Artykuł metodologiczny

Metody terenowe neuroobrazowania wykorzystujące funkcjonalną spektroskopię bliskiej podczerwieni (NIRS) Neuroobrazowanie do badania globalnego rozwoju dziecka: obszary wiejskie Afryki Subsaharyjskiej

DOI:

10.3791/57165

⸱

2 lutego 2018

 , 
1Linguistics and Cognitive Science Department, University of Delaware, 2Haskins Laboratories, 3Centre de Recherche et d'Action pour la Paix

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przenośne metody neuroobrazowania (funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni) zapewniają postęp w badaniach mózgu w wcześniej niedostępnych regionach; tutaj, na wiejskich terenach Wybrzeża Kości Słoniowej. Innowacje w metodach i rozwój odpowiednich kulturowo protokołów neuroobrazowania pozwalają na nowatorskie badania nad rozwojem mózgu i wynikami uczenia się dzieci w środowiskach o znacznym ubóstwie i przeciwnościach losu.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przenośne metody neuroobrazowania dostarczają nowych osiągnięć w badaniach funkcji i rozwoju mózgu w wcześniej niedostępnych populacjach i odległych lokalizacjach. Niniejsza praca przedstawia rozwój funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni (fNIRS) w celu badania rozwoju języka, czytania i funkcji poznawczych dzieci w wiejskim otoczeniu Wybrzeża Kości Słoniowej. Innowacje w metodach i rozwój odpowiednich kulturowo protokołów neuroobrazowania pozwalają po raz pierwszy przyjrzeć się rozwojowi mózgu i wynikom uczenia się dzieci w niedostatecznie zbadanych środowiskach. W niniejszym artykule przedstawiono protokoły transportu i konfiguracji mobilnego laboratorium, omówiono rozważania dotyczące neuroobrazowania terenowego i laboratoryjnego oraz przedstawiono przewodnik dotyczący opracowywania procedur zgody na neuroobrazowanie i budowania znaczącej długoterminowej współpracy z lokalnymi władzami i partnerami naukowymi. Przenośne metody neuroobrazowania mogą być wykorzystywane do badania złożonych kontekstów rozwoju dziecka, w tym wpływu znacznego ubóstwa i przeciwności losu na rozwój mózgu. Przedstawiony tutaj protokół został opracowany do użytku na Wybrzeżu Kości Słoniowej, które jest głównym źródłem kakao na świecie i gdzie powszechne są doniesienia o pracy dzieci w sektorze kakao. Jednak niewiele wiadomo na temat wpływu pracy dzieci na rozwój mózgu i uczenie się. Terenowe metody neuroobrazowania mają potencjał, aby dostarczyć nowych informacji na temat tak pilnych problemów i rozwoju dzieci na całym świecie.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przenośne obrazowanie fNIRS daje możliwość badania funkcji i rozwoju mózgu poza laboratorium, w wcześniej niedostępnych warunkach lub z niedostatecznie zbadanymi populacjami. Znaczna część wiedzy w dziedzinie neuronauki poznawczej pochodzi z badań obrazowych prowadzonych w laboratoriach uniwersyteckich lub szpitalnych, głównie w krajach zachodnich. Z założenia przyczynia się to do rzadko omawianego problemu w badaniach: wiele z tego, co wiemy o mózgu, opiera się na badaniach z udziałem uczestników, dla których dostępne są warunki laboratoryjne w (głównie) krajach zachodnich. Oznacza to, że większość badań neuroobrazowych obejmuje uczestników, którzy mieszkają w rozsądnej odległości od laboratorium neuroobrazowania i mają zarówno czas, jak i zasoby niezbędne do udziału w badaniu. Jako dyscyplina, neuronauka kognitywna ma na celu zrozumienie mózgu i czynników, które kształtują jego rozwój - w tym potężnego wpływu środowiska dziecka i jego wczesnych doświadczeń życiowych1,2,3. Metody, które zwiększają zdolność tej dziedziny do badania rozwoju w pełniejszym zakresie ludzkich doświadczeń, mogą znacznie poszerzyć zrozumienie złożonej relacji między rozwojem mózgu a doświadczeniami życiowymi, które go kształtują.

Ten artykuł przedstawia protokół neuroobrazowania terenowego, który został opracowany do użytku na obszarach wiejskich Afryki Subsaharyjskiej, szczególnie na południowym Wybrzeżu Kości Słoniowej. Celem tego programu badawczego w dziedzinie neuroobrazowania było zrozumienie rozwoju czytania u dzieci w środowisku o wysokim ryzyku analfabetyzmu. Wskaźnik umiejętności czytania i pisania wśród młodzieży (15-24 lata) na Wybrzeżu Kości Słoniowej wynosi 53%, pomimo 93% wskaźnika zapisów do szkoły podstawowej4. Wybrzeże Kości Słoniowej jest głównym źródłem kakao na świecie, a szacuje się, że w sektorze uprawy kakao pracuje 1,3 miliona dzieci5. Jednak niewiele wiadomo na temat wpływu pracy dzieci na rozwój i uczenie się mózgu, w szczególności na naukę czytania. Zastosowanie najnowszych narzędzi neuronauki poznawczej, tj. przenośnych metod neuroobrazowania, może dostarczyć cennych informacji na temat wyników uczenia się dzieci. Na przykład neuroobrazowanie terenowe z fNIRS może pozwolić na identyfikację okresów neurorozwojowych, podczas których ukierunkowane programy edukacyjne lub interwencje mogą mieć maksymalny wpływ na wyniki uczenia się dzieci.

