Gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-metingen met behulp van een optode-array voor het hele hoofd en kanalen over korte afstand

Het gelijktijdig verzamelen van fMRI- en fNIRS-signalen van dezelfde proefpersonen is uiterst belangrijk omdat het ons in staat stelt het fNIRS-signaal af te stemmen op dat van fMRI, de gouden standaard in neuroimaging. fNIRS is een methodiek die nog volop in ontwikkeling is en die niet tot diepere hersenstructuren kan komen. fMRI-opnames geven ons dus een beter begrip van het fNIRS-signaal.

Eerdere pogingen om fNIRS- en fMRI-signalen van de hersenen van dezelfde deelnemer op te nemen, vereisten twee opnamesessies. Helaas betekenen deze twee sessies dat de deelnemer herhaaldelijk dezelfde stimuli heeft gezien en gehoord, wat de manier waarop de hersenen reageren kan veranderen. Hoewel in het protocol fMRI- en fNIRS-signalen alleen bij typische volwassenen op elkaar zijn afgestemd, hopen we dat het huidige protocol ook kan worden uitgebreid om klinische en ontwikkelingspopulaties te testen.

Dit zal bijvoorbeeld vooral belangrijk zijn bij het verzamelen van gegevens van personen met mogelijk neuropsychologische tekorten, omdat we het fNIRS-signaal met de hoogste betrouwbaarheid kunnen interpreteren. Wij geloven dat deze gelijktijdige opnames van fNIRS en fMRI bijzonder belangrijk zullen zijn bij het begrijpen van de neurale netwerken in de hersenen voor speciale populaties en voor kinderen. Het lijdt geen twijfel dat het gelijktijdig verzamelen van fMRI- en fNIRS-signalen een uitdaging is, maar we doorlopen alle stappen en we zijn ervan overtuigd dat ons protocol andere laboratoria in staat zal stellen hetzelfde type gegevens te verzamelen.

Een van de grootste uitdagingen zal waarschijnlijk zijn om ervoor te zorgen dat de deelnemer zich op zijn gemak voelt in de scanner, vooral wanneer hij een fNIRS-pet voor het hele hoofd draagt. De procedure wordt gedemonstreerd door Virginia Chambers, de laboratoriummanager van ons laboratorium. Zodra de deelnemer de benodigde toestemmingsformulieren heeft ondertekend en instructies voor de taken heeft ontvangen, laat u hem op een stoel in de controlekamer zitten.

Wikkel een zacht meetlint om het voorhoofd. Ga naar het breedste deel aan de achterkant en keer terug naar het startpunt. Kies het fNIRS kapseizen dat het dichtst bij de gemeten omtrek ligt.

Pak de basis van de sondes van de korteafstandsdetector stevig vast en schuif deze rond het deel van de doorvoertule dat door het gaas van de fNIRS-dop gaat. Zorg ervoor dat de kabel van de detector voor korte afstand naar de achterkant van de dop wijst voor een duidelijk gezichtsgebied. Vraag de deelnemer vervolgens om de pet vanaf de kruin van zijn hoofd naar beneden te schuiven op een manier alsof hij een wintermuts opzet en de kinband comfortabel aan te spannen.

Maak de rugbanden vast. Controleer of de dop goed vastzit en of de optodebussen stevig tegen de kop zitten. Plak vervolgens groene stickers om de belangrijkste fiduciale locaties te markeren in overeenstemming met de 10/20 systeemposities.

Gebruik een meetlint om de hoofdhuidpunten symmetrisch uit te lijnen met de punten op de dop. Zorg voor een gelijke afstand van het CZ-punt tot het pre-auriculaire, inion- en nasiepunt. Instrueer de deelnemer om stil te blijven staan om een 3D-model van zijn hoofd te maken.

Start vervolgens de structuurtoepassing op een tablet of iPad. Zorg ervoor dat de kleuren met hoge resolutie, de automatische infraroodbelichting en de verbeterde trackerfuncties zijn uitgeschakeld. Plaats de deelnemer nu centraal en zorg ervoor dat zijn hele hoofd binnen het 3D-vierkant op het scherm past en dat zijn schouders minimaal zichtbaar zijn in het frame.

