Artykuł metodologiczny

Jednoczesne zbieranie danych z pomiarów fMRI i fNIRS przy użyciu matrycy optodowej całej głowicy i kanałów o krótkich odległościach

DOI:

10.3791/65088

⸱

20 października 2023

 ,  ,  , 
1Child Study Center, Yale University School of Medicine, 2Department of Psychology, University of Connecticut, 3Department of Psychology, Yale University

W tym artykule

Podsumowanie

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

Prezentujemy metodę jednoczesnego zbierania sygnałów fMRI i fNIRS od tych samych osób z pokryciem fNIRS całej głowy. Protokół został przetestowany na trzech młodych osobach dorosłych i może być dostosowany do zbierania danych do badań rozwojowych i populacji klinicznych.

Streszczenie

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

Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS) to przenośna metodologia neuroobrazowania, bardziej odporna na ruch i bardziej opłacalna niż funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI), co czyni ją wysoce odpowiednią do prowadzenia naturalistycznych badań funkcji mózgu oraz do stosowania w populacjach rozwojowych i klinicznych. Zarówno metodologia fNIRS, jak i fMRI wykrywają zmiany w utlenowaniu krwi mózgowej podczas funkcjonalnej aktywacji mózgu, a wcześniejsze badania wykazały wysoką zgodność przestrzenną i czasową między tymi dwoma sygnałami. Nie ma jednak ilościowego porównania dwóch sygnałów zebranych jednocześnie od tych samych osób z pokryciem fNIRS całej głowy. Porównanie to jest niezbędne do kompleksowej walidacji aktywacji na poziomie obszaru i łączności funkcjonalnej w odniesieniu do złotego standardu fMRI, co z kolei może ułatwić porównania tych dwóch sygnałów w całym okresie życia. Wypełniamy tę lukę, opisując protokół do jednoczesnego zbierania danych z sygnałów fMRI i fNIRS, który: i) zapewnia pokrycie fNIRS w całej głowie; ii) obejmuje pomiary na krótkich dystansach w celu regresji niekorowego, ogólnoustrojowego sygnału fizjologicznego; oraz iii) implementuje dwie różne metody korejestracji pomiarów fNIRS metodą optody do skóry głowy. Przedstawiono dane z badań fMRI i fNIRS od trzech badanych, a także omówiono zalecenia dotyczące dostosowania protokołu do badania populacji rozwojowych i klinicznych. Obecna konfiguracja z osobami dorosłymi pozwala na sesje skanowania trwające średnio około 40 minut, co obejmuje zarówno skany funkcjonalne, jak i strukturalne. W protokole przedstawiono kroki wymagane do dostosowania sprzętu fNIRS do użytku w środowisku rezonansu magnetycznego (MR), przedstawiono zalecenia dotyczące zarówno rejestracji danych, jak i korejestracji optody do skóry głowy, a także omówiono potencjalne modyfikacje protokołu w celu dopasowania do specyfiki dostępnego systemu fNIRS bezpiecznego dla MR. Reprezentatywne odpowiedzi tematyczne z zadania z szachownicą ilustrują wykonalność protokołu do pomiaru sygnałów fNIRS całej głowy w środowisku MR. Protokół ten będzie szczególnie istotny dla badaczy zainteresowanych walidacją sygnałów fNIRS w stosunku do fMRI przez cały okres życia.

Wprowadzenie

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

Funkcja poznawcza była badana w mózgu dorosłego człowieka za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) przez prawie trzy dekady. Chociaż fMRI zapewnia wysoką rozdzielczość przestrzenną oraz obrazy zarówno funkcjonalne, jak i strukturalne, często nie jest praktyczny w badaniach prowadzonych w kontekstach naturalistycznych lub do stosowania z niemowlętami i populacjami klinicznymi. Ograniczenia te znacznie ograniczają nasze zrozumienie funkcji mózgu. Alternatywą dla fMRI jest zastosowanie przenośnych metodologii, które są bardziej opłacalne i odporne na ruch, takich jak funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni (fNIRS)1,2,3. fNIRS został wykorzystany u niemowląt i małych dzieci do oceny funkcji mózgu w wielu domenach poznawczych, takich jak rozwój językowy, przetwarzanie społecznie istotnych informacji i przetwarzanie obiektów 4,5,6. fNIRS jest również metodą neuroobrazowania, szczególnie odpowiednią do testowania populacji klinicznych ze względu na jej potencjał do wielokrotnego testowania i monitorowania w różnych grupach wiekowych7,8,9. Pomimo szerokiego zastosowania, nie ma badań porównujących ilościowo sygnały fMRI i fNIRS zebrane jednocześnie od tych samych osób z pokryciem całej głowy. To porównanie jest konieczne, aby kompleksowo zweryfikować aktywacje na poziomie obszaru i łączność funkcjonalną między regionami zainteresowania (ROI) w odniesieniu do złotego standardu fMRI. Co więcej, ustalenie tej intermodalnej zgodności może potencjalnie poprawić interpretację fNIRS, gdy jest to jedyny zebrany sygnał zarówno w przypadku typowego, jak i nietypowego rozwoju.

Zarówno sygnały fMRI, jak i fNIRS wykrywają zmiany w natlenieniu krwi mózgowej (CBO) podczas funkcjonalnej aktywacji mózgu10,11. fMRI opiera się na zmianach w polach elektromagnetycznych i zapewnia wysoką rozdzielczość przestrzenną zmian CBO12. fNIRS, z kolei, mierzy poziomy absorpcji światła w bliskiej podczerwieni za pomocą serii optodów emitujących i wykrywających światło2. Ponieważ fNIRS mierzy zmiany absorpcji na różnych długościach fal, może ocenić zmiany stężenia zarówno w oksyhemoglobinie, jak i w deoksyhemoglobinie. Wcześniejsze badania wykorzystujące jednoczesne zapisy sygnałów fMRI i fNIRS z niewielką liczbą optodów wykazały, że te dwa sygnały mają wysoką zgodność przestrzenną i czasową10. Istnieją silne korelacje między fMRI zależnym od poziomu tlenu we krwi (BOLD) a pomiarami optycznymi11,13, przy czym deoksyhemoglobina wykazuje najwyższą korelację z odpowiedzią BOLD, zgodnie z wcześniejszymi pracami porównującymi dynamikę czasową funkcji odpowiedzi hemodynamicznej fNIRS i fMRI (HRFs)14. W tych wczesnych badaniach implementowano paradygmaty odpowiedzi motorycznej (tj. stukanie palcami) i stosowano ograniczoną liczbę optodów obejmujących pierwotne obszary kory ruchowej i przedruchowej. W ciągu ostatniej dekady badania rozszerzyły zakres zainteresowania o większą baterię zadań poznawczych i sesji w stanie spoczynku, chociaż nadal używają ograniczonej liczby optodów obejmujących określone zwroty z inwestycji. Badania te wykazały, że zmienność korelacji fNIRS/fMRI zależy od odległości optody od skóry głowy i mózgu15. Co więcej, fNIRS może zapewnić funkcjonalne pomiary łączności w stanie spoczynku porównywalne z fMRI16,17.

Obecny protokół opiera się na wcześniejszych pracach i rozwiązuje kluczowe ograniczenia poprzez: i) zapewnienie pokrycia fNIRS całej głowy, ii) włączenie pomiarów na krótkich dystansach dla regresji niekorowych sygnałów fizjologicznych, iii) implementację dwóch różnych metod korejestracji pomiarów fNIRS metodą optoda do skóry głowy oraz iv) umożliwienie oceny wiarygodności sygnału test-retest w dwóch niezależnych sesjach. Ten protokół jednoczesnego zbierania danych z sygnałów fMRI i fNIRS został początkowo opracowany do testowania młodych dorosłych. Jednak jednym z celów badania było stworzenie eksperymentalnego zestawu do jednoczesnego zbierania sygnałów fMRI/fNIRS, które można następnie zaadaptować do testowania populacji rozwojowych. W związku z tym obecny protokół może być również wykorzystany jako punkt wyjścia do opracowania protokołu testowania małych dzieci. Oprócz wykorzystania pokrycia fNIRS w całej głowie, protokół ma również na celu uwzględnienie najnowszych osiągnięć w dziedzinie sprzętu fNIRS, takich jak włączenie kanałów krótkodystansowych do pomiaru ogólnoustrojowego sygnału fizjologicznego (tj. zmian naczyniowych wynikających ze źródeł niekorowych, takich jak ciśnienie krwi, sygnały oddechowe i sercowe)18,19 ; oraz wykorzystanie czujnika struktury 3D do wspólnej rejestracji optody do skóry głowy20. Chociaż niniejszy protokół skupia się na wynikach zadania z wizualną szachownicą, cały eksperyment obejmuje dwie sesje z mieszanką tradycyjnych projektów zadań blokowych, sesji w stanie spoczynku i naturalistycznych paradygmatów oglądania filmów.