Neuroobrazowanie fNIRS doskonale nadaje się do badań terenowych. Podobnie jak w przypadku funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI), fNIRS mierzy odpowiedź hemodynamiczną mózgu6. Jednak fNIRS wykorzystuje szereg optodów emitujących światło i detektorów światła, a nie generuje pól elektromagnetycznych. Nie ma żadnych ograniczeń dotyczących metalu w obszarze testowym lub w jego pobliżu i nie jest konieczne ekranowanie elektryczne, jak w przypadku elektroencefalografii (EEG). Kluczową zaletą fNIRS jest jego przenośność (np. niektóre systemy mogą zmieścić się w walizce) i łatwość obsługi. fNIRS jest również łatwy w użyciu dla dzieci; podczas eksperymentu dziecko wygodnie siedzi na krześle, a system fNIRS dobrze toleruje ruch w porównaniu z fMRI. W porównaniu z fMRI, fNIRS zapewnia również oddzielne pomiary hemoglobiny odtlenionej (HbR) i natlenionej (HbO) podczas rejestracji, w porównaniu z fMRI, który daje połączony pomiar gęstości tlenu we krwi (BOLD). fNIRS ma lepszą rozdzielczość czasową niż fMRI: częstotliwość próbkowania może wahać się między ~ 7-15 Hz. fNIRS ma dobrą rozdzielczość przestrzenną: głębokość zapisu fNIRS w korze ludzkiej jest mniejsza niż fMRI, mierząc około 3 do 4 cm głębokości, co dobrze nadaje się do badania funkcji kory mózgowej, szczególnie u niemowląt i dzieci, które mają cieńsze czaszki niż dorośli3, 7,8,9,10.

Ten protokół neuroobrazowania przedstawia rozważania dotyczące podróżowania i zakładania przenośnego laboratorium neuroobrazowania w kontekstach o niskich zasobach. W protokole podkreślono również zasadniczy charakter znaczącej, długoterminowej współpracy z lokalnymi partnerami naukowymi oraz sposoby, w jakie podejście to służy budowaniu lokalnego potencjału naukowego. Zademonstrowano protokół neuroobrazowania służący do zbierania i analizowania danych mózgowych fNIRS z zestawu zadań językowych, czytania i poznawczych, w tym zalecenia dotyczące tworzenia kulturowo odpowiednich procedur świadomej zgody na badania obrazowe. Chociaż protokół ten jest przeznaczony do badań nad rozwojem poznawczym z udziałem dzieci w wieku szkolnym na obszarach wiejskich Wybrzeża Kości Słoniowej, protokół jest bardzo istotny dla wszelkich badań neuroobrazowych w trudnych środowiskach o niskich zasobach i może być dostosowany do nowych kontekstów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board (IRB) Uniwersytetu Delaware.

