Summary

Нейровизуализационных поле методы, с помощью функциональных вблизи нейровизуализации инфракрасной спектроскопии (НДО) для изучения развития глобальных ребенка: сельских районах Африки к югу от Сахары

Published: February 02, 2018
doi:

Summary

Портативный нейровизуализации подходы (функциональные вблизи инфракрасной спектроскопии) предоставление авансов для исследования мозга в ранее недоступных районах; Здесь сельских Кот д ‘ Ивуар. Инновации в методы и разработки культурно приемлемые нейровизуализации протоколов позволяет Роман исследование развития мозга и результатов обучения детей в средах с значительным бедности и невзгоды.

Abstract

Портативный нейровизуализации подходы обеспечивают новые достижения для изучения функции мозга и развития мозга с ранее недоступных населением и в отдаленных районах. Этот документ показывает развитие области функциональных вблизи инфракрасной спектроскопии (fNIRS) изображений для изучения ребенка язык, чтение и умственного развития в условиях сельской местности Кот-д ‘ Ивуара. Инновации в методы и разработки учитывающих нейровизуализации протоколов позволяют взглянуть впервые в развитие мозга и результатов обучения детей в средах с изученными. Этот документ демонстрирует протоколы для транспортировки и настройка мобильной лаборатории, обсуждает соображения для поля против лаборатории нейровизуализации, и представляет руководство для разработки нейровизуализации согласия процедуры и здание значимых долгосрочных сотрудничество с местными партнерами правительства и науки. Портативный нейровизуализационных методов может использоваться для изучения сложных детского развития контекстах, включая влияние существенных нищеты и невзгоды на развитие мозга. Представленные здесь протокол был разработан для использования в Кот д ‘ Ивуаре, в мире основным источником какао, и где доклады детского труда в секторе какао являются общими. Тем не менее мало что известно о последствиях детского труда на развитие мозга и обучения. Методы нейровизуализации поля имеют потенциал, чтобы дать новому взглянуть на такие актуальные вопросы и развития детей во всем мире.

Introduction

Портативный fNIRS изображений обеспечивает возможность изучить функции мозга и развития за пределами лаборатории, в ранее недоступных параметров или с изученными населением. Значительная часть знаний в области когнитивной нейронауки приходит от imaging исследования, проведенные в университете или больницу лабораторных параметрах, в преимущественно западных стран. Дизайн, это способствует редко говорят от проблемы в исследованиях: многое из того, что известно о мозге основывается на исследованиях с участниками, для которых доступны параметры лаборатория (в основном) западных стран. То есть большинство нейровизуализационных исследований включает в себя участников, которые живут в разумной близости от нейровизуализации лабораторию и иметь время и ресурсы, необходимые для участия в исследовании. Как дисциплина, когнитивной нейронауки стремится понять мозг и факторов, влияющих на его развитие, включая мощные эффекты ребенка окружающей среды и их ранней жизни опыт1,2,3. Методы, поля потенциала для изучения развития в полнее спектр человеческого опыта может резко глубокого понимания сложного отношения между развития мозга и жизненного опыта, которые его формируют.

Этот документ представляет собой протокол для нейровизуализации поле, который был разработан для использования в сельских районах к югу от Сахары Африке, специально юге Кот-д ‘. Цель этой области нейровизуализационных исследований программы было понять развитие чтения детей в среде с высокой степенью риска неграмотности. Кот д ‘ Ивуар показатель грамотности молодежи (15-24 лет) составляет 53%, несмотря на 93% начальной школе зачисления валют4. Кот д ‘ Ивуар является основным источником какао в мире, и есть примерно 1,3 миллиона детей рабочих в какао сельскохозяйственного сектора5. Тем не менее мало что известно о последствиях детского труда на развитие мозга и обучения, специально учиться читать. Применяя новейшие инструменты когнитивной нейробиологии, т.е. портативный нейровизуализационных методов, может дать ценные сведения результатов обучения детей. Например поле нейровизуализации с fNIRS можно разрешить определение неврологического периодов, в течение которого целевых образовательных программ или вмешательства могут оказать максимальное воздействие на результаты обучения детей.