Protokół opisuje kroki potrzebne do dostosowania sprzętu fNIRS do użytku w środowisku MRI, w tym projekt czapki, wyrównanie czasowe poprzez synchronizację wyzwalacza i testy fantomowe wymagane przed rozpoczęciem zbierania danych. Jak już wspomniano, nacisk kładziony jest tutaj na wyniki zadania z szachownicą, ale ogólna procedura nie jest specyficzna dla zadania i może być odpowiednia dla dowolnej liczby paradygmatów eksperymentalnych. Protokół dodatkowo określa kroki wymagane podczas zbierania danych, które obejmują umieszczanie nasadki fNIRS i kalibrację sygnału, konfigurację uczestników i sprzętu eksperymentalnego, a także oczyszczanie i przechowywanie danych po eksperymencie. Protokół kończy się przedstawieniem przeglądu potoków analitycznych specyficznych dla wstępnego przetwarzania danych fNIRS i fMRI.

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

Protokół

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

Badania zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board (IRB) na Uniwersytecie Yale. Uzyskano świadomą zgodę u wszystkich uczestników. Badani musieli przejść badania przesiewowe MRI, aby zapewnić im bezpieczny udział. Zostali wykluczeni, jeśli mieli historię poważnych zaburzeń medycznych lub neurologicznych, które prawdopodobnie wpłynęłyby na funkcjonowanie poznawcze (tj. zaburzenie neurokognitywne lub depresyjne, trauma, schizofrenia lub zaburzenie obsesyjno-kompulsywne).

UWAGA: Obecny protokół wykorzystuje urządzenie CW-NIRS ze 100 kanałami dalekiego zasięgu i 8 kanałami krótkodystansowymi (32 źródła diod laserowych, λ = 785/830 nm o średniej mocy 20mW / długość fali, oraz 38 detektorów fotodiod lawinowych) próbkowanych z częstotliwością 1,95 Hz. Skany MRI i fMRI zostały pobrane na skanerze Siemens 3 Tesla Prisma przy użyciu 20-kanałowej cewki czołowej. Wszystkie dane zostały zebrane w Yale Brain Imaging Center (https://brainimaging.yale.edu/). Specyficzne dla systemu modyfikacje dotyczące jednoczesnego zbierania danych fMRI i fNIRS są odnotowywane w całym protokole.

1. Modyfikacje i rozwój sprzętu fNIRS do jednoczesnego zbierania danych

UWAGA: Kroki od 3 do 6 są specyficzne dla systemu NIRScoutXP i mogą nie mieć zastosowania do innych systemów fNIRS ze względu na różnice w oprogramowaniu do akwizycji i dostępnych fantomach do oceny optody.

  1. Przygotowanie nasadek fNIRS
    1. Zidentyfikuj nasadki fNIRS potrzebne do badania. W przypadku badania dla dorosłych upewnij się, że dostępne są następujące rozmiary nakrętek (w cm): 54, 56, 58 i 60.
    2. UWAGA: Rozmiary nasadek są specyficzne dla systemu używanego w tym protokole. W związku z tym mogą występować różnice w konkretnych rozmiarach potrzebnych dla różnych systemów NIRS.
    3. Używając kapsułek z witaminą E i materiału hydrofobowego (np. tkaniny nylonowej z powłoką PU), przygotuj materiały powiernicze. Owiń kapsułki wybranym materiałem i zszyj (lub przyklej) elementy odniesienia do wybranych obszarów (patrz Rysunek 1A). Kapsułki z witaminą E służą jako markery referencyjne do identyfikacji położenia kanałów fNIRS względem leżącej pod spodem tkanki mózgowej za pomocą obrazu T1w.
    4. Określ liczbę powierników w zależności od tablicy optodowej i metody korejestracji. Niektóre badania będą wymagały wykrycia tylko kilku anatomicznych punktów orientacyjnych, podczas gdy inne mogą skorzystać na umieszczeniu powierników obok każdej optode.
    5. Jeśli nasadka fNIRS jest zbyt luźna z tyłu głowy, przymocuj dwa paski po obu stronach nasadki za pomocą elastycznej tkaniny (z wyciętymi otworami na guziki) i guzików, aby zwiększyć możliwość regulacji nasadki. U wszystkich uczestników i niezależnie od tego, jak ciasna jest nasadka, zabezpiecz paski, aby zapewnić spójne ustawienie nasadki.
    6. Jeśli przód czapki jest zbyt ciasny na czole, umieść gumowe odbojniki na tych optodach, które mają bezpośredni kontakt ze skórą. Jeśli dostawca fNIRS nie zapewnia, utwórz je za pomocą naklejek z filcu. Jeśli używasz gumowych odbojników, używaj ich dla wszystkich uczestników, niezależnie od dopasowania nasadki, aby zapewnić spójną konfigurację nasadki. Upewnij się, że składniki w gumowych nie mają żadnych metalowych elementów, które chroniłyby przed artefaktami na obrazach MR.
  2. Ustawianie sprzętu fNIRS w pomieszczeniach kontrolnych i skanerów MRI
    1. Umieść urządzenie fNIRS w sterowni w pobliżu jednego z falowodów prowadzących do pomieszczenia skanera. W razie potrzeby użyj podwyższonej powierzchni (np. stołka schodkowego), aby upewnić się, że urządzenie fNIRS znajduje się jak najbliżej falowodów, aby zmaksymalizować długość światłowodu.
    2. Za pomocą siatki kablowej połącz światłowody w grupy. Określ te grupy na podstawie wybranej macierzy optodowej. Idealnie byłoby, gdyby światłowody były pogrupowane tak, aby wszystkie optody w grupie były umieszczone po tej samej stronie głowicy (lewy vs. prawy).
    3. Podłącz światłowody do urządzenia fNIRS i poprowadź wiązki do pomieszczenia skanera przez falowody. Przed zamówieniem światłowodów zmierz odległość między urządzeniem fNIRS a środkiem otworu skanera, aby upewnić się, że długość światłowodów będzie wystarczająca.
    4. Przyłóż światłowody do stołu skanera. Użyj mostka bezpiecznego dla rezonansu magnetycznego do przytrzymania światłowodów, aby upewnić się, że ciężar włókien nie spowoduje zwisania włókien i zapobiec odciągnięciu nasadki od głowy osoby badanej (patrz Rysunek 1B).
  3. Konfiguracja replikatora portów równoległych
    1. Zainstaluj najnowszą wersję oprogramowania NIRStar na komputerze akwizycji danych fNIRS.
    2. Podłącz replikator portu równoległego do przesyłającego impuls podobny do impulsu TTL (Tranzystor-tranzystor) ze skanera, jak wskazano w instrukcji wyzwalania producenta (wersja R2.1; patrz Rysunek 1C). Impuls TTL odpowiada impulsowi czasowemu slice wysyłanemu bezpośrednio ze skanera. Gdy skaner wysyła impuls, zaświeci się jeden ze wskaźników LED.
    3. Podłącz skrzynkę replikatora portów równoległych do urządzenia fNIRS za pomocą wejścia portu równoległego. Spowoduje to wysłanie wyzwalacza do oprogramowania NIRStar za każdym razem, gdy zostanie wykryty impuls TTL ze skanera. Sygnał wyzwalający zostanie odzwierciedlony na ekranie nagrywania akwizycji danych jako linia przerywana. Ta konfiguracja zapewnia synchronizację zbierania danych fNIRS i fMRI, ponieważ za każdym razem, gdy impuls czasowy warstwy jest zbierany w skanerze, zostanie to odzwierciedlone w strumieniu danych fNIRS zarejestrowanym przez oprogramowanie do akwizycji NIRStar.
  4. Przygotowanie fantomu statycznego do oceny optody
    1. Umieść optody w statycznym urządzeniu fantomowym dostarczonym przez dostawcę fNIRS. Rozmieszczenie optod na fantomie będzie zależało od typu instrumentu fNIRS oraz liczby dostępnych źródeł i detektorów. Sprawdź poprawny układ optodowy w przewodniku wprowadzającym dostawcy od producenta.
    2. Upewnij się, że fantom jest całkowicie osłonięty przed jakimkolwiek źródłem światła. Niektórzy dostawcy zapewniają dopasowaną obudowę, która pomaga chronić optody przed zewnętrznym źródłem światła.
    3. Podłącz wszystkie dostępne źródła i wiązki detektorów do fantomu fNIRS zgodnie z określonym układem optodowym.
    4. Podłącz fantom fNIRS do komputera akwizycji i uruchom oprogramowanie do akwizycji NIRStar.
  5. Wykonywanie testu przyrządu do pomiaru fantomowego ciemnego szumu
    1. W pozycji menu Configure Hardware (Konfiguruj sprzęt) oprogramowania do akwizycji NIRStar otwórz kartę Channel Setup (Ustawienia kanałów). Upewnij się, że w obszarze Liczba źródeł i Liczba detektorów całkowita liczba dostępnych źródeł i detektorów jest ustawiona poprawnie. Potwierdź te ustawienia, klikając OK.
    2. Uruchom okno testu ciemnego szumu, klikając pozycję menu Diagnostyka w głównym menu okna NIRStar.
    3. Uruchom test, naciskając przycisk Uruchom test. Zapisz wyniki testu, naciskając przycisk Zapisz wyniki.
      UWAGA: Zapoznaj się z "Podręcznikiem wprowadzającym: Rozwiązywanie problemów z fantomem statycznym", aby uzyskać wskazówki dotyczące interpretacji wyników.
  6. Wykonywanie testu kalibracji fantomu
    1. W pozycji menu Configure Hardware (Konfiguruj sprzęt) w oprogramowaniu do akwizycji NIRStar otwórz kartę Channel Setup (Ustawienia kanałów). Upewnij się, że w obszarze Liczba źródeł i Liczba detektorów całkowita liczba dostępnych źródeł i detektorów jest ustawiona poprawnie.
    2. W pozycji menu Configure Hardware (Konfiguruj sprzęt) otwórz kartę Channel Masking (Maskowanie kanałów). Zamaskuj wszystkie kanały, naciskając przycisk Select All (Zaznacz wszystko).
    3. W pozycji menu Konfiguruj sprzęt, na karcie Specyfikacja sprzętu wybierz opcję Fantom statyczny w obszarze Typ badania. Potwierdź te ustawienia, klikając przycisk OK.
    4. Rozpocznij kalibrację, naciskając przycisk Kalibruj. Po zakończeniu kalibracji naciśnij przycisk Szczegóły, aby view szczegółowe wyniki kalibracji.
      UWAGA: Zapoznaj się z "Podręcznikiem wprowadzającym: Rozwiązywanie problemów z fantomem statycznym", aby uzyskać wskazówki dotyczące interpretacji wyników.