1. Mobilny transport i konfiguracja laboratorium

  1. Podróżowanie ze sprzętem fNIRS
    1. Sprzęt transportowy fNIRS.
      UWAGA: sprzęt fNIRS może być przewożony jako bagaż rejestrowany na pokładzie dużej międzynarodowej linii lotniczej, ale konieczne jest potwierdzenie tego w danej linii lotniczej. Ograniczenia dotyczące sprzętu mogą się różnić w zależności od kraju pochodzenia lub docelowego. Alternatywnie można wysłać sprzęt fNIRS.
    2. Zapoznaj się z procedurami importu lub podróżowania ze sprzętem fNIRS dla kraju docelowego i, jeśli ma to zastosowanie, uzyskaj odpowiednią dokumentację zatwierdzenia importu.
    3. Przygotuj się na inspekcje.
      UWAGA: Władze (np. Administracja Bezpieczeństwa Transportu) zastrzegają sobie prawo do kontroli bagażu rejestrowanego. Delikatne światłowody fNIRS mogą ulec uszkodzeniu podczas inspekcji. Zadbaj o odpowiednią dokumentację dołączoną do całego sprzętu.
  2. Niezbędny sprzęt laboratoryjny w terenie
    1. Przygotuj się na warunki klimatyczne panujące w terenie.
      UWAGA: Warunki temperatury i wilgotności w terenie mogą znacznie różnić się od warunków laboratoryjnych i mogą wpływać na działanie i żywotność sprzętu, a także na komfort uczestników podczas eksperymentów. Elektronika pracująca w warunkach wysokiej wilgotności, zwykle powyżej 60%, jest bardziej podatna na korozję, ponieważ nadmierna wilgoć może osadzać się na częściach i reagować z elementami metalowymi. Poziom wilgotności w laboratorium wewnętrznym (np. w budynku uniwersyteckim) wynosi zwykle od 30 do 50%. Wilgotność w południowej części Wybrzeża Kości Słoniowej może wynosić 80-95%. Skonfiguruj przenośną jednostkę klimatyzacyjną o niskim zapotrzebowaniu na moc.
    2. Zapewnij odpowiednie zasilanie elektryczne. Ponieważ zasilanie elektryczne może nie być dostępne w środowisku wiejskim lub może działać tylko z przerwami lub przy niewystarczającej mocy, używaj przenośnych generatorów słonecznych do zasilania małych i średnich urządzeń elektronicznych. Udostępnij generator diesla jako źródło zasilania awaryjnego. Zatrudnij lokalnego elektryka, który jest zaznajomiony z wyzwaniami związanymi z zaopatrzeniem w energię elektryczną w kontekście wiejskim.
    3. Przygotuj odpowiednią strukturę laboratoryjną przy minimalnym czasie instalacji, taką jak duży, dostosowany namiot z nieprzezroczystym i wodoodpornym dachem i ścianami.
      UWAGA: Jest mało prawdopodobne, aby obiekty (np. sala lekcyjna w lokalnej szkole) były dostępne lub zapewniały wodoodporną i cichą przestrzeń do testowania.
  3. Konfiguracja przenośnego laboratorium (Rysunek 1)
    1. Zmontuj mobilne laboratorium (np. spersonalizowany namiot). Upewnij się, że laboratorium jest wystarczająco duże, aby pomieścić miejsce dla uczestnika przy biurku, miejsce dla dwóch eksperymentatorów, komputer do prezentacji bodźców, komputer do zbierania danych fNIRS, przenośną jednostkę fNIRS, trójwymiarowy (3D) digitizer i przenośny klimatyzator.

figure-protocol-1
Rysunek 1. Schematy. (A) Schemat rozmieszczenia laboratorium. (B) Przygotowanie uczestnika do zbierania danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Lokalne zespoły badawcze i partnerzy naukowi

  1. Inwestowanie w tworzenie współpracy naukowej i zapewnianie możliwości w ramach badań lokalnym naukowcom.
  2. Nawiąż partnerstwo z lokalnymi instytucjami naukowymi w celu zapewnienia inkluzywności. Zdobycie uznania ze strony rówieśników na poziomie lokalnym jest ważne dla informowania o ostatecznych wynikach badań w regionie.
  3. Skonsultuj się z odpowiednimi władzami lokalnymi przed podjęciem jakichkolwiek działań badawczych w celu uzyskania zezwolenia i licencji na prowadzenie działalności. Zapoznaj się z procedurami oceny etycznej w kraju docelowym i wprowadź odpowiednie udogodnienia, jeśli nie istnieje formalna procedura oceny naukowej.
    UWAGA: Na przykład bezpośrednia komunikacja z przedstawicielami Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego i Badań Naukowych (lub porównywalnego organu rządowego) może być prowadzona zamiast procedury oceny etycznej.

