするように、短距離検出器ケーブルがキャップの裏側を向いていることを確認してください。次に、冬用帽子をかぶるように帽子を頭頂部から下にスライドさせ、あごひもを快適に締めてもらいます。バックストラップを締めます。キャップがしっかりと取り付けられ、オプトードソケットがヘッドにしっかりと固定されていることを確認します。次に、緑色のステッカーを貼って、10/20システムの位置に従って主要な基準位置をマークします。巻尺を使用して、頭皮のポイントをキャップのポイントと対称的に合わせます。CZ点から耳介前点、耳介前点、鼻腔点までの距離が等しいことを確認します。参加者に静止したままでいるように指示し、頭の3Dモデルを作成します。次に、タブレットまたは iPad で構造アプリケーションを起動します。高解像度カラー、赤外線自動露出、および改善されたトラッカー機能がオフになっていることを確認します。次に、参加者を中央に配置し、頭全体が画面上の 3D 正方形に収まるようにし、肩がフレーム内で最小限に見えるようにします。被写体の周りを歩き回り、3Dスキャナーで頭の形とオプトードをスキャンします。スキャン全体が完了したら、画面右側のボタンを押して3Dレンダリングを開始します。レンダリングの明瞭さと詳細レベルを検証して、オプトードと緑色の基準ステッカーが正確に配置されるようにします。安全性とプライバシー保護のため、3DスキャンをHIPAAで保護されたサーバーに保存します。3Dモデルが完成したら、緑色のステッカーをはがし、参加者に耳栓を耳に挿入するように促します。スキャンルームでは、20チャンネルのヘッドコイルがスキャナーに配置されていることを確認します。MRIヘッドコイルの下部の内側にフォーム枕を配置して、参加者の頭の上部を支えます。参加者にスキャナーテーブルに快適に座るように指示します。片手でオプトードグロメットを安定させながら、MRIセーフアプリケーターを使用してグロメットの中央から髪を取り除きます。次に、しっかりと圧力をかけて、オプトードをグロメットに固定します。参加者にゆっくりと慎重に横になるように指示します。参加者の頭がヘッドコイル内に快適に収まるように、光ファイバーの束を調整します。導波管からのケーブルの位置に応じて、スキャナーテーブルを持ち上げます。参加者の脚の下に柔らかいクッションを置いて、快適さを保証します。呼吸ベルトを参加者の腰に巻き付けます。参加者にノイズキャンセリングヘッドホンを着用するように指示し、fNIRSプローブの配置を妨げないことを確認します。パルスオキシメータを被験者の左手人差し指に置きます。ボタンボックスを実験課題に使用する場合は、被験者に利き手で持つように指示します。ボタンボックスの使用方法を明確に説明してください。スクイーズボールまたはボタンアラームを被験者の利き手ではない手に置き、参加者にその使い方を指示します。参加者にアラームを押すように依頼して、アラームをテストします。参加者をスキャナーの穴に数インチスライドさせて、ヘッドの位置を合わせます。ヘッドコイルの上部を配置します。次に、マイクとミラーを対応するコイルインサートに挿入します。参加者を光ファイバーを持ちながら、スキャナーの穴にゆっくりとスライドさせます。スキャナーのコンピュータで、研究に必要な適切な構造的および機能的シーケンスを選択します。ローカライザーがスキャナーボア内で頭部を適切に配置していることを確認し、頭のてっぺんから小脳まで完全にカバーされていることを確認します。ヘッドコイルミラーからコンピュータ画面が見えることを参加者に確認し、最初の構造スキャンを実行します。被験者レベルのfNIRSデータは、試験間期間と比較して、チェッカーボードブロックの点滅中に両側視覚野領域の活性化が増加したことを示しました。脳活動の時間的痕跡は、点滅するチェッカーボードの提示中にHBO信号が増加し、試験期間中に減少することを示しました。チェッカーボードの点滅期間中のHBOデータの視覚化は、個々の被験者レベルで視覚野領域の両側活性化を示しました。被験者レベルのfMRIデータは、試験間期間と比較して、点滅するチェッカーボード期間中の一次および二次視覚野でより大きな大胆な信号応答を示しています 皮質下レベルでは、視床の外側膝状核で活性化の増加が観察されます。私たちのプロトコルの重要な課題の1つは、参加者がスキャナーで快適に休めるようにすることであり、これは主にfNIRSシステムに付属するオプトードの種類によって決定されます。このプロトコルは、特定の関心領域から、さまざまな実験パラダイムにわたってデータを収集するように適合させることができます。また、臨床集団および発達集団でプロトコルを使用する方法についての具体的な提案も提供します。

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神経科学

我々は、神経活動と血中酸素レベル依存（BOLD）MRI信号との関係の調査のためのプラットフォームを提供し、齧歯類の脳における同時機能的磁気共鳴イメージングと電気生理学的記録法を開発した。...

