Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

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

14.3K wyświetleń

⸱

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

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

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

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

Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Komisję Bioetyczną (IRB) Uniwersytetu Delaware.

1. Transport i konfiguracja mobilnego laboratorium

  1. Podróżowanie z urządzeniem fNIRS
    1. Przetransportuj urządzenie fNIRS.
      UWAGA: Urządzenie fNIRS może być transportowane jako bagaż rejestrowany w głównych liniach lotniczych międzynarodowych, jednak konieczne jest potwierdzenie tego w danej linii. Ograniczenia dotyczące sprzętu mogą się różnić w zależności od kraju pochodzenia lub przeznaczenia. Alternatywnie urządzenie fNIRS można wysłać przesyłką.
    2. Zapoznaj się z procedurami importu lub podróżowania z urządzeniem fNIRS w kraju docelowym i, jeśli jest to wymagane, uzyskaj odpowiednią dokumentację zatwierdzającą import.
    3. Przygotuj się na kontrole.
      UWAGA: Organy kontrolne (np. Transportation Security Administration) zastrzegają sobie prawo do kontroli bagażu rejestrowanego. Delikatne światłowody fNIRS mogą ulec uszkodzeniu podczas kontroli. Zadbaj o to, aby całemu sprzętowi towarzyszyła odpowiednia dokumentacja.
  2. Niezbędne wyposażenie laboratoryjne w terenie
    1. Przygotuj się na warunki klimatyczne panujące w terenie.
      UWAGA: Warunki temperatury i wilgotności w terenie mogą znacznie różnić się od tych w laboratorium i mogą wpływać na funkcjonowanie i trwałość sprzętu, a także na komfort uczestnika podczas eksperymentu. Elektronika pracująca w warunkach wysokiej wilgotności, zazwyczaj powyżej 60%, jest bardziej podatna na korozję, ponieważ nadmierna wilgoć może osiadać na częściach i reagować z komponentami metalowymi. Poziom wilgotności w laboratorium wewnątrz budynku (np. w budynku uniwersyteckim) wynosi zazwyczaj od 30-50%. Wilgotność w południowej części Wybrzeża Kości Słoniowej może wynosić 80-95%. Zainstaluj przenośną klimatyzację o niskim zapotrzebowaniu na moc.
    2. Zapewnij odpowiednie zasilanie elektryczne. Ponieważ w warunkach wiejskich zasilanie elektryczne może być niedostępne, może działać tylko przerywanie lub z niewystarczającą mocą, użyj przenośnych generatorów solarnych do zasilania małej i średniej elektroniki. Przygotuj generator diesla jako zasilanie zapasowe. Zatrudnij lokalnego elektryka, który zna problemy z zasilaniem w warunkach wiejskich.
    3. Przygotuj odpowiednią strukturę laboratoryjną o minimalnym czasie montażu, taką jak duży specjalistyczny namiot z nieprzezroczystym i wodoodpornym dachem oraz ścianami.
      UWAGA: Mało prawdopodobne jest, aby dostępne były pomieszczenia (np. sala lekcyjna w lokalnej szkole), które zapewniłyby wodoodporną i cichą przestrzeń do testów.
  3. Konfiguracja przenośnego laboratorium (Rycina 1)
    1. Zmontuj mobilne laboratorium (np. specjalistyczny namiot). Upewnij się, że laboratorium jest wystarczająco duże, aby pomieścić miejsce siedzące dla uczestnika przy biurku, miejsca siedzące dla dwóch eksperymentatorów, komputer do prezentacji bodźców, komputer do gromadzenia danych fNIRS, przenośną jednostkę fNIRS, digitalizator trójwymiarowy (3D) oraz przenośną klimatyzację.