3. Świadoma zgoda i zgoda dziecka

  1. Opracuj procedurę zgody, która jest kulturowo odpowiednia i zapewnia, że uczestnicy, ich rodziny i społeczności są poinformowani o badaniu i swojej decyzji o udziale w badaniu.
  2. Przejrzyj lokalne zwyczaje i historię w typowym opracowaniu protokołu i uwzględnij członków grupy, z którymi należy przeprowadzić badania.
    1. Upewnij się, że uzyskałeś wyraźną zgodę od lokalnego lidera (np. wodza wioski, starszyzny społeczności itp.) przed przystąpieniem do badań.
      UWAGA: Może to być wyrażone przez błogosławieństwo przodków lub w jakikolwiek inny sposób typowy dla społeczności. Po uzyskaniu zgody wodza wioski, zwyczaje kulturowe mogą obejmować wylewanie wina na ziemię i proszenie przodków o zgodę i błogosławieństwo działań badawczych.
  3. Na bardziej formalnym poziomie należy uzyskać zgodę grup rodziców i wychowawców, które są odpowiedzialne za podejmowanie decyzji dotyczących udziału dzieci w zajęciach zatwierdzonych przez szkołę. Na przykład grupa rodziców i nauczycieli ("Comité de Gestion d'Ecoles – COGES" na Wybrzeżu Kości Słoniowej) jest kluczowym interesariuszem w krajowym systemie szkolnictwa podstawowego, składającym się z członków mianowanych przez rodziców uczniów w celu obrony ich interesów w procesie podejmowania decyzji oraz we wszystkich innych aspektach związanych z edukacją ich dzieci.
  4. Zatwierdzanie wszystkich działań badawczych prowadzonych przez władze lokalne, na przykład Ministerstwo Edukacji Wybrzeża Kości Słoniowej lub Ministerstwo Szkolnictwa Wyższego i Badań Naukowych. Kraj, w którym projekt będzie realizowany, może nie mieć formalnej procedury zatwierdzania pod względem etycznym za pośrednictwem IRB. Sprawdź przepisy, aby upewnić się, że przestrzegane są prawidłowe protokoły uzyskiwania etycznego zezwolenia na badania.
    UWAGA: W momencie uzyskania zatwierdzenia Wybrzeże Kości Słoniowej nie posiadało formalnego procesu przeglądu według metody IRB. W zamian za to zespół badawczy przystąpił do przygotowania dokumentacji przypominającej wniosek IRB, którą należy złożyć w Ministerstwie Edukacji. Zorganizowano wiele spotkań z Ministerstwem Edukacji, Ministerstwem Szkolnictwa Wyższego i urzędnikami naukowymi, podczas których zespół badawczy przedstawił proponowany plan badawczy wszystkim urzędnikom, po których odbyły się dyskusje grupowe oraz sesje pytań i odpowiedzi. Atest etyczny uzyskano bezpośrednio od Ministerstwa Edukacji Narodowej w postaci podpisanego dokumentu uprawniającego do prowadzenia badań z dziećmi w konkretnych szkołach. Badanie to uzyskało aprobatę etyczną IRB Uniwersytetu Delaware.
  5. Wyjaśnij cel badania w prostych słowach dzieciom uczestniczącym w procedurze zgody dziecka. Społeczność lokalna może bardzo cenić posłuszeństwo dziecka, w którym to przypadku dziecko może zgodzić się na udział lub kontynuować udział w badaniu, mimo że nie chce tego robić z powodu oczekiwań kulturowych. Upewnij się, że procedura zgody dokładnie informuje o dobrowolnym udziale w badaniu.
  6. Jasno określ, w jaki sposób badanie przyniesie korzyści uczestnikom i czy otrzymają oni wynagrodzenie za udział w badaniu. Upewnij się, że wynagrodzenie jest odpowiednie zarówno pod względem kulturowym, jak i dla uczestników.
  7. Przeprowadzenie wszystkich procedur wyrażania zgody i zgody w lokalnym lub preferowanym języku uczestnika przez przeszkolonego członka zespołu badawczego, który jest również członkiem grupy językowej i kulturowej.

4. Umiejscowienie i pomiar skóry głowy fNIRS

  1. Zbieranie pomiarów głowicy
    1. Skieruj uczestnika, aby usiadł na krześle i wyjaśnij proces, którego należy się spodziewać podczas pomiaru głowy.
    2. Za pomocą standardowej taśmy mierniczej zmierz odległości między: (1) nasionem i inionem wokół głowy, (2) nasionem i inionem nad czubkiem głowy przez linię środkową środkową (Cz)11, oraz (3) odległością między tragusem lewego i prawego ucha nad czubkiem głowy przez Cz.
  2. Umieszczenie nasadki fNIRS i optodów na głowie uczestnika 3,8,9,12
    1. Umieść nasadkę uchwytu optodontycznego fNIRS na głowie uczestnika, wyrównując nasadkę z międzynarodowym systemem 10-20 dla lokalizacji skóry głowy11. Upewnij się, że pozycja nasadki jest identyczna dla wszystkich uczestników. Dopasuj punkty na nasadce (np. uchwycie sondy) do pozycji skóry głowy.
      UWAGA: Na przykład wyśrodkuj przód nasadki na głowie do pozycji czołowo-biegunowej (FP). Pozycja ta odpowiada 10% miejsca na odcinku górnym, grzbietowym do pozycji nasion.
    2. Zabezpiecz czapkę paskiem i upewnij się, że uczestnikowi jest wygodnie.
  3. Pomiar digitizera 3D
    1. Gdy nasadka znajdzie się na swoim miejscu, poinstruuj uczestnika, aby siedział nieruchomo w pozycji, w której można uzyskać pomiar digitizatora 3D kluczowych 10-20 pozycji skalpa systemu 11 i każdego symbolu miejsca optody.
    2. Ułóż sprzęt do digitizera 3D. Umieść jeden czujnik na głowie uczestnika w Cz i bezpiecznie przymocuj (tj. za pomocą gumki lub akcesorium do włosów), a drugi czujnik blokowy umieść za uczestnikiem. Pozwól uczestnikowi usiąść na krześle plecami do stołu. Umieść drugi czujnik na stole bezpośrednio za głową uczestnika. Upewnij się, że żaden czujnik nie porusza się w trakcie wykonywania pomiaru digitizera 3D.
    3. Otwórz oprogramowanie Brainstorm 13 na komputerze zbierającym dane. Upewnij się, że system digitizera 3D komunikuje się z oprogramowaniem Brainstorm przez odpowiedni port COM.
    4. Przesuń rysik digitizera 3D do każdego miejsca sondy i przez kluczowe 10-20 pozycji systemu (nasion, inion, lewe ucho, prawe ucho, Cz). W każdej lokalizacji uzyskaj dane o położeniu za pomocą funkcji Burza mózgów na komputerze gromadzącym dane.
  4. Umieszczanie optodów i detektorów emitujących światło na skórze głowy
    1. Po zebraniu danych z digitizera 3D, poinstruuj uczestnika, aby usiadł wygodnie przed komputerem prezentującym bodźce.
    2. Korzystając z wbudowanego oprogramowania fNIRS, wybierz układ sondy, który odpowiada projektowi eksperymentu. Sondy fNIRS można umieścić tak, aby pokryły całą głowę (tj. pełne pokrycie głowy) lub alternatywnie, tablicę można umieścić nad ogólnymi obszarami zainteresowania. Na przykład protokół ten wykorzystywał układ sond 10 x 3 (30 sond ustawionych w 3 rzędach po 10 sond każda). Układ ten został umieszczony tak, aby maksymalnie nałożyć na siebie obszary językowe lewej półkuli i ich homologi prawej półkuli, a także płat czołowy (Rysunek 2).
    3. Upewnij się, że każda sonda (emiter i detektor) jest ponumerowana, a system numeracji odpowiada mapie rozmieszczenia sondy.
    4. Korzystając z mapy optody we wbudowanym oprogramowaniu fNIRS jako przewodnika, umieść każdą optodę w odpowiednim otworze optody na nasadce. Mapa optody wskazuje lokalizację każdej opcji w tablicy (np. 10 x 3).
    5. Odsuń wszelkie włosy na bok, aby zapewnić bezpośredni kontakt między końcówką optody a skórą głowy uczestnika.
    6. Po ustawieniu wszystkich optow sprawdź jakość sygnału za pomocą wbudowanego oprogramowania systemu fNIRS.
    7. W razie potrzeby wyreguluj poszczególne sondy, aż do uzyskania wystarczającej jakości sygnału. Gdy wszystkie testy jakości sygnału optodów przejdą pomyślnie, przejdź do zadań eksperymentalnych.