figure-protocol-1
Rysunek 1. Sprzęt do jednoczesnego zbierania danych z pomiarów fMRI i fNIRS. (A) Woreczek wykonany z czarnego, wodoodpornego materiału do przechowywania kapsułek z witaminą E naszytych na nasadce fNIRS przylegającej do każdej optode. (B) Bezpieczny most MRI do utrzymywania światłowodów nad podłogą, aby mogły dotrzeć do głowy uczestnika podczas zbierania danych. (C) Replikator z portem równoległym, który przesyła impulsy ze skanera do urządzenia fNIRS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Projekt zadania eksperymentalnego

  1. Zdecyduj o czasie trwania sesji skanowania, biorąc pod uwagę komfort uczestnika wewnątrz skanera. Na przykład przedstawione tutaj badanie obejmuje dwa obrazy strukturalne (T1w i T2w) o łącznym czasie trwania około 14 minut oraz pięć przebiegów funkcjonalnych trwających dodatkowo około 25 minut.
    UWAGA: Pilotaż badania z udziałem kilku uczestników będzie konieczny do określenia odpowiedniej długości badania, ponieważ czynniki specyficzne dla badania (np. wiek uczestnika, rozmiar czapki) będą decydować o poziomie komfortu.
  2. Zaprojektuj zadania neuroobrazowania zgodnie z celami badawczymi. Będzie to dotyczyło konkretnego badania. W tym miejscu przedstawiono procedurę (i reprezentatywne wyniki) zadania z szachownicą.

3. Umieszczenie nasadki fNIRS i kalibracja sygnału w dniu testów

UWAGA: Wszystkie poniższe kroki odbywają się w pomieszczeniach kontrolnych lub zgody MRI, chyba że zaznaczono inaczej.

  1. Zbieranie pomiarów głowicy i dobór nasadki fNIRS
    1. Po podpisaniu przez uczestnika odpowiednich formularzy zgody i otrzymaniu instrukcji dotyczących nadchodzących zadań, poproś, aby usiadł na krześle znajdującym się w sterowni.
    2. Używając standardowej miękkiej taśmy mierniczej, owiń taśmę wokół najszerszego możliwego obwodu głowy uczestnika; od najbardziej widocznej części czoła (często 1 lub 2 palce nad brwią) do najszerszej części tyłu głowy i z powrotem dookoła. Postaraj się znaleźć jak najszerszy obwód.
    3. Wybierz rozmiar czapki najbliższy zmierzonemu obwodowi.
  2. Mocowanie sond detektora krótkiego zasięgu na nasadce
    UWAGA: Ten krok jest specyficzny dla systemów NIRx i może nie mieć zastosowania do innych urządzeń fNIRS.
    1. Umieść sondy detektora krótkiego zasięgu, mocno chwytając podstawę i przesuwając ją wokół części przelotki, która przechodzi przez siatkę nasadki fNIRS (patrz Rysunek 2A). Uważaj, aby nie wyciągnąć sond detektora krótkiego zasięgu z, ponieważ może to spowodować uszkodzenie.
      UWAGA: Decydując o rozkładzie sond, zapoznaj się z ostatnimi pracami porównującymi rozkłady dla całej głowicy i dla ROI18.
    2. W razie potrzeby użyj klipsów do organizowania włókien dostarczonych przez producenta do zarządzania. Upewnij się, że detektora na krótkie odległości są skierowane w stronę tylnej części nasadki, aby obszar wokół twarzy był czysty.
  3. Zakładanie nasadki i optodów fNIRS na głowę uczestnika
    1. Poproś uczestnika, aby założył czapkę, zsuwając ją prosto z czubka głowy, tak jakby zakładał czapkę zimową. Upewnij się, że nasadka jest prosta, a uszy znajdują się w otworach na uszy.
    2. Poproś uczestnika, aby zacisnął pasek podbródkowy tak mocno, jak jest to wygodne. Dokręć tylne paski i upewnij się, że nasadka jest dobrze zamocowana, a gniazda optode są mocno przymocowane do głowicy.
    3. Umieść zielone naklejki, aby zaznaczyć kluczowe lokalizacje odniesienia zgodnie z 10-20 pozycjami systemu (inion, nasion, punkty przeduszne przed uchem i Cz)21.
      UWAGA: Zielone naklejki są niezbędne w przypadku korzystania z czujnika struktury 3D do określania współrzędnych przestrzennych lokalizacji źródła i optody detektora. Może się to różnić w zależności od typu czujnika struktury 3D. Obecny protokół wykorzystuje czujnik struktury (Mark II) z klasy Occipital20.
    4. Za pomocą taśmy mierniczej symetrycznie wyrównaj punkty na czapce z punktami skóry głowy, upewniając się, że i) punkty przeduszne są w równej odległości od punktu Cz oraz ii) punkt wcięcia i punktu nasion są w równej odległości od punktu Cz. Upewnij się, że pozycja nasadki jest identyczna dla wszystkich uczestników.
  4. Uzyskanie modelu głowy uczestnika za pomocą digitizera 3D sensora struktury
    1. Poinstruuj uczestnika, aby siedział nieruchomo, aby stworzyć model 3D swojej głowy.
    2. Otwórz strukturę aplikacji na tablecie lub iPadzie.
      UWAGA: Protokół opisuje kroki potrzebne do stworzenia siatki głowy z czujnikiem struktury (Mark II) z Occipital20. Te kroki mogą się różnić w zależności od systemu.
    3. Upewnij się, że następujące ustawienia są wyłączone: Kolor w wysokiej rozdzielczości, automatyczna ekspozycja w podczerwieni i Ulepszony tracker.
    4. Wyśrodkuj uczestnika tak, aby cała jego głowa znajdowała się w kwadracie 3D na ekranie, cała głowa była renderowana, a w kadrze nie było zbyt wiele ramion.
    5. Ostrożnie wykonaj 360-stopniowy spacer wokół uczestnika, aby utworzyć skan 3D. Poczekaj, aż aplikacja przechwyci obraz mniej więcej co 90°, zanim przejdziesz dalej (patrz Rysunek 3A).
    6. Po przechwyceniu całego skanu naciśnij przycisk po prawej stronie ekranu, aby utworzyć renderowanie 3D.
    7. Sprawdź rendering, aby upewnić się, że jest wyraźny i zawiera wystarczająco dużo szczegółów, aby ustalić rozmieszczenie optodów i zielonych naklejek referencyjnych. Przechowuj skan 3D na serwerze chronionym przez HIPAA.
  5. Przygotowanie uczestnika do wejścia do pomieszczenia skanera
    1. Po wygenerowaniu modelu 3D usuń zielone naklejki i poinstruuj uczestnika, aby umieścił zatyczki do uszu w uszach.
    2. Postępuj zgodnie z instrukcjami obowiązującymi w centrum obrazowania MR, aby upewnić się, że uczestnik może bezpiecznie wejść do pomieszczenia skanera. Ten etap zwykle polega na potwierdzeniu z uczestnikiem, że w jego ciele nie ma metali i przejściu przez wykrywacz metalu jako ostateczną kontrolę. Kwestionariusz bezpieczeństwa MRI wypełniony przez pacjenta przed przybyciem jest często wymagany przez większość ośrodków obrazowania.
  6. Umieszczanie sond źródła i detektora na nasadce fNIRS
    1. W pomieszczeniu skanera poinstruuj uczestnika, aby usiadł wygodnie na stole skanera.
    2. Stabilizując każdą przelotkę optode jedną ręką, drugą ręką użyj aplikatora bezpiecznego dla rezonansu magnetycznego, aby odepchnąć włosy od środka przelotki (patrz Rysunek 2B). Gdy włosy zostaną wystarczająco odsunięte od obszaru (najlepiej tak, aby skóra głowy była widoczna), mocno wciśnij optodę w przelotkę.
    3. Upewnij się, że po zwolnieniu napięcia przelotki włosy nie powrócą, aby zasłaniać środek optody. W przypadku korzystania z układu całej głowy zaleca się ustawienie optodów z tyłu głowy tak, aby ich włókna były skierowane do przodu, a te optody z przodu głowy z włóknami skierowanymi do tyłu. Taka konfiguracja światłowodów zapobiegnie ich splątaniu lub zaciśnięciu, gdy uczestnik położy się i umieści głowę w cewce głowicy MRI.
      UWAGA: Ten proces wstawiania i wyrównywania włókien jest szybszy i łatwiejszy do przeprowadzenia z dwoma eksperymentatorami umieszczonymi po każdej stronie uczestnika, jednocześnie zamykającymi się.
    4. Ułóż światłowody starannie w wiązkach za pomocą organizerów (patrz Rysunek 2B i Rysunek 3B). Przeprowadź test, kalibrację i pomiar siły sygnału za pomocą oprogramowania NIRStar. Umieszczenie optody i kalibracja wykonana przez dwóch doświadczonych badaczy zajmie około 10 minut.
    5. Dostosuj poszczególne optody zgodnie z potrzebami, aż zostanie osiągnięta wystarczająca jakość sygnału poprzez przemieszczenie przeszkadzających włosów z problematycznych optod. Usuń optody z nasadki, aby przesunąć włosy za pomocą plastikowej pęsety (patrz Rysunek 2B).

