Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

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 2, 2018 doi: 10.3791/57165
Automatic Translation
1,2, 3
1Linguistics and Cognitive Science Department, University of Delaware, 2Haskins Laboratories, 3Centre de Recherche et d'Action pour la Paix

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все методы, описанные здесь были одобрены организационного обзора (КИБ) из Университета Делавэра.

1. мобильные лаборатории транспорта и настройка

  1. Путешествия с fNIRS оборудованием
    1. Оборудование fNIRS транспорта.
      Примечание: fNIRS оборудование может перевозиться как проверка багажа на крупных международных авиакомпаний, но важно, чтобы подтвердить с данной авиакомпании. Оборудование ограничений зависит от страны происхождения или назначения. Кроме того могут быть отправлены fNIRS оборудования.
    2. Знать порядок импорта или путешествия с fNIRS оборудованием для страны назначения и если применимо, получить соответствующие импорта разрешительные документы.
    3. Подготовки к инспекциям.
      Примечание: Власти (например, Администрация транспортной безопасности) оставляем за собой право проверять зарегистрированного багажа. Хрупкие fNIRS волоконной оптики могут быть повреждены во время инспекций. Организовать соответствующую документацию сопровождать все оборудование.
  2. Основные лабораторное оборудование в области
    1. Подготовьте для климатических условий на местах.
      Примечание: Условия температуры и влажности в поле может значительно отличаться от лабораторных условиях и может повлиять на функции оборудования и долголетия, а также участник комфорт во время экспериментов. Электроника, работающих в условиях повышенной влажности, как правило выше 60%, более подвержены коррозии как излишняя влага может осесть на части и реагируют с металлическими компонентами. Уровень влажности в крытый лаборатории (например, внутри здания университета), как правило, между 30-50%. Влажность в юге Кот д ' Ивуаре может быть 80-95%. Настройка Портативный кондиционер воздуха с требованиями низкой мощности.
    2. Обеспечить достаточное электропитание. Так как электропитание не могут быть доступны в сельской местности, или может работать только с перерывами или с недостаточной мощности, используйте Портативный солнечных генераторов для питания малого и среднего размера электроники. Сделать доступным дизель генератор как резервного питания. Нанимать местных электриком, который знаком с проблемами электроснабжения в сельских районах.
    3. Подготовка подходящих Лаборатория структуры с минимальной установки времени например большой заказной палатка с непрозрачной и водонепроницаемый крыши и стен.
      Примечание: Услуги (например, класс в местной школе) вряд ли будет доступна, или водонепроницаемый и тихо тестирования пространства.
  3. Настройка лабораторные портативные (рис. 1)
    1. Соберите мобильной лаборатории (например, настраиваемые палатка). Убедитесь, что Лаборатория является достаточно большим, чтобы вместить Гостиный для участника за партой, кресел для двух экспериментаторов, стимул презентации компьютер, fNIRS данных коллекции компьютер, портативный блок fNIRS, трехмерные (3D) дигитайзер и портативный Кондиционер воздуха.

Figure 1
Рисунок 1. Schematics. (A) схема установки лаборатории. (B) подготовка участников для сбора данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. местные исследовательские команды и партнеров науки

  1. Инвестировать в формирование научного сотрудничества и предоставления возможностей в рамках исследования местных исследователей.
  2. Установить партнерские отношения с местными научными учреждениями для целей всеобщего охвата. Получить признание от сверстников на местном уровне имеет важное значение для общения возможного исследования в регионе.
  3. Консультироваться соответствующие местные органы власти, прежде чем любой исследовательской деятельности для получения разрешения и лицензии для работы. Ознакомиться с этических обзоров процедур в стране назначения и сделать соответствующие номера, если нет официального научный обзор процедуры на месте.
    Примечание: например, прямую связь с и одобрение от представителей министерства высшего образования и научных исследований (или сопоставимые правительственный орган) может быть сделано вместо процедуры этического рассмотрения.