5. Zadania eksperymentalne

  1. Zaprojektuj każde zadanie neuroobrazowania z odpowiednią liczbą prób i warunków zgodnych z celami badawczymi. Zrozum, że zadania neuroobrazowania będą się różnić w zależności od celów badań. Na przykład w tym protokole wykorzystano trzy zadania: (1) zadanie przetwarzania i czytania języka, (2) zadanie oceny rymów oraz (3) zadanie elastyczności poznawczej.
    UWAGA: Procedura (i reprezentatywne wyniki) zadania oceny rymów są wyróżnione.
  2. Umieść słuchawki z redukcją szumów na głowie uczestnika, uważając, aby nie przeszkadzać w umieszczeniu sondy fNIRS. Upewnij się, że słuchawki będą dostarczać uczestnikowi bodźce dźwiękowe mowy, a także blokować wszelkie dźwięki otoczenia.
    UWAGA: Badania laboratoryjne zazwyczaj odbywają się w pomieszczeniu z wyciszonym dźwiękiem. Testy laboratoryjne w terenie nie zapewniają takiego samego stopnia kontroli hałasu, a słuchawki z redukcją szumów mogą zapewnić ciche warunki testowania dla wszystkich uczestników.
  3. Poinstruuj uczestnika, aby stanął twarzą do monitora komputera i skupił się na krzyżu na środku ekranu oraz pozostał nieruchomy podczas eksperymentu. Prezentuj wszystkie zadania eksperymentalne na ekranie komputera.
  4. Zadanie oceny rymu
    1. Poinstruuj uczestnika, aby wysłuchał par słów prezentowanych dźwiękowo przez słuchawki. Poproś uczestnika, aby wskazał, czy pary słów się rymują, czy nie (np. 'kot'-'czapka' lub 'kot'-'log') za pomocą naciśnięcia przycisku na klawiaturze.
    2. W tym przykładzie użyj projektu związanego ze zdarzeniem. Pozwól uczestnikom wykonać 12 prób bez rymowania i 12 prób rymowania, oddzielonych drżącymi interwałami między bodźcami od 8 do 17 s.
      UWAGA: Zadania powinny być tworzone w sposób odpowiedni dla uczestnika. W badaniu, o którym tu mowa, naukowcy badali rozwój językowy, poznawczy i czytelniczy u dzieci, które były bardzo słabymi czytelnikami. Zadanie neuroobrazowania czytania opracowane ze słowami, które byłyby odpowiednie dla dziecka o minimalnych umiejętnościach czytania i pisania. Ponadto dzieci zostały wybrane do paradygmatu neuroobrazowania na podstawie wyników uzyskanych w ocenie czytania.
  5. Przyciemnij światła i rozpocznij nagrywanie uczestnika na wbudowanej kamerze wideo.
  6. Rozpocznij rejestrację danych fNIRS na komputerze dowodzenia fNIRS i rozpocznij zadania na komputerze prezentującym bodźce.
  7. Monitoruj wydajność uczestników we wszystkich zadaniach. Zapewnij przerwy między zadaniami i przebiegami.
  8. Upewnij się, że wyzwolenie z komputera prezentującego bodźce eksperymentalne jest odbierane przez komputer poleceń fNIRS.
  9. Po zakończeniu wszystkich zadań zatrzymaj zbieranie danych wideo i fNIRS.