Schemat układu spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIRS) i eksperyment; pomiar aktywności mózgu u dziecka.
Rycina 1. Schematy. (A) Schemat układu laboratoryjnego. (B) Przygotowanie uczestnika do gromadzenia danych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Lokalne zespoły badawcze i partnerzy naukowi

  1. Inwestuj w tworzenie współpracy naukowej i zapewnij lokalnym badaczom możliwości w ramach ram badawczych.
  2. Nawiąż partnerstwo z lokalnymi instytucjami naukowymi w celu zapewnienia inkluzywności. Uzyskanie uznania w środowisku naukowym na poziomie lokalnym jest istotne dla komunikowania końcowych wyników badań w regionie.
  3. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek działań badawczych skonsultuj się z odpowiednimi lokalnymi organami w celu uzyskania zezwolenia i licencji na prowadzenie działalności. Zapoznaj się z procedurami przeglądu etycznego w kraju docelowym i wprowadź odpowiednie dostosowania, jeśli nie istnieje formalna procedura przeglądu naukowego.
    UWAGA: Na przykład bezpośrednia komunikacja z przedstawicielami Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego i Nauki (lub porównywalnego organu rządowego) oraz uzyskanie ich zgody może zastąpić procedurę przeglądu etycznego.

3. Świadoma zgoda i zgoda dziecka

  1. Opracować procedurę wyrażania zgody, która jest odpowiednia kulturowo i zapewnia, że uczestnicy, ich rodziny oraz społeczności są poinformowani o badaniach i swojej decyzji dotyczącej udziału w studium.
  2. Przeanalizować lokalne zwyczaje i historię podczas typowego opracowywania protokołu i włączyć do tego procesu członków grupy, w której badania mają zostać przeprowadzone.
    1. Upewnić się, że przed przystąpieniem do badań uzyskano wyraźną zgodę od lokalnych liderów (np. naczelnika wioski, starszyzny społeczności, itp.).
      UWAGA: Może zostać ona wyrażona poprzez błogosławieństwo przodków lub w jakikolwiek inny sposób typowy dla danej społeczności. Po uzyskaniu zgody od naczelnika wioski zwyczaje kulturowe mogą obejmować wylanie wina na ziemię i prośbę do przodków o zatwierdzenie i pobłogosławienie działań badawczych.
  3. Na poziomie bardziej formalnym uzyskać zgodę grup rodziców i pedagogów, które są odpowiedzialne za podejmowanie decyzji dotyczących udziału dzieci w zatwierdzonych przez szkołę zajęciach. Na przykład grupa rodziców i nauczycieli („Comité de Gestion d'Ecoles – COGES” w Wybrzeżu Kości Słoniowej) jest kluczowym interesariuszem w krajowym systemie edukacji podstawowej, składającym się z członków wyznaczonych przez rodziców uczniów w celu reprezentowania ich interesów w procesach decyzyjnych oraz we wszystkich innych aspektach związanych z edukacją ich dzieci.
  4. Uzyskać zatwierdzenie wszystkich działań badawczych przez lokalne władze, na przykład Ministerstwo Edukacji Wybrzeża Kości Słoniowej lub Ministerstwo Szkolnictwa Wyższego i Badań. Kraj, w którym realizowany będzie projekt, może nie posiadać formalnej procedury zatwierdzania etycznego przez IRB. Należy sprawdzić przepisy, aby upewnić się, że przestrzegane są właściwe protokoły uzyskiwania zgody etycznej na badania.
    UWAGA: W czasie uzyskiwania zatwierdzenia Wybrzeże Kości Słoniowej nie posiadało formalnego procesu przeglądu IRB. Zamiast tego zespół badawczy przygotował dokumentację podobną do wniosku do IRB i przedłożył ją w Ministerstwie Edukacji. Zorganizowano szereg spotkań z Ministerstwem Edukacji, Ministerstwem Szkolnictwa Wyższego oraz urzędnikami ds. badań, podczas których zespół badawczy zaprezentował proponowany plan badań wszystkim urzędnikom, po czym nastąpiły dyskusje grupowe oraz sesje pytań i odpowiedzi. Zgoda etyczna została uzyskana bezpośrednio z Ministerstwa Edukacji w formie podpisanego dokumentu udzielającego upoważnienia do prowadzenia badań z dziećmi w określonych szkołach. Studium to otrzymało zatwierdzenie etyczne od IRB University of Delaware.
  5. Wyjaśnić cel badań prostymi słowami dzieciom uczestniczącym w procedurze uzyskiwania zgody dziecka (assent). Lokalna społeczność może wysoko cenić posłuszeństwo dziecka, w takim przypadku dziecko może wyrazić zgodę na udział lub kontynuowanie udziału w badaniu mimo niechęci, ze względu na oczekiwania kulturowe. Należy zadbać, aby procedura uzyskiwania zgody jasno komunikowała dobrowolność udziału w badaniach.
  6. Jasno określić, jakie korzyści z badań odniosą uczestnicy i czy otrzymają oni wynagrodzenie za swój udział. Należy upewnić się, że wynagrodzenie jest odpowiednie zarówno pod względem kulturowym, jak i dla samych uczestników.
  7. Wszystkie procedury wyrażania zgody i uzyskiwania zgody dzieci przeprowadzić w lokalnym lub preferowanym języku uczestnika, przez przeszkolonego członka zespołu badawczego, który jednocześnie należy do danej grupy językowej i kulturowej.