figure-protocol-2
Rysunek 2. Detektory krótkich odległości i narzędzia do przygotowania nasadki fNIRS. (A) Sondy detektora krótkiego zasięgu i gumowe zderzaki do przymocowania do nasadki fNIRS nad obszarami czołowymi, w których występuje minimalna ilość włosów. (B) Od lewej do prawej: Organizery do układania światłowodów w wiązki, aplikatory bezpieczne dla MRI do odpychania włosów podczas umieszczania optody oraz plastikowa pęseta do usuwania optodów z nasadki, jeśli to konieczne podczas ustawiania nasadki NIRS w celu przemieszczenia włosów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 3. Digitizer czujnika struktury 3D i umieszczenie nasadki fNIRS. (A) Eksperymentator wykorzystujący digitizer czujnika struktury 3D do stworzenia modelu 3D głowy uczestnika. Zielone naklejki służą do identyfikacji lokalizacji referencyjnych. (B) Światłowody włożone do nasadki fNIRS na głowie uczestnika i ułożone w wiązki za pomocą organizerów przed kalibracją sygnału. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Ustawienia uczestnika

UWAGA: Następujące kroki są przeprowadzane w pomieszczeniu skanera MRI. Użycie pasa oddechowego i pulsoksymetru jest opcjonalne i potrzebne tylko wtedy, gdy badacze są zainteresowani regresją tych sygnałów z fNIRS data22. W protokole wykorzystuje się pas oddechowy, który jest częścią jednostki oddechowej do pomiaru amplitudy oddechu za pomocą pasa krępującego. Podobnie fizjologiczna jednostka tętna składa się z optycznego czujnika pletyzmografii, który umożliwia rejestrację rytmu serca.

  1. Upewnij się, że 20-kanałowa cewka głowicy jest umieszczona w skanerze. W przypadku korzystania z całogłowicowej matrycy fNIRS, 32- i 64-kanałowe cewki głowicy będą zbyt ciasne dla dorosłych uczestników.
  2. Umieść piankową poduszkę wewnątrz dolnej części cewki głowicy MRI, aby podeprzeć tył głowy uczestnika (patrz Rysunek 4A).
  3. Poproś uczestnika, aby położył się powoli i ostrożnie, tak aby jego ruch nie przesuwał nasadki ani nie ciągnął za światłowody. W razie potrzeby wyreguluj wiązki światłowodów, aby głowa uczestnika mogła wygodnie spoczywać w cewce głowicy (patrz Rysunek 4B). Na tym etapie może być konieczne podniesienie stołu skanera w zależności od tego, gdzie znajdują się od falowodu.
  4. Umieść poduszkę pod nogami uczestnika, aby zapewnić uczestnikowi wygodę. Umieść pas oddechowy wokół talii uczestnika.
  5. Poproś uczestnika, aby umieścił słuchawki z redukcją szumów wokół uszu, uważając, aby nie przeszkadzać w umieszczeniu sondy fNIRS. Aby zapobiec przesuwaniu się słuchawek, użyj podkładek bezpiecznych dla rezonansu magnetycznego po obu stronach głowy między słuchawkami a wewnętrzną stroną cewki głowicy. Można użyć pokrowca na poduszkę, aby zapobiec kontaktowi słuchawek z cewką głowicy.
  6. Umieść pulsoksymetr na palcu wskazującym badanej ręki niedominującej. Jeśli używasz pudełka na guziki do zadań eksperymentalnych, poproś uczestnika, aby trzymał je dominującą ręką. Przekaż uczestnikowi instrukcje dotyczące korzystania z pola przycisków.
  7. Umieść kulkę ściskającą lub alarm przycisku na niedominującej ręce badanego i poinstruuj uczestnika, jak z niego korzystać. Przetestuj alarm, prosząc uczestnika o jego naciśnięcie.
  8. Wsuń uczestnika na kilka centymetrów w otwór skanera, aby wyrównać głowicę. Ustaw górną część cewki głowicy. Następnie włóż mikrofon i lustro do odpowiednich wkładek cewki.
  9. Powoli wsuń uczestnika do otworu skanera, trzymając za światłowody. Proces ten będzie wymagał dwóch osób, które będą znajdować się po obu stronach stołu skanera. Upewnij się, że światłowody są ostrożnie wprowadzone do otworu skanera, aby uniknąć ciągnięcia optodów lub ściskania światłowodów między cewką głowicy a otworem skanera.
  10. Po potwierdzeniu z uczestnikiem, że jest gotowy do sesji skanowania, wróć do pokoju kontrolnego i potwierdź za pomocą dźwięku interkomu, że uczestnik słyszy eksperymentatora, a eksperymentator słyszy uczestnika.

figure-protocol-4
Rysunek 4. Uczestnik ustawiony w skanerze MRI. (A) Poduszki wewnątrz cewki głowicy MR służącej do podtrzymywania głowy uczestnika oraz światłowody ułożone w wiązki przed ustawieniem przez uczestnika. (B) Uczestnik leżący na łożu skanera z nasadką fNIRS gotową do testowania. Górna część cewki czołowej nie została jeszcze umieszczona nad twarzą uczestnika. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Konfiguracja skanera i sprzętu fNIRS przed rejestracją sygnału