Loop om het onderwerp heen om de vorm van het hoofd en de optodes te scannen met de 3D-scanner. Zodra de volledige scan is voltooid, drukt u op de knop aan de rechterkant van het scherm om de 3D-weergave te starten. Controleer de helderheid en het detailniveau van de weergave om een nauwkeurige plaatsing van de optodes en groene fiduciale stickers te garanderen.

Sla voor de veiligheid en privacy de 3D-scan op een HIPAA-beveiligde server op. Zodra het 3D-model klaar is, verwijdert u de groene stickers en vraagt u de deelnemer om oordopjes in zijn oren te doen. Zorg er in de scanruimte voor dat de 20-kanaals kopspoel in de scanner is geplaatst.

Plaats een schuimkussen aan de onderkant van de MRI-hoofdspoel om het bovenste deel van het hoofd van de deelnemer te ondersteunen. Instrueer de deelnemer om comfortabel op de scannertafel te gaan zitten. Terwijl u de optodedoorvoertule met één hand stevig vasthoudt, gebruikt u een MRI-veilige applicator om het haar uit het midden van de doorvoertule te verwijderen.

Oefen vervolgens stevige druk uit om de optode in de doorvoertule vast te zetten. Instrueer de deelnemer om langzaam en voorzichtig te gaan liggen. Pas de optische vezelbundels aan om ervoor te zorgen dat het hoofd van de deelnemer comfortabel in de hoofdspoel rust.

Afhankelijk van de positie van de kabels van de golfgeleider, tilt u de scannertafel op. Plaats een zacht kussen onder de benen van de deelnemer om comfort te garanderen. Wikkel de ademhalingsgordel om het middel van de deelnemer.

Instrueer de deelnemer om een hoofdtelefoon met ruisonderdrukking te dragen en zorg ervoor dat deze de plaatsing van de fNIRS-sonde niet belemmert. Plaats de pulsoximeter op de linkerwijsvinger van de proefpersoon. Als een knoppendoos wordt gebruikt voor de experimentele taken, instrueer de proefpersoon dan om deze met de dominante hand vast te houden.

Geef duidelijke instructies voor het gebruik van de knoppendoos. Plaats de knijpbal of knopalarm op de niet-dominante hand van de proefpersoon en instrueer de deelnemer hoe deze te gebruiken. Test het alarm door de deelnemer te vragen erop te drukken.

Schuif de deelnemer een paar centimeter in de scannerboring om de kop uit te lijnen. Plaats het bovenste deel van de kopspoel. Plaats vervolgens de microfoon en spiegel in de bijbehorende spoelinzetstukken.

Schuif de deelnemer langzaam in de scannerboring terwijl u de optische vezels vasthoudt. Kies op de computer van de scanner de relevante structurele en functionele sequenties die nodig zijn voor het onderzoek. Controleer of de lokalisator de kop op de juiste positie in de scannerboring heeft geplaatst en zorg ervoor dat deze volledige dekking biedt van de bovenkant van het hoofd tot het cerebellum.

Bevestig met de deelnemer dat het computerscherm zichtbaar is via de kopspoelspiegel en voer de eerste structurele scan uit. FNIRS-gegevens op proefpersonenniveau toonden een verhoogde activering in bilaterale visuele cortexgebieden tijdens de knipperende schaakbordblokken in vergelijking met de inter-trial perioden. Tijdsporen van hersenactiviteit vertoonden een toename van het HBO-signaal tijdens de presentatie van het knipperende dambord en een afname tijdens inter-trial perioden.

Visualisatie van de HBO-gegevens tijdens de knipperende schaakbordperiode toonde bilaterale activering in visuele cortexgebieden op individueel proefpersoonniveau. FMRI-gegevens op proefpersonenniveau tonen een grotere vetgedrukte signaalrespons in de primaire en secundaire visuele cortex tijdens de knipperende schaakbordperioden in vergelijking met de inter-trial perioden Op subcorticaal niveau wordt verhoogde activering waargenomen in de laterale geniculaire kern van de thalamus. Een van de belangrijkste uitdagingen van ons protocol is ervoor te zorgen dat de deelnemer comfortabel in de scanner kan rusten, en dit zal voornamelijk worden bepaald door het type optode dat bij het fNIRS-systeem wordt geleverd.

Het protocol kan worden aangepast om gegevens te verzamelen uit specifieke interessegebieden en over verschillende experimentele paradigma's. We geven ook specifieke suggesties over het gebruik van het protocol bij klinische en ontwikkelingspopulaties.