6. Pomiary zadań poeksperymentalnych

  1. Usuń każdą optodę z nasadki uchwytu optody.
  2. Nie naruszając pozycji nasadki uchwytu optody na głowie uczestnika, poinstruuj uczestnika, aby usiadł w pozycji, w której można uzyskać drugi pomiar digitizera 3D.
  3. Powtórz pomiar digitizera 3D, jak w sekcji 4 fNIRS Scalp Placement and Measurement 4, aby upewnić się, że wszelkie zakłócenia pozycji sondy skóry głowy podczas eksperymentu można wykryć, porównując dwa pliki pozycji.
  4. Zdejmij nasadkę uchwytu optody z głowy uczestnika.
  5. Na zakończenie eksperymentu przekaż uczestnikom drobny upominek (np. książki i przybory szkolne) oraz podziękowania zespołu badawczego za ich udział.

7. Plan rozpowszechniania danych

  1. Podziel się wynikami badań z członkami społeczności i odpowiednimi władzami lokalnymi, aby ostatecznie przełożyć je na politykę dotyczącą badanego problemu.
    UWAGA: Uczestnicy mogą nie odnieść bezpośrednich korzyści z eksperymentu.
  2. Zaplanuj wizyty kontrolne w uczestniczących społecznościach. Przygotuj raporty i narzędzia, z których mogą korzystać lokalni edukatorzy. Na przykład wszelkie oceny sporządzone w lokalnych językach powinny być udostępniane urzędnikom szkolnym w regionie. Przygotuj członków zespołu badawczego, którzy mówią w lokalnym języku, do spotkania z liderami społeczności w celu przekazania wyników badania.
  3. Zaplanuj publikację wyników badań w regionalnych czasopismach naukowych i w języku regionu, jeśli ma to zastosowanie. Na przykład wyniki badań powinny być rozpowszechniane w języku francuskim, jeśli badania były prowadzone w krajach frankofońskich.
  4. Zaplanuj spotkanie i dostarczenie raportów z wyników badania do oddziału rządowego, który udzielił zgody na program badawczy.

8. Dane kopii zapasowej

  1. Upewnij się, że dane są eksportowane i tworzone są kopie zapasowe na wielu przenośnych dyskach twardych, ponieważ dostęp do Internetu w celu przechowywania danych online jest mało prawdopodobny. Przenieś dane do magazynu danych online, gdy dostępne jest wystarczające połączenie z Internetem.

9. Analiza danych

UWAGA: Istnieje wiele pakietów do analizy danych dla fNIRS14. Statystyczne mapowanie parametryczne dla spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIRS-SPM)15 , Homer216 (szeroko stosowane) oraz zestaw narzędzi fNIRS 17,18 (nowe i zyskujące na popularności) są używane do analizy danych fNIRS. Protokół ten dokonuje przeglądu metod analizy danych przy użyciu NIRS-SPM, ale wybór preferowanej metody analizy zależy od uznania badacza.