  1. Na komputerze skanera należy wybrać odpowiednie sekwencje strukturalne i funkcjonalne dla badania. Obliczając model światłoczułości na podstawie danych fNIRS, należy zebrać zarówno obrazy T1w, jak i T2w, aby uzyskać najlepszą rozdzielczość kontrastu tkankowego.
  2. Sprawdź lokalizator, aby potwierdzić prawidłowe położenie głowicy w otworze skanera. Sprawdź, czy uzyskano pełne pokrycie mózgu od czubka głowy do móżdżku.
  3. Potwierdź z uczestnikiem, że ekran komputera jest widoczny przez lusterko cewki czołowej.
  4. Uruchom pierwsze skanowanie strukturalne. Równolegle przeprowadź kolejny test kalibracyjny optodów fNIRS, aby sprawdzić, czy konfiguracja uczestnika wpłynęła na siłę sygnału któregokolwiek z kanałów.
  5. Po przeprowadzeniu pierwszego strukturalnego skanu MRI zbierz sekwencje mapy pola echa gradientowego i skalibruj słuchawki z redukcją szumów, aby upewnić się, że słuchawki będą w stanie dostarczać uczestnikowi bodźce słuchowe, a także blokować wszelkie dźwięki otoczenia.
    UWAGA: Niektórzy uczestnicy mogą potrzebować regulacji słuchawek. W takim przypadku ponownie wejdź do pomieszczenia skanera i wyreguluj wyściółkę wokół słuchawek, uważając, aby nie przeszkadzać w umieszczeniu sondy fNIRS. Przed kontynuowaniem uruchom kolejny lokalizator, sekwencje map pola echa gradientowego i test kalibracji optodów fNIRS.

6. Jednoczesne nagrywanie sygnału

  1. Skontaktuj się z uczestnikiem przez domofon, aby upewnić się, że czuje się komfortowo i wszystko jest w porządku. Przekaż instrukcje dotyczące zadania i przypomnij uczestnikom, aby trzymali głowę i ciało nieruchomo.
  2. Podaj następujące instrukcje, specyficzne dla zadania szachownicy (Rysunek 5).
    1. W tym zadaniu poinstruuj uczestnika, aby zawsze patrzył na środek ekranu wyświetlacza, który znajduje się przed nim (przez lustro). Czasami na ekranie pojawi się szachownica z kafelkami migoczącymi na różnych częstotliwościach. Innym razem uczestnik zobaczy białe kółko na środku ekranu.
    2. Gdy na ekranie pojawi się białe kółko, poproś uczestnika, aby nacisnął pole przycisku palcem wskazującym. Po naciśnięciu przycisku kółko zmieni kolor na czerwony.
    3. W tym zadaniu używany jest projekt bloku przemiennego. Niech uczestnicy wykonają pojedynczy bieg trwający 6 minut, który składa się z 11 klocków szachownicy po 10 s każdy i 11 okrągłych klocków po 20 s każdy.
  3. Rozpocznij rejestrację danych fNIRS na komputerze fNIRS i rozpocznij zadania na komputerze prezentującym bodźce. Skrypt dla zadań eksperymentalnych zostanie wyświetlony jako instrukcje zadania.
  4. Rozpocznij pierwszy przebieg funkcjonalny. Gdy skaner wyśle pierwszy impuls TTL, pojawi się on jako sygnał wyzwalający na ekranie nagrywania danych oprogramowania NIRStar. Ten pierwszy impuls rozpocznie również zadanie eksperymentalne.
  5. Monitoruj wydajność i ruch uczestników we wszystkich zadaniach. W niektórych przypadkach, zwłaszcza podczas korzystania z matrycy optycznej na całą głowę i nasadek o małych rozmiarach, niektórzy uczestnicy mogą odczuwać pewien dyskomfort podczas noszenia nasadki. Ważne jest, aby zawsze monitorować komfort uczestnika.
    1. W razie potrzeby zapewnij uczestnikowi przerwę w trakcie sesji. Podczas tej przerwy, jeśli uczestnicy muszą usiąść, weź lokalizator i ponownie uruchom sekwencje map pola echa gradientowego, kalibrację słuchawek i kalibrację testu fNIRS przed kontynuacją. Ten krok zwykle nie jest potrzebny podczas testowania młodych dorosłych w skanerze, jeśli przestrzegane są dokładne kroki opisane w niniejszym protokole.
  6. Podczas zbierania danych rób notatki dotyczące sesji (np. rozmiar limitu, pora dnia, optody, które nie zostały dobrze skalibrowane lub cokolwiek nietypowego).
  7. Po zakończeniu wszystkich przebiegów funkcjonalnych przerwij zbieranie danych fNIRS. W razie potrzeby uruchom drugie skanowanie strukturalne.

figure-protocol-5
Rysunek 5. paradygmat szachownicy jako zadanie eksperymentalne. Uczestnicy oglądali czarno-białą szachownicę z białymi kwadratami osiem razy na sekundę, które przeplatały się z szarym ekranem pokazującym białe koło. W ramach sprawdzenia uwagi uczestnicy zostali poinstruowani, aby nacisnąć przycisk prawą ręką po zobaczeniu białego koła pojawiającego się na środku ekranu. Po naciśnięciu przycisku kółko zmienia kolor na czerwony. Zadanie zostało zrealizowane w jednym przejeździe składającym się w sumie z 22 bloków: 11 bloków szachownicy i 11 okresów międzypróbnych. okresy szachownicy trwały 10 s, a okresy międzypróbne trwały 20 s. Tak więc początek szachownicy następował co 30 s (0,033 Hz). Wyświetlacze zostały wygenerowane przez PsychoPy v2021.2.4 i wyświetlane na tylnym lusterku na górze cewki głowicy za pomocą systemu projekcyjnego DLP 1080p. Uczestnicy wykonali jeden przejazd tego zadania (~6 min). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Sprzątanie i przechowywanie danych po eksperymencie

  1. Użyj zmotoryzowanego łoża skanera, aby powoli wyjąć uczestnika z otworu skanera, uważając, aby nie przyciąć żadnego ze światłowodów. Zdejmij górną część cewki głowicy i pozwól uczestnikowi powoli usiąść.
  2. Zdejmij nasadkę fNIRS z głowy uczestnika i usuń każdą optodę z odpowiednich przelotek. Włosy często utknęły w przelotkach nawet po usunięciu optodów, dlatego poinstruuj uczestników, aby zdejmowali nasadkę powoli i ostrożnie.
  3. Niektóre przelotki mogą ulec przemieszczeniu w procesie odsklepiania. Upewnij się, że zlokalizowałeś wszystkie części przelotki i wymieniłeś te, których brakuje, przed sesją skanowania następnego uczestnika.
  4. Poproś uczestników, aby zsunęli się z łóżka skanera, podziękuj im za poświęcony czas i zapewnij rekompensatę pieniężną, jeśli dotyczy.
  5. Upewnij się, że dzienniki zadań, dane fNIRS i fMRI są przechowywane i archiwizowane. Zdezynfekuj nasadkę roztworem czyszczącym w sprayu, zgodnie z zaleceniami dostawcy fNIRS, i przetrzyj końcówki optodowe chusteczkami nasączonymi alkoholem bezpiecznymi dla plastiku i gumy.

8. Wstępne przetwarzanie danych fMRI

UWAGA: Dane fMRI zostały wstępnie przetworzone zgodnie z minimalnymi potokami przetwarzania wstępnego z Human Connectome Project23 przy użyciu QuNex24, pakietu oprogramowania typu open source, który obsługuje organizację danych, wstępne przetwarzanie, zapewnianie jakości i analizy w różnych modalnościach neuroobrazowania. Szczegółową dokumentację dotyczącą konkretnych ustawień i parametrów dla każdego z kroków wyróżnionych poniżej można znaleźć na stronie internetowej QuNex pod adresem https://qunex.yale.edu/. Poniżej przedstawiono główne kroki i parametry wykorzystywane do przetwarzania danych.

