Jednoczesne zbieranie danych z pomiarów fMRI i fNIRS przy użyciu matrycy optodowej całej głowicy i kanałów o krótkich odległościach
20 października 2023
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.
Jednoczesne zbieranie sygnału fMRI i fNIRS od tych samych osób jest niezwykle ważne, ponieważ pozwala nam dostosować sygnał fNIRS do sygnału fMRI, który jest złotym standardem w neuroobrazowaniu. fNIRS to metodologia, która wciąż się rozwija i nie może dotrzeć do głębszych struktur mózgu. Tak więc nagrania fMRI pozwalają nam lepiej zrozumieć sygnał fNIRS.
Poprzednie próby nagrania sygnałów fNIRS i fMRI z mózgu tego samego uczestnika wymagały dwóch sesji nagraniowych. Niestety, te dwie sesje oznaczają, że uczestnik wielokrotnie widział i słyszał te same bodźce, co może zmienić sposób, w jaki mózg reaguje. Chociaż w protokole sygnały fMRI i fNIRS są wyrównane tylko u typowych dorosłych, mamy nadzieję, że obecny protokół można również rozszerzyć na badania populacji klinicznych i rozwojowych.
Będzie to szczególnie ważne np. przy zbieraniu danych od osób, które mogą mieć deficyty neuropsychologiczne, ponieważ będziemy mogli z największą pewnością interpretować sygnał fNIRS. Uważamy, że te jednoczesne zapisy fNIRS i fMRI będą szczególnie ważne w zrozumieniu sieci neuronowych w mózgu dla specjalnych populacji i dla dzieci. Nie ma wątpliwości, że jednoczesne zbieranie sygnałów fMRI i fNIRS jest wyzwaniem, ale pracujemy nad wszystkimi krokami i jesteśmy przekonani, że nasz protokół umożliwi innym laboratoriom zbieranie tego samego typu danych.
Jednym z głównych wyzwań będzie prawdopodobnie upewnienie się, że uczestnik czuje się komfortowo w skanerze, zwłaszcza gdy nosi nasadkę na całą głowę fNIRS. Procedurę zademonstruje Virginia Chambers, kierownik laboratorium z naszego laboratorium. Gdy uczestnik podpisze niezbędne formularze zgody i otrzyma instrukcje dotyczące zadań, poproś, aby usiadł na krześle w pokoju kontrolnym.
Owiń czoło miękką taśmą mierniczą. Przejdź do najszerszej części z tyłu i wróć do punktu początkowego. Wybierz wywrotkę fNIRS najbliższą zmierzonemu obwodowi.
Mocno chwyć i przesuń podstawę sond detektora krótkiego zasięgu wokół części przelotki przechodzącej przez siatkę nasadki fNIRS. Upewnij się, że detektora krótkiej odległości jest skierowany w stronę tylnej części nasadki, aby zapewnić wyraźny obszar twarzy. Następnie poproś uczestnika, aby zsunął czapkę w dół z czubka głowy w taki sposób, jak zakłada czapkę zimową i zacisnął pasek pod brodą w wygodnym stopniu.
Zapnij tylne paski. Sprawdź, czy nasadka jest dobrze zamocowana, a gniazda optodowe mocno przylegają do głowicy. Następnie umieść zielone naklejki, aby oznaczyć kluczowe lokalizacje odniesienia zgodnie z pozycjami systemu 10/20.
Użyj taśmy mierniczej, aby wyrównać punkty skóry głowy symetrycznie z punktami na nasadce. Zapewnij równą odległość od punktu CZ do punktu przedmałżowiny, inion i nasion. Poinstruuj uczestnika, aby pozostał nieruchomy, aby stworzyć model 3D swojej głowy.
Następnie uruchom aplikację struktury na tablecie lub iPadzie. Upewnij się, że kolory w wysokiej rozdzielczości, automatyczna ekspozycja w podczerwieni i ulepszone funkcje trackera są wyłączone. Teraz ustaw uczestnika centralnie, upewniając się, że cała jego głowa mieści się w kwadracie 3D na ekranie, a jego ramiona są minimalnie widoczne w kadrze.