  1. Analizuj dane z systemu fNIRS za pomocą NIRS-SPM, wersja 415,19. Ten zestaw narzędzi dla pakietu neuroobrazowania SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analizuje dane NIRS za pomocą ogólnego podejścia do analizy opartej na modelu liniowym i umożliwia tworzenie map aktywacji z lokalizacją w superrozdzielczości.
  2. Konwersja danych do HbO i HbR
    1. Użyj zmodyfikowanego równania Beera-Lamberta (z NIRS-SPM), aby przeliczyć wartości gęstości optycznej na zmiany stężenia w HbO i odpowiedzi HbR.
  3. Wstępne przetwarzanie danych
    1. Użyj jednej z wielu dostępnych opcji wstępnego przetwarzania danych fNIRS.
      UWAGA: Huppert i wsp.17 proponują bardzo rygorystyczne metody dla różnych źródeł hałasu16. Należą do nich oparta na wektorze własnym redukcja artefaktów ruchu, techniki filtrowania pasmowo-przepustowego oraz oparta na wektorze własnym redukcja kowariancji przestrzennej dla fizjologicznych zakłóceń w danych (np. oddychanie, ciśnienie krwi, tętno). Dzielą się również obszernym komentarzem na temat źródeł hałasu w badaniach fNIRS i implikacji dla analizy statystycznej. Badacz fNIRS musi zbadać aplikacje do wstępnego przetwarzania, które są najbardziej odpowiednie dla danego badania. Poniżej znajduje się podejście analityczne wzorowane na Worsely i Friston20 oraz Jang et al.Prezentowany jest 19.
    2. Dekompozycja zmian w stężeniach HbO i HbR za pomocą algorytmu detrendingu Wavelet-Minimum Description Length (MDL) w celu usunięcia globalnych trendów wynikających z oddychania, zmian ciśnienia krwi, zaburzeń wazomotorycznych lub ruchów uczestników oraz poprawy stosunku sygnału do szumu19.
    3. Zastosuj filtr dolnoprzepustowy o kształcie funkcji odpowiedzi hemodynamicznej do danych i użyj metody wstępnego kolorowania Worsely and Friston20, aby usunąć korelacje czasowe.
  4. Generowanie modeli i analiza statystyczna
    1. Generuj modele dla HbO i HbR zawierające regresory eksperymentalne skonwolucjonowane z odpowiednią funkcją odpowiedzi hemodynamicznej z pochodnymi czasu21.
      UWAGA: Funkcja odpowiedzi hemodynamicznej może mieć większą zmienność w wyższych obszarach kory mózgowej i u różnych uczestników. Tego typu zmienność można uwzględnić w modelach analitycznych, rozszerzając HRF o pochodne czasowe. Użyj pochodnej czasowej do modelowania różnic w czasie do osiągnięcia szczytu odpowiedzi hemodynamicznej21.
    2. Użyj NIRS-SPM, aby utworzyć modele dla HbO i HbR o przeciwnej polaryzacji, tak aby znaczące dopasowanie modelu dla HbO wskazywało na zwiększone stężenie, a dla HbR zmniejszone stężenie5,18.
    3. Skonfiguruj eksperymentalnie istotne kontrasty testu t lub testu F, aby przetestować wpływ jednego (lub kilku) regresorów (biorąc pod uwagę macierz projektową) na modulację danych szeregów czasowych fNIRS.
  5. Wizualizacja wyników
    1. Wykonaj rejestrację przestrzenną kanałów NIRS do przestrzeni Instytutu Neurologicznego w Montrealu (MNI) przy użyciu danych z digitizera 3D.
    2. Użyj zarejestrowanych danych fNIRS, aby stworzyć mapy aktywacji HbO, HbR i całkowitej hemoglobiny (THb) w oparciu o ogólny model liniowy i korektę wzoru na rurkę słoneczną22,23.
    3. Załaduj mapy aktywacji do odpowiedniego szablonu mózgu. Na przykład najnowszy Atlas Mózgu Pediatrycznego Haskinsa zawiera ustandaryzowany szablon dla dzieci w wieku od 6 do 12 lat24.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dane o położeniu sondy uzyskane przez digitizer 3D (Rysunek 2) można zobrazować na standardowym szablonie mózgu. Zarejestruj kanały fNIRS w przestrzeni MNI za pomocą autonomicznej funkcji rejestracji NIRS-SPM25. Funkcja rejestracji przestrzennej generuje współrzędne MNI, etykiety anatomiczne i obszary Brodmanna maksymalnie reprezentowane przez każdy kanał.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W artykule przedstawiono protokół neuroobrazowania terenowego odpowiedni dla kontekstów o niskich zasobach w odległych lokalizacjach. Kluczowym postępem w tej dziedzinie protokołu neuroobrazowania jest możliwość badania po raz pierwszy funkcji mózgu i jego rozwoju w niedostatecznie zbadanych (lub nigdy wcześniej niezbadanych) kontekstach. Kluczowe kroki w tym protokole obejmują podróżowanie i skonfigurowanie mobilnego laboratorium odpowiedniego do zbierania wysokiej jakości danych w klimacie tropikalnym bez elektrycznośc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było możliwe dzięki stypendium Jacobs Foundation Early Career Fellowship dla K. Jasińskiej (numer stypendium: 2015 118455). Autorzy pragną również podziękować Axelowi Blahoua, Fabrice'owi Tanohowi, Ariane Amon, Brice'owi Kandze i Yvette Foto za ich pomoc w zbieraniu danych i wsparciu w terenie. Specjalne podziękowania dla rodzin i dzieci z Moapé, Ananguié, Affery i Becouefin za ich udział w tym programie badawczym i serdeczną gościnność wiosek.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Pakiet jednostki głównej LIGHTNIRS 120VShimadzu292-34000-42Element systemu fNIRS
ASSY, ALL-CAPShimadzu594-07618-01Element systemu fNIRS
połączeniowy LIGHTNIRSShimadzu567-10976-11fNIRS system
Zestaw światłowodów do LIGHTNIRS, 1m (8 zestawów)System Shimadzu567-11350-01fNIRS komponent
Dell Latitude LaptopShimadzu (od Dell)220-97322-00Komputer główny do uruchamiania aplikacji fNIRS
PATRIOT SEU (System Electronics Unit)POLHEMUS1A0453-001Komponent systemu PATRIOT
ZasilaczPOLHEMUS2C0809Komponent systemu PATRIOT
Przewód zasilającyPOLHEMUS17500B-BLKPATRIOT System component
RS-232 null modemPOLHEMUS1C0288Komponent systemu PATRIOT
USBPOLHEMUS1C0289Komponent systemu PATRIOT
Przewód RX2 Sensor 10'POLHEMUS4A0492-20Element systemu
PATRIOT TX2 Source 10'POLHEMUS4A0506-20Element systemu PATRIOT
HOLDER