  1. Wstępne przetwarzanie danych konstrukcyjnych
    1. Potok PreFreeSurfer. Wykonaj następujące kroki: korekcja zniekształceń gradientowych, wyrównanie powtarzających się przebiegów obrazów T1w i T2w z transformacją ciała sztywnego o 6 stopniach swobody (DOF), wyrównanie AC-PC obrazów T1w i T2w do szablonu przestrzeni MNI, wstępna ekstrakcja mózgu, korekcja zniekształceń odczytu, rejestracja międzymodalna T1w i T2w w natywnej przestrzeni objętościowej, korekcja pola odchylenia i nieliniowa rejestracja objętości MNI.
    2. Potok freesurferów. Wykonaj następujące czynności: Próbkuj T1w w dół do 1 mm za pomocą interpolacji splajnu i uruchom rekonesans, aby wygenerować powierzchnie istoty białej, co obejmuje precyzyjne dostrojenie rejestracji T2w do T1w za pomocą algorytmu BBRegister Freesurfer (zobacz23, aby uzyskać więcej informacji).
    3. Potok PostFreeSurfer. Wykonaj następujące kroki: Przekonwertuj wszystkie dane wyjściowe na GIFTI i NIFTI w natywnej przestrzeni objętościowej, wygeneruj ostateczną maskę mózgu i objętość wstęgi korowej, wygeneruj mapy mielinowe i wykonaj natywną nieliniową transformację objętości MNI.
  2. Wstępne przetwarzanie danych funkcjonalnych
    1. Potok woluminów fMRI. Wykonaj następujące kroki: korekcja zniekształceń, korekcja ruchu oparta na FLIRT, wstępne przetwarzanie mapy pola w oparciu o TOPUP przy użyciu mapy pola echa spinowego, korekcja zniekształceń obrazu EPI i rejestracja EPI do T1w, jednoetapowe ponowne próbkowanie splajnu do przestrzeni atlasowej (MNI), normalizacja intensywności poprzez usuwanie pola odchyleń i maskowanie mózgu.
    2. Rurociąg powierzchniowy fMRI. Wykonaj następujące kroki, aby zamapować szeregi czasowe woluminu na połączoną powierzchnię i objętość, reprezentację szarych rzędnych przechowywaną w formacie CIFTI: konstrukcja wstęgi fMRI, wygładzanie powierzchni, przetwarzanie podkorowe i generowanie gęstych szeregów czasowych.
    3. Przygotuj pogrubione dane. Obliczanie ilościowych statystyk kontroli jakości, które odzwierciedlają ruch i jego sztuczne właściwości, aby zidentyfikować uszkodzone klatki. Zapoznaj się z dokumentacją QuNex, aby zapoznać się z dostępnymi opcjami generowania ilościowych statystyk kontroli jakości. Statystyki te często obejmują BOLD czasowe statystyki stosunku sygnału do szumu i przewijania ruchu, takie jak próg przemieszczenia klatki i intensywność obrazu, znormalizowany próg błędu średniokwadratowego (RMSE). W zależności od kryteriów specyficznych dla badania, zignoruj lub interpoluj zidentyfikowane problematyczne ramki.
    4. Wyodrębnij uciążliwy sygnał. Wyodrębnij uciążliwe sygnały z komór mózgu, istoty białej i istoty szarej, aby przeprowadzić regresję uciążliwych sygnałów w kolejnych krokach.

9. Wstępne przetwarzanie danych fNIRS

UWAGA: Dane fNIRS zostały przeanalizowane zgodnie z najlepszymi praktykami w analizie danych fNIRS25 przy użyciu NeuroDOT26, środowiska open-source do analizy danych optycznych z surowych poziomów światła na mapach funkcji mózgu na poziomie wokseli, które są jednocześnie rejestrowane do anatomii konkretnego uczestnika lub atlasu. Wszystkie opisane poniżej kroki można wykonać za pomocą NeuroDOT. Dodatkową dokumentację dotyczącą konkretnych ustawień i parametrów dla każdego z kroków wyróżnionych poniżej można znaleźć w samouczkach i skryptach na stronie https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. Wreszcie, rejestracja optody na skórę głowy wymaga uzyskania współrzędnych optody fNIRS względem leżącej pod nią tkanki mózgowej, co można zrobić za pomocą digitizera 3D lub kapsułek z witaminą E jako powierników, jeśli są dostępne. Obie metody są opisane w tej sekcji i znajdują się odniesienia do odpowiednich pakietów oprogramowania.

  1. Generowanie tematycznej siatki na głowę i tworzenie modelu świetlnego
    1. Podziel obraz T1w na odpowiednie typy tkanek, aby utworzyć segmentowany model głowy: skóra głowy, czaszka, płyn mózgowo-rdzeniowy (CSF), istota szara i istota biała. Należy używać zarówno obrazów T1w, jak i T2w, jeśli są dostępne, ponieważ każdy z nich dostarcza uzupełniających informacji na temat odpowiednich typów tkanek.
      UWAGA: Ten krok jest wykonywany w obecnym protokole z funkcją "Segment5R_fs" NeuroDOT, która przyjmuje jako dane wejściowe informacje z segmentacji wolumetrycznej Freesurfer28. Inne powszechnie dostępne pakiety oprogramowania do segmentacji tkanki mózgowej to SPM29 i AFNI30.
    2. Wygeneruj siatkę głowy z segmentowego modelu głowy za pomocą pakietu oprogramowania Mimics za pośrednictwem NeuroDOT. Jeśli digitizer 3D jest używany do umieszczania lokalizacji optody na modelu głowy, postępuj zgodnie z zaleceniami Fieldtrip dotyczącymi lokalizacji optody31. Alternatywnie, jeśli kapsułki z witaminą E są używane jako powierniki do identyfikacji współrzędnych par źródło-detektor, ręcznie zidentyfikuj pozycje źródeł i detektorów na obrazie T1w (zobacz32 dla przykładu).
    3. Umieść lokalizacje źródła i detektora uzyskane za pomocą digitizera 3D lub kapsułek z witaminą E na odpowiednich loci na siatce za pomocą NeuroDOT.
    4. Ustaw następujące parametry, aby obliczyć matrycę czułości dla modelu głowy specyficznego dla pacjenta za pomocą pakietu oprogramowania NIRFAST za pośrednictwem NeuroDOT: rozdzielczość wokselacji: 2; etykiety regionów: płyn mózgowo-rdzeniowy, biały, szary, kość, skóra; współczynniki absorpcji dla regionów: CSF [0,004, 0,004], biały [0,0167, 0,0208]; szary [0,018 0,0192], kość [0,0116, 0,0139], skóra [0,74, 0,64]; współczynniki rozpraszania dla regionów: CSF [0,3, 0,3], biały [1.1908, 1.0107]; szary [0,8359, 0,6726], kość [0,94, 0,84], skóra [0,64, 0,74], współczynnik załamania światła dla regionów: płyn mózgowo-rdzeniowy [1,4, 1,4], biały [1,4, 1,4]; szary [1.4, 1.4], kość [1.4, 1.4], skóra [1.4, 1.4].
      UWAGA: Protokół korzysta z pakietu oprogramowania NIRFAST (wersja 9.1)33,34, który wykorzystuje model światła do przodu elementów skończonych oparty na przybliżeniu dyfuzji do równania transportu radiacyjnego. Aby obliczyć model światła, NIRFAST opiera się na trzech rodzajach informacji: i) kształcie granicy tkanki, ii) wewnętrznym rozkładzie podstawowych właściwości optycznych oraz iii) lokalizacji źródeł i detektorów na powierzchni (więcej szczegółów można znaleźć w 35, 36). Metody Monte Carlo mogą być stosowane jako alternatywa do obliczania rozwiązań równania dyfuzji dla różnych typów tkanek37,38.
    5. Wizualizuj przykład czułości pomiaru jako ocenę jakościową.
  2. Przetwarzanie surowych danych z pomiarów źródło-detektor
    1. Wyświetla średni poziom światła dla każdego źródła i detektora w reprezentacji 2D matrycy obrazowania. Usuń pary źródło-detektor z czasowym odchyleniem standardowym większym niż 7,5%36. Jeśli dane są pozyskiwane z częstotliwością odświeżania co najmniej 3 Hz, użyj progu mocy serca, aby odrzucić pomiary pary źródło-detektor, ponieważ dobre sprzężenie optoda-skóra głowy będzie wykazywać cechy zgodne z częstotliwością tętna (~1 Hz).
    2. De-trendyzacja danych w celu usunięcia trendu liniowego w każdym pomiarze. Filtr górnoprzepustowy (odcięcie 0,02 Hz) dane w celu usunięcia dryfu niskiej częstotliwości. Zamiast filtrowania, alternatywą jest dodanie współczynnika dryfu do GLM jako regresora.
    3. Filtr dolnoprzepustowy (1 Hz) dane do usuwania oscylacji serca.
    4. Oszacuj globalny sygnał powierzchniowy, obliczając średnią ze wszystkich pomiarów parą źródło-detektor 8 mm. Pomiary krótkodystansowe służą do oszacowania ogólnoustrojowych sygnałów fizjologicznych niezwiązanych z korą mózgową, ponieważ próbkują one głównie skórę głowy i czaszkę.
    5. Regresja sygnału globalnego ze wszystkich pomiarów39.
    6. Filtrowanie dolnoprzepustowe danych (odcięcie 0,5 Hz), aby jeszcze bardziej skoncentrować pozostałe dane wokół częstotliwości bodźca i próbkować dane w dół do 1 Hz40,41,42 w celu zmniejszenia obciążenia obliczeniowego.
    7. Zaimplementuj cenzurę ruchu przy użyciu globalnej wariancji czasowych pochodnych (GVTD) time-course43. GVTD jest obliczany jako średnia kwadratowa pochodnych czasowych w zestawie pomiarów lub wokseli43. Zaimplementuj cenzurowanie ruchu lub przewijanie, wykluczając punkty czasowe przekraczające próg hałasu GVTD.
  3. Rekonstrukcja modelu świetlnego i wstępnie przetworzonych danych w funkcjonalną wolumin neuroobrazowania
    1. Rekonstrukcja względnych zmian absorpcji przy 785 nm i 830 nm w oparciu o regularyzowaną inwersję macierzy czułości przy użyciu regularyzacji Tichonowa i regularyzacji wariantu przestrzennego44.
    2. Oblicz względne zmiany stężenia hemoglobiny poprzez dekompozycję spektralną danych absorpcji zależnych od długości fali44,45.