4. Rozmieszczenie czujników fNIRS na skórze głowy i pomiar

  1. Pomiary głowy
    1. Poproś uczestnika o zajęcie miejsca na krześle i wyjaśnij przebieg procesu pomiaru głowy.
    2. Za pomocą standardowej miarki zmierz odległości pomiędzy: (1) nasion a inion wzdłuż obwodu głowy, (2) nasion a inion przez szczyt głowy wzdłuż linii środkowej centralnej (Cz)11 oraz (3) odległość między tragus lewego a prawego ucha przez szczyt głowy przez Cz.
  2. Założenie czepek fNIRS i rozmieszczenie optod w głowie uczestnika 3,8,9,12
    1. Załóż na głowę uczestnika czepiec do optod fNIRS, dopasowując go do międzynarodowego systemu 10-20 lokalizacji na skalpie11. Upewnij się, że pozycja czepca jest identyczna dla wszystkich uczestników. Dopasuj punkty na czepku (np. uchwyty sond) do pozycji na skalpie.
      UWAGA: Przykładowo, wycentruj przód czepka na głowie w pozycji przedczołowej (FP). Pozycja ta odpowiada 10% odległości nasion-inion przez szczyt głowy, mierząc grzbietowo od pozycji nasion.
    2. Zabezpiecz czepiec paskiem i upewnij się, że uczestnik czuje się komfortowo.
  3. Pomiar cyfryzatorem 3D
    1. Po ustawieniu czepka poproś uczestnika o pozostanie w bezruchu w celu wykonania pomiaru cyfryzatorem 3D kluczowych pozycji skalpu systemu 10-2011 oraz każdego uchwytu optody.
    2. Przygotuj sprzęt do cyfryzacji 3D. Umieść jeden czujnik na głowie uczestnika w punkcie Cz i przymocuj go stabilnie (t.j. za pomocą opaski elastycznej lub akcesorium do włosów), a drugi czujnik blokowy umieść za uczestnikiem. Uczestnik powinien siedzieć na krześle tyłem do stołu. Umieść drugi czujnik na stole bezpośrednio za głową uczestnika. Upewnij się, że żaden z czujników nie przesuwa się podczas wykonywania pomiaru cyfryzatorem 3D.
    3. Otwórz oprogramowanie Brainstorm13 na komputerze do zbierania danych. Upewnij się, że system cyfryzacji 3D komunikuje się z oprogramowaniem Brainstorm poprzez odpowiedni port COM.
    4. Przesuń rysik cyfryzatora 3D do każdej lokalizacji sondy oraz przez kluczowe pozycje systemu 10-20 (nasion, inion, lewe ucho, prawe ucho, Cz). W każdej lokalizacji pobierz dane o pozycji za pomocą funkcji Brainstorm na komputerze do zbierania danych.
  4. Umieszczanie emitujących światło optod i detektorów na skalpie
    1. Po zebraniu danych z cyfryzatora 3D poproś uczestnika o wygodne zajęcie miejsca przed komputerem do prezentacji bodźców.
    2. W zintegrowanym oprogramowaniu fNIRS wybierz układ sond odpowiadający projektowi eksperymentu. Sondy fNIRS mogą być rozmieszczone tak, aby pokrywały całą głowę (t.j. pełne pokrycie głowy), lub alternatywnie, matrycę można umieścić nad ogólnymi obszarami zainteresowania. Przykładowo, w tym protokole zastosowano matrycę sond 10 x 3 (30 sond ułożonych w 3 rzędach po 10 sond w każdym). Ten układ sond został rozmieszczony tak, aby maksymalnie pokrywał ośrodki językowe lewej półkuli i ich homologi w prawej półkuli, a także płat czołowy (Rysunek 2).
    3. Upewnij się, że każda sonda (emiter i detektor) jest ponumerowana, a system numeracji odpowiada mapie układu sond.
    4. Kierując się mapą optod w zintegrowanym oprogramowaniu fNIRS, umieść każdą optodę w odpowiednim otworze w czepku. Mapa optod wskazuje lokalizację każdej optody w matrycy (np. 10 x 3).
    5. Odsuń włosy, aby zapewnić bezpośredni kontakt między końcówką optody a skalpem uczestnika.
    6. Po rozmieszczeniu wszystkich optod sprawdź jakość sygnału za pomocą zintegrowanego oprogramowania systemu fNIRS.
    7. Koryguj poszczególne sondy w razie potrzeby, aż zostanie osiągnięta wystarczająca jakość sygnału. Po pomyślnym przejściu kontroli jakości sygnału wszystkich optod, przystąp do zadań eksperymentalnych.