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Dawson, G., Ashman, S. B., Carver, L. J. The role of early experience in shaping behavioral and brain development and its implications for social policy. Dev Psychopathol. 12 (4), 695-712 (2000).
  2. Blair, C., Raver, C. C. Poverty, Stress, and Brain Development: New Directions for Prevention and Intervention. Acad Pediatr. 16 (3 Suppl), S30-S36 (2016).
  3. Jasińska, K. K., Petitto, L. A. How age of bilingual exposure can change the neural systems for language in the developing brain: A functional near infrared spectroscopy investigation of syntactic processing in monolingual and bilingual children. Dev Cogn Neurosci. 6c, 87-101 (2013).
  4. Statistics, U. I. f Côte d'Ivoire. , (2017).
  5. University, T. 2013/14 Survey Research on Child Labor in West African Cocoa Growing Areas. , School of Public Health and Tropical Medicine. (2015).
  6. Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54 (4), 2808-2821 (2011).
  7. Quaresima, V., Bisconti, S., Ferrari, M. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain Lang. 121 (2), 79-89 (2012).
  8. Jasińska, K. K., Berens, M. S., Kovelman, I., Petitto, L. A. Bilingualism yields language-specific plasticity in left hemisphere's circuitry for learning to read in young children. Neuropsychologia. 98, 34-45 (2016).
  9. Jasińska, K. K., Petitto, L. A. Development of neural systems for reading in the monolingual and bilingual brain: new insights from functional near infrared spectroscopy neuroimaging. Dev Neuropsychol. 39 (6), 421-439 (2014).
  10. Petitto, L., et al. The "Perceptual Wedge Hypothesis" as the basis for bilingual babies' phonetic processing advantage: new insights from fNIRS brain imaging. Brain Lang. 121 (2), 130-143 (2012).
  11. Jasper, H. H. Report of the Committee on Methods of Clinical Examination in Electroencephalography. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10 (2), 370-371 (1958).
  12. Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. Journal of visualized experiments. (29), (2009).
  13. Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Comput Intell Neurosci. 2011, 879716(2011).
  14. Tak, S., Ye, J. C. Statistical analysis of fNIRS data: A comprehensive review. Neuroimage. 85, Part 1 (0), 72-91 (2014).
  15. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
  16. Huppert, T. J. T. J., Diamond, S. G. S. G., Franceschini, M. A. M. A., Boas, D. A. D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48 (10), D280-D298 (2009).
  17. Huppert, T. J. Commentary on the statistical properties of noise and its implication on general linear models in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 3 (1), 010401(2016).
  18. Rosso, A. L., et al. Neuroimaging of an attention demanding dual-task during dynamic postural control. Gait Posture. 57, 193-198 (2017).
  19. Jang, K. E. K. E., et al. Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034004-034004 (2009).
  20. Worsley, K. J., Friston, K. J. Analysis of fMRI time-series revisited--again. Neuroimage. 2 (3), 173-181 (1995).
  21. Friston, K. J., Josephs, O., Rees, G., Turner, R. Nonlinear event-related responses in fMRI. Magn Reson Med. 39 (1), 41-52 (1998).
  22. Sun, J. Y. Tail Probabilities of the Maxima of Gaussain Random-Fields. The Annals of Probability. 21 (1), 34-71 (1993).
  23. Sun, J. Y., Loader, C. R. Simultaneous Confidence Bands for Linear-Regression and Smoothing. The Annals of Statistics. 22 (3), 1328-1345 (1994).
  24. Molfese, P. J., Glen, D., Mesite, L., Pugh, K., Cox, R. Organization of Human Brain Mapping. , Honolulu Hawaii. (2015).
  25. Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
  26. Cui, X. Handy programs to visualize NIRS data (6): plotAverage. , Available from: http://www.alivelearn.net/?p=1533 (2013).
  27. Krosin, M. T., Klitzman, R., Levin, B., Cheng, J., Ranney, M. L. Problems in comprehension of informed consent in rural and peri-urban Mali, West Africa. Clinical Trials. 3, (2006).
  28. Leach, A. An evaluation of the informed consent procedure used during a trial of a Haemophilus influenzae type B conjugate vaccine undertaken in The Gambia, West Africa. Soc Sci Med. 48, (1999).
  29. Molyneux, C. S., Peshu, N., Marsh, K. Understanding of informed consent in a low-income setting: three case studies from the Kenyan Coast. Soc Sci Med. 59, (2004).
  30. Oduro, A. R. Understanding and retention of the informed consent process among parents in rural northern Ghana. BMC Med Ethics. 9 (1), 1-9 (2008).
  31. Tindana, P. O., Kass, N., Akweongo, P. The Informed Consent Process in a Rural African Setting:: A Case Study of the Kassena-Nankana District of Northern Ghana. IRB. 28 (3), 1-6 (2006).
  32. Lloyd-Fox, S., et al. fNIRS in Africa & Asia: an Objective Measure of Cognitive Development for Global Health Settings. The FASEB Journal. 30 (1 Supplement), (2016).
  33. Storrs, C. Nature News. , Nature Publishing Group. (2018).
  34. Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740(2014).
  35. Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

fNIRS NeuroimagingChild Brain DevelopmentPortable NeuroimagingField Neuroimaging Methods3D Digitizer MeasurementOptode PlacementHead MeasurementStimulus PresentationData Recording

Powiązane artykuły