10. Analizy danych wywołane zadaniami fMRI/fNIRS

  1. Przeprowadź jednosesyjną analizę GLM pierwszego poziomu (modelowanie HRF, regresja sygnałów fizjologicznych, w tym pomiary fNIRS na krótkich dystansach), aby ocenić, jak aktywność mózgu odnosi się do hipotezy statystycznej dla danego pacjenta.
    UWAGA: Alternatywą dla OML jest uśrednianie blokowe, które pozwala uniknąć założeń a priori dotyczących kształtu płaskich wyrobów ze stali walcowanych na gorąco. Uśrednianie bloków nie pozwala jednak na modelowanie istotnych czynników zakłócających w sygnale fNIRS wraz z odpowiedzią hemodynamiczną na bodziec.
  2. Przeprowadź grupową lub dwupoziomową analizę OML w celu połączenia oszacowań aktywacji pierwszego poziomu u różnych badanych.
  3. Wyodrębnij odpowiednie oszacowania efektów z poszczególnych plików OML i połącz je w pliki grupowe.
  4. Oblicz żądane statystyki. Sprawdzonym pakietem do uruchamiania metod repróbkowania permutacji zarówno jedno-, jak i wielowymiarowych modeli GLM do wnioskowania statystycznego jest FSL PALM46.
  5. Uzyskaj szacunkowe dane beta GLM dla całego mózgu.

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

Wyniki

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

Ta sekcja przedstawia reprezentatywne odpowiedzi tematyczne dla zadania z szachownicą zarówno dla sygnałów fMRI, jak i fNIRS. Po pierwsze, reprezentatywne surowe dane fNIRS i oceny jakości są pokazane w Rysunek 6 i Rysunek 7, aby zilustrować wykonalność eksperymentalnej konfiguracji do pomiaru sygnałów fNIRS w środowisku MRI. Diagram całej matrycy optycznej głowicy i profilu czułości jest pokazany w Rysunek 8.

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

Dyskusja

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

Ten protokół do jednoczesnego zbierania danych z sygnałów fMRI i fNIRS wykorzystuje matrycę optodową fNIRS obejmującą całą głowicę i kanały krótkodystansowe do pomiaru i regresji systemowych sygnałów fizjologicznych niekorowych. Kluczowe kroki w tym protokole obejmują modyfikację i rozwój sprzętu fNIRS do zbierania sygnałów fNIRS w środowisku MRI. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nie ma komercyjnego systemu "pod klucz", który byłby w pełni zoptymalizowany pod kątem jednoczesnego wykonywania pomiarów fMRI i fNIRS przy uż...

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

Oświadczenia

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

Opłaty za publikację tego artykułu są sponsorowane przez NIRx. Autorzy nie mają nic więcej do ujawnienia.

Podziękowania

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

Badania te były wspierane przez następujące źródła finansowania: Grant NARSAD Young Investigator Award od Fundacji Badań nad Mózgiem i Zachowaniem (Grant #29736) (SSA), Global Grand Challenges Grant od Fundacji Billa i Melindy Gatesów (Grant #INV-005792) (RNA) oraz Grant Discovery Fund od Wydziału Psychologii Uniwersytetu Yale (RNA). Autorzy pragną również podziękować Richardowi Wattsowi (Yale Brain Imaging Center) za jego wsparcie podczas zbierania danych oraz Adamowi Eggebrechtowi, Ariemu Segelowi i Emmie Speh (Washington University w St Louis) za ich pomoc w analizie danych.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
280 niskoprofilowych przelotek kompatybilnych z MRI do nasadek NIRxGRM-LOP
4 128-pozycyjne nasadki NIRS z 128x niezapełnionymi szczelinami w układzie 10-5NIRxCP-128-128SRozmiary: 52, 54, 56, 60
8 wiązek 4x światłowodów detektora z niskoprofilową końcówką; Kompatybilny z MRI, MEG i TMS. NIRxDET-FBO- LOWo długości 10 m 8
wiązek 4x światłowodów źródła laserowego z niskoprofilową końcówką kompatybilną z rezonansem magnetycznymNIRxSRC-FBO- LAS-LOWo długości 10 m
Zestaw 8 detektorów krótkokanałowych ze specjalistycznymi modułami uszczelniającymi pierścieniowymi, które pasują do niskoprofilowych przepustówNIRxDET-SHRT-SETRozdziela pojedynczy detektor na 8 krótkich kanałów, które można umieścić w dowolnym miejscu na pojedynczej nasadce NIRS
Magnetom 3T PRISMASiemensN/A128-kanałowa pojemność, 64/32/20-kanałowe cewki głowicy, maksymalna amplituda gradientu 80 mT/m, szybkość narastania 200 T/m/s, pełne sekwencje neurologiczne
Jednostka systemu podstawowego NIRScout XPNIRxNSXP- CHSdo 64x oświetlacze Laser-2 (lub 32x laser-4) lub 64 oświetlacze LED-2; do 32x detektorów; zdolne do pomiarów tandemowych (wielosystemowych) i hiperskaningowych (wieloobiektowych); kompatybilny z EEG, tDCS, śledzenie ruchu gałek ocznych i inne modalności; Dostępne moduły kompatybilne z FMRI, TMS, MEG
Oprogramowanie NIRStarNIRxN/Awersja 15.3
Replikator portów równoległych NIRxACC-LPT-REPReplikator równoległy prot jest dostarczany z trzema komponentami: skrzynką replikatora z portem równoległym, zasilającym USB i adapterem BNC
Jednostka impulsów fizjologicznychSiemensPPU098Pletyzmografia optyczna pozwalająca na nabycie rytm serca.
Jednostka oddechowaSiemensPERU098 Jednostka przeznaczona do pomiaru amplitudy oddechowej (za pomocą układu pneumatycznego i pasa przytrzymującego).
Structure Sensor Mark IIPotcipital101866 (SN)3D czujnik struktury do digitalizacji optodowej.