5. Zadania eksperymentalne

  1. Zaprojektuj każde zadanie neuroobrazowania z odpowiednią liczbą prób i warunków, zgodnie z celami badawczymi. Należy mieć na uwadze, że zadania neuroobrazowania będą się różnić w zależności od celów badań. Na przykład w niniejszym protokole wykorzystano trzy zadania: (1) zadanie przetwarzania języka i czytania, (2) zadanie oceny rymów oraz (3) zadanie elastyczności poznawczej.
    UWAGA: Procedura (oraz reprezentatywne wyniki) zadania oceny rymów zostały wyróżnione.
  2. Załóż uczestnikowi na głowę słuchawki z redukcją szumów, uważając, aby nie zakłócić rozmieszczenia sond fNIRS. Upewnij się, że słuchawki będą dostarczać uczestnikowi słuchowe bodźce mowy, a jednocześnie blokować wszelkie hałasy otoczenia.
    UWAGA: Testy laboratoryjne zazwyczaj odbywają się w pomieszczeniu wygłuszonym. Testy w warunkach terenowych nie zapewniają takiego samego stopnia kontroli hałasu, a słuchawki z redukcją szumów mogą zapewnić ciche warunki testowe dla wszystkich uczestników.
  3. Poleć uczestnikowi skierowanie wzroku w stronę monitora komputera i fiksację na krzyżyku na środku ekranu oraz pozostanie w bezruchu podczas eksperymentu. Wszystkie zadania eksperymentalne prezentuj na ekranie komputera.
  4. Zadanie oceny rymów
    1. Poleć uczestnikowi słuchanie par słów prezentowanych dźwiękowo przez słuchawki. Poproś uczestnika o wskazanie za pomocą naciśnięcia przycisku na klawiaturze, czy pary słów rymują się, czy nie (np. „kot”-„płot” lub „kot”-„dom”).
    2. W tym przykładzie zastosuj schemat zdarzeń (event-related design). Pozwól uczestnikom ukończyć 12 prób nierymujących się i 12 prób rymujących, oddzielonych zmiennymi odstępami międzybodźcowymi (jittered inter-stimulus intervals) od 8 do 17 s.
      UWAGA: Zadania powinny być tworzone w sposób dostosowany do uczestnika. W badaniu przywołanym w tym miejscu naukowcy badali rozwój języka, funkcje poznawcze i umiejętności czytania u dzieci z bardzo słabymi umiejętnościami czytania. Zadanie neuroobrazowania czytania opracowano przy użyciu słów odpowiednich dla dziecka z minimalnymi umiejętnościami piśmienniczymi. Ponadto dzieci do paradygmatu neuroobrazowania wybrano na podstawie wyników uzyskanych w ocenie czytania.
  5. Przyciemnij światła i rozpocznij nagrywanie uczestnika za pomocą wbudowanej kamery wideo.
  6. Rozpocznij rejestrację danych fNIRS na komputerze sterującym fNIRS i uruchom zadania na komputerze do prezentacji bodźców.
  7. Monitoruj wyniki uczestnika podczas wszystkich zadań. Zapewnij przerwy między zadaniami a seriami (runs).
  8. Upewnij się, że sygnały wyzwalające (triggering) z komputera do prezentacji bodźców eksperymentalnych są odbierane przez komputer sterujący fNIRS.
  9. Po zakończeniu wszystkich zadań przerwij zbieranie danych wideo i fNIRS.