Przejdź się wokół obiektu, aby zeskanować kształt głowy i optody za pomocą skanera 3D. Po zakończeniu całego skanowania naciśnij przycisk po prawej stronie ekranu, aby rozpocząć renderowanie 3D. Sprawdź przejrzystość i poziom szczegółowości renderowania, aby zapewnić dokładne rozmieszczenie optodów i zielonych naklejek odniesienia.
Ze względów bezpieczeństwa i prywatności zapisz skan 3D na serwerze chronionym przez HIPAA. Gdy model 3D jest gotowy, usuń zielone naklejki i poproś uczestnika o włożenie zatyczek do uszu do uszu. W pomieszczeniu skanowania upewnij się, że 20-kanałowa cewka głowicy jest umieszczona w skanerze.
Umieść piankową poduszkę w dolnej części cewki głowicy MRI, aby podeprzeć górną część głowy uczestnika. Poinstruuj uczestnika, aby usiadł wygodnie na stole skanera. Trzymając przelotkę optode stabilnie jedną ręką, użyj aplikatora bezpiecznego dla rezonansu magnetycznego, aby usunąć włosy ze środka przelotki.
Następnie mocno dociśnij, aby zamocować optodę w przelotce. Poinstruuj uczestnika, aby położył się powoli i ostrożnie. Wyreguluj wiązki światłowodów, aby upewnić się, że głowa uczestnika wygodnie spoczywa w cewce głowicy.
W zależności od położenia z falowodu, podnieś stół skanera. Umieść miękką poduszkę pod nogami uczestnika, aby zagwarantować wygodę. Owiń pas oddechowy wokół talii uczestnika.
Poinstruuj uczestnika, aby założył słuchawki z redukcją szumów, upewniając się, że nie przeszkadzają one w umieszczeniu sondy fNIRS. Umieść pulsoksymetr na lewym palcu wskazującym fotografowanej osoby. W przypadku, gdy do zadań eksperymentalnych używane jest pudełko z guzikami, poinstruuj badanego, aby trzymał je dominującą ręką.
Podaj jasne instrukcje dotyczące korzystania z pola przycisków. Umieść kulkę ściskającą lub alarm przycisku na niedominującej ręce badanego i poinstruuj uczestnika, jak z niego korzystać. Przetestuj alarm, prosząc uczestnika o jego naciśnięcie.
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.
Powoli wsuń uczestnika do otworu skanera, trzymając za światłowody. Na komputerze skanera wybierz odpowiednie sekwencje strukturalne i funkcjonalne niezbędne do badania. Sprawdź lokalizator pod kątem prawidłowego ułożenia głowy w otworze skanera, upewniając się, że zapewnia pełne pokrycie od czubka głowy do móżdżku.
Potwierdź z uczestnikiem, że ekran komputera jest widoczny przez lustro cewki głównej i uruchom wstępne skanowanie strukturalne. Dane fNIRS na poziomie podmiotu wykazały zwiększoną aktywację w obustronnych obszarach kory wzrokowej podczas bloków szachownicy w porównaniu z okresami międzypróbnymi. Ślady czasowe aktywności mózgu wykazały wzrost sygnału HBO podczas prezentacji szachownicy i spadek w okresach międzypróbnych.
Wizualizacja danych HBO w okresie szachownicy wykazała obustronną aktywację w obszarach kory wzrokowej na poziomie indywidualnego podmiotu. Dane fMRI na poziomie podmiotu wykazują większą śmiałą odpowiedź sygnałową w pierwszorzędowej i wtórnej korze wzrokowej podczas okresów szachownicy w stosunku do okresów międzypróbnych Na poziomie podkorowym obserwuje się zwiększoną aktywację w bocznym jądrze kolankowatym wzgórza. Jednym z kluczowych wyzwań naszego protokołu jest zapewnienie, że uczestnik może wygodnie odpoczywać w skanerze, a to będzie zależało przede wszystkim od rodzaju optody, która jest dostarczana z systemem fNIRS.