齧歯類の脳における同時fMRIと電気生理学

私たちは、fNIRSを使用して自然主義的なタスク中に記録された機能的な脳活動とfMRI中に記録された活動を比較する方法を提示します。...

自然主義タスク中fNIRS計測のfMRIの検証

直立運動課題中の脳活動を監視することは、運動障害の神経源を調査する際に大きな価値があります。ここでは、機能的な近赤外分光法と、4種類の運動課題における筋肉および運動学的活動の継続的なモニタリングを組み合わせたプロトコルを実演します。...

運動課題中に同時キネマとEMGの監視と感覚運動の脳領域の機能的近赤外分光法

物理的な制約なしラボoutside脳の活動を監視する方法論的課題を提示。繊維のないが、ウェアラブル機能近赤外分光法（fNIRS）システムは、将来の生態記憶タスクの際の脳活動を測定するために使用しました。また、このシステムは、非実験室ベースの実験の間に脳活動を監視するために使用できることが実証されました。...

実世界認知課題における脳活動を監視するために繊維のない、ウェアラブルfNIRSを用いて

この議定書では、fNIRS hyperscanning...

機能的近赤外分光法による Hyperscanning 実験を実施

本プロトコルは、EEG および fNIRS の同時記録を実行する方法と、EEG と fNIRS...

フランカータスクによる同時脳波と機能的近赤外分光記録の実施

このプロトコルは、カスタムメイドの拡散相関分光法装置を用いて、ヒト前頭前野の安静状態機能接続性を測定する方法を示す。また、実験の実務上の側面や、データを分析するための詳細な手順についても説明します。...

脳血流ベースの安静状態機能性コネクティビティ(光学拡散相関分光法)

我々は、センサ運動作業を用いたブロック設計を用いた連続波機能近赤外分光実験の解析について述べている。データ分析の信頼性を高めるために、定性的な一般線形モデルベースの統計パラメトリックマッピングと、マルチチャネルの比較階層混合モデルを用いた。...

ブロック設計を応用した機能近赤外分光法実験による定性的・比較皮質活動データ解析

自然主義的な学習環境における協調学習ダイアドに関するfNIRSハイパースキャン実験を行うためのプロトコルについて概説する。また、酸素化ヘモグロビン(Oxy-Hb)シグナルの脳間同期(IBS)を解析するパイプラインが提示される。...

オープンエンド共同学習における脳間同期:fNIRS-ハイパースキャン研究

個人の結合された脳間のダイナミクスは、主にfNIRSと脳の同時記録信号(すなわちハイパースキャン)を使用して、互いに調整する際に脳間同期(IBS)によってますます表されています。fNIRSハイパースキャン研究では、IBSは、時系列を非常に直感的な方法で見ることができる時間周波数空間に拡張する利点があるため、ウェーブレット変換コヘレンス(WTC)法を通じて一般的に評価されています。観察されたIBSは、試験、パートナー、および条件の順列ベースのランダムペアリングを介してさらに検証することができます。ここでは、fNIRS技術を介して脳信号を取得し、WTC法を介してIBSを計算し、ハイパースキャン研究で順列することによってIBSを検証する方法を説明するプロトコルが提示される。さらに、fNIRSシグナルの選択、データ前処理の方法、計算のオプションパラメータなど、上記の方法を使用する際の重要な問題について説明します。要約すると、WTC法と順列を用いて、fNIRSハイパースキャン研究でIBSを分析するための潜在的に標準的なパイプラインであり、IBSの再現性と信頼性の両方に寄与する。...

fNIRS ハイパースキャンスタディで脳間同期を計算および検証する方法

このプロトコルは、社会的相互作用中の情報の流れの方向および時間的パターンを推測するために、対人神経同期(INS)の時間時間差パターンを計算するための部分ウェーブレット変換コヒーレンス(pWTC)を記述する。INS上のシグナル自己相関の交絡を除去する上でのpWTCの有効性は、2つの実験によって証明された。...

部分ウェーブレット変換コヒーレンス法を用いたfNIRS-ハイパースキャンデータにおける指向性情報流の測定

学ぶ、fMRIとfNIRSの同時測定プロトコル。全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いて神経イメージングデータを収集し、臨床・発達集団への応用可能性を示す方法です。

全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

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