6. Pomiary zadań poeksperymentalnych

  1. Wyjmij każdy optod z nakładki uchwytu optodów.
  2. Nie zmieniając położenia nakładki uchwytu optodów na głowie uczestnika, poproś go o zajęcie pozycji umożliwiającej wykonanie drugiego pomiaru cyfryzatorem 3D.
  3. Powtórz pomiar cyfryzatorem 3D zgodnie z sekcją 4 dotyczącą rozmieszczenia sondy fNIRS na skórze głowy i pomiaru, aby upewnić się, że wszelkie przesunięcia pozycji sondy podczas eksperymentu można wykryć poprzez porównanie dwóch plików z pozycjami.
  4. Zdejmij nakładkę uchwytu optodów z głowy uczestnika.
  5. Po zakończeniu eksperymentu wręcz uczestnikom drobny upominek (np. książki i przybory szkolne) oraz podziękuj im w imieniu zespołu badawczego za udział w badaniu.

7. Plan upowszechniania danych

  1. Udostępnij wyniki badań członkom społeczności oraz odpowiednim lokalnym organom władzy w celu ich ewentualnego przełożenia na politykę rozwiązującą badany problem.
    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 testy opracowane w lokalnych językach powinny zostać udostępnione władzom szkół w regionie. Przygotuj członków zespołu badawczego władających lokalnym językiem do spotkań z liderami społeczności w celu przekazania wyników badania.
  3. Zaplanuj publikację wyników badania w regionalnych czasopismach akademickich i w języku regionu, jeśli jest to możliwe. Na przykład wyniki badania powinny zostać rozpowszechnione w języku francuskim, jeśli badania prowadzono w krajach frankofońskich.
  4. Zaplanuj spotkania oraz dostarczenie raportów z wynikami badania do organu rządowego, który wyraził zgodę na program badawczy.

8. Kopia zapasowa danych

  1. Należy upewnić się, że dane zostały wyeksportowane i utworzono ich kopie zapasowe na kilku przenośnych dyskach twardych, ponieważ dostęp do Internetu w celu zapisania danych w chmurze może być utrudniony. Dane należy przenieść do internetowej pamięci masowej, gdy tylko zostanie zapewnione odpowiednie połączenie z Internetem.

9. Analiza danych

UWAGA: Do analizy danych fNIRS istnieje wiele pakietów oprogramowania14. Do analizy danych fNIRS wykorzystuje się Statistical Parametric Mapping for Near-Infrared Spectroscopy (NIRS-SPM)15, Homer216 (powszechnie stosowany) oraz fNIRS toolbox 17,18 (nowy i zyskujący na popularności). Niniejszy protokół omawia metody analizy danych z wykorzystaniem NIRS-SPM, jednak wybór preferowanej metody analizy pozostaje w gestii badacza.