Protokół można dostosować do zbierania danych z określonych regionów zainteresowania i z różnych paradygmatów eksperymentalnych. Przedstawiamy również konkretne sugestie dotyczące stosowania protokołu w populacjach klinicznych i rozwojowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowy protokół jednoczesnego pomiaru sygnałów fMRI i fNIRS, który pozwala na lepsze dopasowanie danych kluczowych w neuroobrazowaniu. Metodologia została przetestowana z udziałem młodych dorosłych i ma być możliwa do dostosowania do zastosowań w populacjach klinicznych i rozwojowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuroobrazowanie
- Techniki funkcjonalnego neuroobrazowania
- Neuronauka kliniczna
Wstęp
- fMRI jest uważane za złoty standard w neuroobrazowaniu, umożliwiając wgląd w głębsze struktury mózgu.
- fNIRS to rozwijająca się technika pozwalająca mierzyć aktywność mózgu, choć z ograniczeniami dotyczącymi głębokości pomiaru.
- Poprzednie próby obejmowały oddzielne sesje fMRI i fNIRS, co mogło wpływać na reakcje uczestników.
- Jednoczesne rejestracje mają na celu usprawnienie interpretacji danych, szczególnie w przypadku populacji specjalnych.
Cel badania
- Opracowanie metody jednoczesnego gromadzenia danych fNIRS i fMRI.
- Dostarczenie niezawodnego protokołu, który można dostosować do różnych populacji, w tym osób z deficytami neuropsychologicznymi.
- Zwiększenie pewności w interpretacji sygnału fNIRS poprzez jego zestawienie z wynikami fMRI.
Zastosowane metody
- W badaniu wykorzystano technologię jednoczesnego fMRI i fNIRS w celu zgromadzenia danych obrazowych mózgu.
- Kluczowe etapy obejmowały przygotowanie uczestników, dopasowanie czapki oraz bezpieczne przymocowanie optodów fNIRS.
- Uczestnicy zostali poddani procedurze skanowania, obejmującej staranną konfigurację i dopasowanie w celu zapewnienia komfortu.
- Wykonano modelowanie 3D głowy, aby precyzyjnie umieścić optody przed rozpoczęciem obrazowania.
Główne wyniki
- Wstępne wyniki wskazały na zwiększoną aktywację w obszarach obustronnej kory wzrokowej podczas specyficznych zadań wizualnych.
- Dane fNIRS wykazały istotny wzrost sygnału HBO w odpowiedzi na bodźce, co ilustruje skuteczność zastosowanej metody.
- Protokół wykazał potencjał do przyszłych badań z udziałem uczestników w badaniach klinicznych i rozwojowych.
- Metodologia ta umożliwia niezawodne gromadzenie danych neuroobrazowych od uczestników, którzy mogą wykazywać różny poziom komfortu podczas korzystania z aparatury fMRI.
Wnioski
- Opracowany protokół wykazuje możliwość jednoczesnego gromadzenia danych fMRI i fNIRS.
- Zsynchronizowanie sygnałów z obu technik neuroobrazowania pozwala na lepsze zrozumienie dynamiki neuronalnej.