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. 1464 (1), 5-29 (2020).
  2. Quaresima, V., Ferrari, M. Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) for Assessing Cerebral Cortex Function During Human Behavior in Natural/Social Situations: A Concise Review. Organizational Research Methods. 22 (1), 46-68 (2016).
  3. Pinti, P., et al. A Review on the Use of Wearable Functional Near-Infrared Spectroscopy in Naturalistic Environments. The Japanese Psychological Research. 60 (4), 347-373 (2018).
  4. Wilcox, T., Biondi, M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdisciplinary Reviews: Cognitive Science. 6 (3), 263-283 (2015).
  5. Blasi, A., Lloyd-Fox, S., Katus, L., Elwell, C. E. fNIRS for Tracking Brain Development in the Context of Global Health Projects. Photonics. 6 (3), 89(2019).
  6. Aslin, R. N. Questioning the questions that have been asked about the infant brain using near-infrared spectroscopy. Cognitive Neuropsychology. (1-2), 7-33 (2012).
  7. Chen, W. L., et al. Functional Near-Infrared Spectroscopy and Its Clinical Application in the Field of Neuroscience: Advances and Future Directions. Frontiers in Neuroscience. 14, 724(2020).
  8. Lee, Y. J., Kim, M., Kim, J. S., Lee, Y. S., Shin, J. E. Clinical Applications of Functional Near-Infrared Spectroscopy in Children and Adolescents with Psychiatric Disorders. Journal of Child & Adolescent Psychiatry. 32 (3), 99-103 (2021).
  9. Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Baselli, G., Baglio, F. Assessment of fNIRS Signal Processing Pipelines: Towards Clinical Applications. Applied Sciences. 12 (1), 316(2021).
  10. Kleinschmidt, A., et al. Simultaneous recording of cerebral blood oxygenation changes during human brain activation by magnetic resonance imaging and near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 16 (5), 817-826 (1996).
  11. Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. A Quantitative Comparison of Simultaneous BOLD fMRI and NIRS Recordings during Functional Brain Activation. NeuroImage. 17 (2), 719-731 (2002).
  12. Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), (2011).
  13. Toronov, V., et al. Investigation of human brain hemodynamics by simultaneous near-infrared spectroscopy and functional magnetic resonance imaging. Medical Physics. 28 (4), 521-527 (2001).
  14. Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
  15. 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).
  16. Duan, L., Zhang, Y. J., Zhu, C. Z. Quantitative comparison of resting-state functional connectivity derived from fNIRS and fMRI: a simultaneous recording study. NeuroImage. 60 (4), 2008-2018 (2012).
  17. Sasai, S., et al. A NIRS-fMRI study of resting state network. NeuroImage. 63 (1), 179-193 (2012).
  18. Noah, J. A., et al. Comparison of short-channel separation and spatial domain filtering for removal of non-neural components in functional near-infrared spectroscopy signals. Neurophotonics. 8 (1), 015004(2021).
  19. Wyser, D., et al. Short-channel regression in functional near-infrared spectroscopy is more effective when considering heterogeneous scalp hemodynamics. Neurophotonics. 7 (3), 035011(2020).
  20. Homolle, S., Oostenveld, R. Using a structured-light 3D scanner to improve EEG source modeling with more accurate electrode positions. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108378(2019).
  21. Jasper, H. H. The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 10, 370-375 (1958).
  22. von Luhmann, A., Li, X., Muller, K. R., Boas, D. A., Yucel, M. A. Improved physiological noise regression in fNIRS: A multimodal extension of the General Linear Model using temporally embedded Canonical Correlation Analysis. NeuroImage. 208, 116472(2020).
  23. Glasser, M. F., et al. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. NeuroImage. 80, 105-124 (2013).
  24. Ji, J. L., et al. QuNex-An integrative platform for reproducible neuroimaging analytics. Frontiers in Neuroinformation. 17, 1104508(2023).
  25. Yucel, M. A., et al. Best practices for fNIRS publications. Neurophotonics. 8 (1), 012101(2021).
  26. Eggebrecht, A., Muccigrosso, D., Culver, J. NeuroDOT: an extensible Matlab toolbox for streamlined optical brain mapping. Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging VII. , (2019).
  27. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. W., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. NeuroImage. 62 (2), 782-790 (2012).
  28. Fischl, B. FreeSurfer. NeuroImage. 62 (2), 774-781 (2012).
  29. Penny, W. D., Friston, K. J., Ashburner, J. T., Kiebel, S. J., Nichols, T. E. Statistical parametric mapping: the analysis of functional brain images. , Academic Press, Elsevier. (2011).
  30. Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  31. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: Open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, 156869(2011).
  32. Sato, H., et al. A NIRS-fMRI investigation of prefrontal cortex activity during a working memory task. NeuroImage. 83, 158-173 (2013).
  33. Jermyn, M., et al. Fast segmentation and high-quality three-dimensional volume mesh creation from medical images for diffuse optical tomography. Journal of Biomedical Optics. 18 (8), 86007(2013).
  34. Dehghani, H., et al. Near infrared optical tomography using NIRFAST: Algorithm for numerical model and image reconstruction. Communications in Numerical Methods in Engineering. 25 (6), 711-732 (2008).
  35. Wheelock, M. D., Culver, J. P., Eggebrecht, A. T. High-density diffuse optical tomography for imaging human brain function. The Review of Scientific Instruments. 90 (5), 051101(2019).
  36. Eggebrecht, A. T., et al. A quantitative spatial comparison of high-density diffuse optical tomography and fMRI cortical mapping. NeuroImage. 61 (4), 1120-1128 (2012).
  37. Boas, D. A., Culver, J. P., Stott, J. J., Dunn, A. K. Three dimensional Monte Carlo code for photon migration through complex heterogeneous media including the adult human head. Optics Express. 10 (3), 159-170 (2002).
  38. Wang, L., Jacques, S. L., Zheng, L. MCML-Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 47 (2), 131-146 (1995).
  39. Gregg, N. M., White, B. R., Zeff, B. W., Berger, A. J., Culver, J. P. Brain specificity of diffuse optical imaging: improvements from superficial signal regression and tomography. Frontiers in Neuroenergetics. 2, 14(2010).
  40. Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85, 181-191 (2014).
  41. Pelphrey, K. A., Shultz, S., Hudac, C. M., Vander Wyk, B. C. Research review: Constraining heterogeneity: the social brain and its development in autism spectrum disorder. Journal of Child Psychology and Psychiatry, and Allied Disciplines. 52 (6), 631-644 (2011).
  42. Cui, X., Bray, S., Reiss, A. L. Functional near infrared spectroscopy (NIRS) signal improvement based on negative correlation between oxygenated and deoxygenated hemoglobin dynamics. NeuroImage. 49 (4), 3039-3046 (2010).
  43. Sherafati, A., et al. Global motion detection and censoring in high-density diffuse optical tomography. Human Brain Mapping. 41 (14), 4093-4112 (2020).
  44. Eggebrecht, A. T., et al. Mapping distributed brain function and networks with diffuse optical tomography. Nature Photonics. 8 (6), 448-454 (2014).
  45. Ferradal, S. L., et al. Functional Imaging of the Developing Brain at the Bedside Using Diffuse Optical Tomography. Cerebral Cortex. 26 (4), 1558-1568 (2016).
  46. Winkler, A. M., Ridgway, G. R., Webster, M. A., Smith, S. M., Nichols, T. E. Permutation inference for the general linear model. NeuroImage. 92, 381-397 (2014).
  47. Hassanpour, M. S., et al. Statistical analysis of high density diffuse optical tomography. NeuroImage. 85, 104-106 (2014).
  48. Zhang, F., et al. Correcting physiological noise in whole-head functional near-infrared spectroscopy. Journal of Neuroscience Methods. 360, 109262(2021).
  49. Duan, L., et al. Wavelet-based method for removing global physiological noise in functional near-infrared spectroscopy. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3805-3820 (2018).
  50. Klein, F., Kranczioch, C. Signal Processing in fNIRS: A Case for the Removal of Systemic Activity for Single Trial Data. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 331(2019).
  51. Zhou, X., Sobczak, G., McKay, C. M., Litovsky, R. Y. Comparing fNIRS signal qualities between approaches with and without short channels. PLoS One. 15 (12), 0244186(2020).
  52. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Sparto, P. J., Huppert, T. J. Quantitative comparison of correction techniques for removing systemic physiological signal in functional near-infrared spectroscopy studies. Neurophotonics. 7 (3), 035009(2020).
  53. Emberson, L. L., Crosswhite, S. L., Goodwin, J. R., Berger, A. J., Aslin, R. N. Isolating the effects of surface vasculature in infant neuroimaging using short-distance optical channels: a combination of local and global effects. Neurophotonics. 3 (3), 031406(2016).
  54. Frijia, E. M., et al. Functional imaging of the developing brain with wearable high-density diffuse optical tomography: A new benchmark for infant neuroimaging outside the scanner environment. NeuroImage. 225, 117490(2021).
  55. Brigadoi, S., Cooper, R. J. How short is short? Optimum source-detector distance for short-separation channels in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 2 (2), 025005(2015).

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

Jednoczesne fMRI fNIRSfunkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwienifunkcjonalny obrazowanie rezonansem magnetycznymkorejestracja optod waktywacja kory wzrokowejfunkcjonalna czno m zgupopulacje rozwojoweprotok neuroobrazowania

Powiązane artykuły