  1. Przeanalizuj dane z systemu fNIRS przy użyciu programu NIRS-SPM w wersji 415,19. Ten zestaw narzędzi dla pakietu do neuroobrazowania SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analizuje dane NIRS z wykorzystaniem podejścia opartego na ogólnym modelu liniowym i umożliwia tworzenie map aktywacji z lokalizacją o superrozdzielczości.
  2. Konwersja danych na HbO i HbR
    1. Użyj zmodyfikowanego równania Beera-Lamberta (w programie NIRS-SPM), aby przekształcić wartości gęstości optycznej w zmiany stężeń odpowiedzi HbO i HbR.
  3. Wstępne przetwarzanie danych
    1. Użyj jednej z wielu dostępnych opcji wstępnego przetwarzania danych fNIRS.
      UWAGA: Huppert et al.17 proponują bardzo rygorystyczne metody dla różnych źródeł szumów16. Obejmują one redukcję artefaktów ruchowych opartą na wektorach własnych, techniki filtrowania pasmowo-przepustowego oraz redukcję współwariancji przestrzennej opartą na wektorach własnych w celu eliminacji zakłóceń fizjologicznych w danych (np. oddychania, ciśnienia krwi, tętna). Autorzy udostępniają również szczegółowy komentarz dotyczący źródeł szumów w badaniach fNIRS i ich wpływu na analizę statystyczną. Badacz fNIRS musi dobrać aplikacje do wstępnego przetwarzania, które są najbardziej odpowiednie dla konkretnego badania. Poniżej przedstawiono podejście analityczne opracowane na podstawie prac Worsely'ego i Fristona20 oraz Jang et al.19.
    2. Dokonaj dekompozycji zmian stężeń HbO i HbR za pomocą algorytmu detrendingu Wavelet-Minimum Description Length (MDL), aby usunąć globalne trendy wynikające z oddychania, wahań ciśnienia krwi, wasomotoryki lub artefaktów ruchowych uczestnika oraz aby poprawić stosunek sygnału do szumu19.
    3. Zastosuj do danych filtr dolnoprzepustowy o kształcie funkcji odpowiedzi hemodynamicznej i użyj metody prekoloryzacji Worsely'ego i Fristona20 w celu usunięcia korelacji czasowych.
  4. Generowanie modelu i analiza statystyczna
    1. Wygeneruj modele dla HbO i HbR zawierające regresory eksperymentalne splotowane z odpowiadającą im funkcją odpowiedzi hemodynamicznej wraz z pochodnymi czasowymi21.
      UWAGA: Funkcja odpowiedzi hemodynamicznej może wykazywać większą zmienność w wyższych obszarach kory oraz pomiędzy uczestnikami. Tego rodzaju zmienność można uwzględnić w modelach analizy poprzez rozszerzenie HRF o pochodne czasowe. Użyj pochodnej czasowej do modelowania różnic w czasie osiągnięcia szczytowej odpowiedzi hemodynamicznej21.
    2. Użyj programu NIRS-SPM do stworzenia modeli dla HbO i HbR o przeciwnej polaryzacji, tak aby istotne dopasowanie modelu dla HbO wskazywało na zwiększenie stężenia, a dla HbR na zmniejszenie stężenia5,18.
    3. Ustaw eksperymentalnie istotne kontrasty testu t lub testu F, aby sprawdzić wpływ jednego (lub kilku) regresorów (przy danej macierzy projektu) na modulację szeregów czasowych danych fNIRS.
  5. Wizualizacja wyników
    1. Wykonaj rejestrację przestrzenną kanałów NIRS w przestrzeni Montreal Neurological Institute (MNI), korzystając z danych z cyfryzatora 3D.
    2. Użyj zarejestrowanych danych fNIRS do stworzenia map aktywacji HbO, HbR i całkowitej hemoglobiny (THb) w oparciu o ogólny model liniowy i korekcję według formuły rury Suna22,23.
    3. Nałóż mapy aktywacji na odpowiedni szablon mózgu. Na przykład niedawny atlas mózgu dziecięcego Haskins Pediatric Brain Atlas zapewnia zestandaryzowany szablon dla dzieci w wieku od 6 do 12 lat24.

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

Wyniki

Dane dotyczące pozycji sondy uzyskane za pomocą digitalizatora 3D (Rysunek 2) można zwizualizować na standardowym szablonie mózgu. Należy zarejestrować kanały fNIRS w przestrzeni MNI, korzystając z samodzielnej funkcji rejestracji programu NIRS-SPM25. Funkcja rejestracji przestrzennej generuje współrzędne MNI, etykiety anatomiczne oraz obszary Brodmanna w maksymalnym stopniu reprezentowane przez każdy kanał.

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

Dyskusja

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

  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

Tagi

neuroobrazowanie fNIRSrozwój mózgu dzieckaprzenośne neuroobrazowaniemetody neuroobrazowania terenowegopomiar cyfryzatorem 3Drozmieszczenie optodówpomiar głowyprezentacja bodźcówrejestracja danych
Metody terenowe neuroobrazowania wykorzystujące funkcjonalną spektroskopię bliskiej podczerwieni (NIRS) Neuroobrazowanie do badania globalnego rozwoju dziecka: obszary wiejskie Afryki Subsaharyjskiej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.