- Praca ta ma istotne znaczenie dla badań nad sieciami neuronalnymi w populacjach specjalnych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Jednoczesna akwizycja danych fMRI i fNIRS z całej głowy umożliwia bezpośrednią ilościową walidację sygnałów fNIRS w odniesieniu do złotego standardu, jakim jest fMRI, odpowiadając na krytyczną potrzebę stosowania niezawodnych i skalowalnych metod neuroobrazowania w badaniach translacyjnych i rozwojowych. Niniejszy protokół zwiększa pewność prognostyczną w funkcjonalnym mapowaniu mózgu, ułatwiając wdrażanie przenośnych systemów fNIRS w szerszym zakresie prac badawczo-rozwojowych (B+R) oraz zastosowań klinicznych. Podejście to wspomaga proces podejmowania decyzji w zakresie zarządzania portfolio poprzez umożliwienie rygorystycznego porównania międzyApproximately modalnościami oraz minimalizację ryzyka związanego z biomarkerami neuroobrazowymi.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednie porównanie sygnałów fNIRS i fMRI w celu walidacji funkcjonalnych celów w badaniach neuroobrazowych.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez zestawienie wyników z przenośnego fNIRS z uznanymi punktami odniesienia fMRI.
- Ułatwia testowanie hipotez w układach istotnych dla chorób, szczególnie w populacjach rozwojowych i klinicznych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia zwalidowane, ilościowe odczyty funkcjonalnej aktywacji mózgu z wykorzystaniem macierzy optodów obejmujących całą głowę.
- Poprawia powtarzalność badania poprzez integrację kanałów krótkodystansowych w celu regresji pozakorowych sygnałów fizjologicznych.
- Umożliwia standaryzację protokołów neuroobrazowania dla skalowalnego przesiewu w zróżnicowanych grupach badawczych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie wyników fNIRS do obrazowania fMRI w celu wspierania opracowywania translacyjnych biomarkerów na różnych etapach życia.
- Zapewnia ciągłość przejścia od etapu odkrywczego w neuroobrazowaniu do walidacji przedklinicznej w populacjach specjalnych.
- Zmniejsza ryzyko translacyjne poprzez dostarczanie ilościowych, wzajemnie zwalidowanych danych dotyczących łączności funkcjonalnej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół łączy wczesną fazę odkrywania z badaniami translacyjnymi, umożliwiając jednoczesne, ilościowe obrazowanie neuronowe przy użyciu fMRI i fNIRS, co wspiera procesy identyfikacji wiodących związków oraz walidacji biomarkerów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera rygorystyczne testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez dopasowanie sygnałów z różnych modalności.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe mapy aktywacji odpowiednie do późniejszej oceny związków lub interwencji.
- Analityka: Zapewnia zsynchronizowane, ilościowe pomiary zmiennych zależnych dla rzetelnego porównania statystycznego.
- Badania translacyjne: Ułatwia dopasowanie biomarkerów i zachowanie ciągłości od zdrowych dorosłych do kohort klinicznych i rozwojowych.
- Ponowne wykorzystanie w instytucjach: Ustanawia wielokrotnego użytku, adaptowalny protokół dla wieloośrodkowych i wielopopulacyjnych badań neuroobrazowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji biomarkerów neuroobrazowania.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje gromadzenie i analizę danych w różnych modalnościach i populacjach.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie lepszych decyzji typu go/no-go dla programów opartych na neuroobrazowaniu i redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację aktywów z zakresu neuroobrazowania oraz inwestycji w badania translacyjne z uwzględnieniem poziomu ryzyka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia zarówno w obsłudze aparatury i analizie danych fMRI, jak i fNIRS.
- Wymaga zastosowania sprzętu fNIRS kompatybilnego z MR oraz niezawodnych metod korejestracji optodów ze skórą głowy.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie akwizycji danych, regresji sygnałów fizjologicznych oraz komfortu badanych.
- Metoda może być dostosowana do populacji rozwojowych i klinicznych poprzez modyfikację protokołów w celu zwiększenia komfortu i przestrzegania zasad badania.
- Czas trwania sesji oraz tolerancja uczestników mogą ograniczać przepustowość w niektórych kohortach.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:49
fNIRS Cap Placement and Signal Calibration on Testing Day
4:50
Participant Setup
6:17
Scanner and fNIRS Equipment Setup Prior to Signal Recording
6:48
Results: Subject‐Specific Responses for the Flashing Checkerboard Task for fMRI and fNIRS Signals
7:49
Conclusion