нейровизуализационных fNIRS хорошо подходит для полевых исследований. Аналогично функциональной магнитно-резонансная томография (МРТ), fNIRS меры мозга гемодинамики ответ6. Однако fNIRS использует серию света излучающих свет детекторов и optodes вместо генерации электромагнитных полей. Есть никаких ограничений на металл в или вблизи полигона, и без электрического экранирования является необходимым, как и в случае для электроэнцефалографии (ЭЭГ). Основным преимуществом fNIRS является его переносимость (т.е., которую некоторые системы могут поместиться в чемодане) и простота использования. fNIRS также является простым в использовании с детьми; ребенка удобно устроившись в кресле во время эксперимента и fNIRS система допускает движение хорошо по сравнению с МР-томографию. По сравнению с МР-томографию, fNIRS также предоставляет отдельные меры венозная (HbR) и кислородом гемоглобина (HbO) во время записи, по сравнению с МР-томографию, который дает комбинированных кровь кислорода уровень плотности (BOLD) меры. fNIRS имеет улучшенный временное разрешение для МР-томографию: дискретизации может варьироваться между ~ 7-15 Гц. fNIRS имеет хорошее пространственное разрешение: fNIRS глубина записи в коре человека меньше, чем МР-томографию, около 3-4 см в глубину, которая хорошо подходит для изучения корковых функций, особенно с младенцев и детей, которые имеют тоньше черепа чем взрослые3,,78,9,10.

Этот протокол нейровизуализации поле излагаются соображения для путешествий с и установка лаборатории портативный нейровизуализации в условиях ограниченности ресурсов. Протокол также подчеркивается основополагающий характер конструктивного и долгосрочного сотрудничества с партнерами местных науки и пути, в которой этот подход служит для создания потенциала местных науки. Нейровизуализационных протокол для сбора и анализа данных fNIRS мозга от батареи языка, чтение и когнитивных задач, проявляется, включая рекомендации для создания учитывающих осознанного согласия процедур для визуализации научных исследований. Хотя этот протокол предназначен для познавательного развития исследований с начальной школы в возрасте дети в сельских районах Кот д ‘ Ивуаре, протокол весьма актуальное значение для любого поля нейровизуализации исследования в условиях сложной, ограниченности ресурсов и может быть адаптирована для Роман контексты.

Protocol

Все методы, описанные здесь были одобрены организационного обзора (КИБ) из Университета Делавэра. 1. мобильные лаборатории транспорта и настройка Путешествия с fNIRS оборудованием Оборудование fNIRS транспорта.Примечание: fNIRS оборудование может перево?…

Representative Results

Зонд позиции данные, полученные с помощью 3D планшета (рис. 2) могут быть визуализированы на шаблон стандартного мозга. Регистр fNIRS каналы MNI пространства с помощью НДК-РП автономных регистрации функция25. Пространственной регистрации функци?…

Discussion

Этот документ представлен протокол нейровизуализации поле подходит для контекстов нехватки в отдаленных районах. Ключевые продвижение этой области нейровизуализации протокола является впервые возможность изучить функции мозга и его развитие в исследованных (или никогда-перед изуч?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование стало возможным благодаря Джейкобс фонд ранней карьеры стипендий до K. Jasinska (число стипендий: 2015 118455). Авторы также хотели бы выразить Axel Blahoua, Фабрис Тано, Ariane Амон, Брис Кенга и Иветт Foto за их помощь в сборе данных и полевой поддержки. Особая благодарность семьям и детям, Moapé, Ananguié, Affery и Becouefin за их участие в этой исследовательской программы и теплое гостеприимство деревни.

Materials

LIGHTNIRS Main Unit Pack 120V Shimadzu 292-34000-42 Component of the fNIRS system
HOLDER ASSY, ALL- CAP Shimadzu 594-07618-01 Component of the fNIRS system
LIGHTNIRS connection cable Shimadzu 567-10976-11 fNIRS system component
Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets) Shimadzu 567-11350-01 fNIRS system component
Dell Latitude Laptop Shimadzu (from Dell) 220-97322-00 Master computer to run fNIRS applications
PATRIOT SEU (System Electronics Unit) POLHEMUS 1A0453-001 PATRIOT System component
Power Supply POLHEMUS 2C0809 PATRIOT System component
Power Supply cord POLHEMUS 17500B-BLK PATRIOT System component
RS-232 null modem cable POLHEMUS 1C0288 PATRIOT System component
USB cable POLHEMUS 1C0289 PATRIOT System component
RX2 Sensor 10' cable POLHEMUS 4A0492-20 PATRIOT System component
TX2 Source 10' cable POLHEMUS 4A0506-20 PATRIOT System component

References

  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. , (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, 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. , (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. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Storrs, C. . Nature News. , (2018).
  33. Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740 (2014).
  34. Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).

Play Video

Cite This Article
Jasińska, K. K., Guei, S. Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa. J. Vis. Exp. (132), e57165, doi:10.3791/57165 (2018).

View Video