3. информированное согласие и согласие ребенка

  1. Разработать процедуры согласия, который является приемлемым и гарантирует, что участников, их семьи и общины информируются о научных исследованиях и их решение участвовать в исследовании.
  2. Обзор местных обычаев и история в развитии обычного протокола и включают членов группы, с которыми должен проводиться исследования.
    1. Убедитесь в том получить четкое согласие от местных лидер(ы) (например, старосты, старейшины общин и т.д.), прежде чем продолжить исследования.
      Примечание: Это может быть выражена, предков благословления или любым другим способом, типичные для сообщества. После согласия от деревенского старосты культурные обычаи могут включать розлива вина на землю и просят предков, чтобы утвердить и благословит научно-исследовательской деятельности.
  3. На более официальном уровне добиваться согласия родителя и педагог групп, которые несут ответственность за принятие решения, касающегося участия детей в школе утвержденных мероприятий. Например, группа родителей учителей («Comité de Gestion d'Ecoles - коз» в Кот-д ') является одним из ключевых участников в национальной системе образования начального, состоящие из членов, назначаемых родители студента отстаивать свои интересы в процессе принятия решений и в все другие аспекты, связанные с обучением их детей.
  4. Утвердить все исследовательской деятельности местными властями, например, Кот д ' Ивуара Министерство образования или Министерство высшего образования и научных исследований. Страна, которая примет проект место могут не иметь официальную процедуру для этические утверждения через IRB. Проверьте правила обеспечить соблюдение правильные протоколы для получения утверждения этических исследований.
    Примечание: На момент получения одобрения, Кот д ' Ивуара не было официального IRB обзор процесса. Вместо этого исследовательская группа приступил к подготовке документации сродни IRB приложения представить в Министерство образования. Были организованы несколько встречи с министерством образования, министерством высшего образования, и исследования чиновников, где исследовательская группа представил предлагаемое исследование плана для всех должностных лиц, следуют групповой дискуссии и вопрос и ответ сессии. Этическое одобрение было получено непосредственно от министерства образования в виде подписанного документа, предоставления разрешения для проведения исследований с детьми в конкретных школах. Это исследование получил этического одобрения от университета штата Делавэр IRB.
  5. Объясните цели исследования в простых словах участвующих детей в процедуре согласия ребенка. Местные общины могут высоко ценят послушания ребенка, в котором случае ребенок может согласие участвовать или продолжать участвовать в исследовании, несмотря на их нежелание сделать это из-за культурных ожиданий. Убедитесь, что процедура согласия тщательно взаимодействует добровольное участие в исследовании.
  6. Четко Определите преимущества участников исследования и если они будут получать компенсацию за их участие в исследовании. Убедитесь, что компенсация является соответствующим, как культурно, так и для участников.
  7. Провести все согласия и согласие процедуры на языке местных или предпочтительного участника квалифицированных членов исследовательской команды, который является также членом языковые и культурные группы.

4. fNIRS головы размещения и измерения

  1. Сбор головы измерений
    1. Прямым участником сидеть на стуле и объяснить этот процесс следует ожидать во время головы измерения.
    2. С помощью стандартной рулеткой, измерить расстояния между: (1) Насьон и ИНИОН вокруг головы, (2 Насьон и ИНИОН над верхней части головы через срединной линии центральной (Cz)11и (3) расстояние между левого и правого уха козелка над верхней части голову через Cz.
  2. Размещение fNIRS шапку и optodes на голову участника 3 , 8 , 9 , 12
    1. Поместите колпачок держателя optode fNIRS на голову участника, совместив крышку к системе международных 10-20 для головы местах11. Убедитесь, что крышка позиция идентична для всех участников. Выравнивание точек на крышку (например, держателя зонд) с позиций волосистой части головы.
      Примечание: К примеру, центр передней крышки на голову в положение frontopolar (FP). Эта позиция соответствует 10% от Насьон ИНИОН Топ расстояние спинной Насьон позиции.
    2. Установите крышку с ремешком и убедитесь, что участник комфортно.
  3. Измерение 3D дигитайзер
    1. После того, как крышка находится в положении, поручить участник сидеть все еще в положении для получения измерение 3D дигитайзер ключа системы 10-20 головы позиции11 и каждый держатель место optode.
    2. Заказать оборудование 3D дигитайзера. Разместите один датчик на участника головы на Cz и крепятся надежно (т.е. с использованием эластичных или волосы аксессуар) и место второй блок датчик за участником. Пусть участники сидящего в кресле с их обратно в таблицу. Поместите второй датчик на таблицу непосредственно за голову участника. Убедитесь, что ни датчик перемещения в ходе получения измерения 3D дигитайзера.
    3. Откройте программное обеспечение Brainstorm13 на компьютере сбора данных. Убедитесь, что система 3D дигитайзер в связи с программным обеспечением Brainstorm через соответствующий COM порт.
    4. Переместите 3D дигитайзера стилусом для каждого датчика местоположения и через ключ позициях системы 10-20 (Насьон, ИНИОН, левое ухо, правое ухо, Cz). В каждом месте получите данные позиции через функцию мозговой штурм на компьютере сбора данных.
  4. Размещение света излучающих optodes и детекторы на волосистой части головы
    1. После сбора данных 3D дигитайзер, прямым участником комфортно сидеть перед компьютером презентации стимул.
    2. С помощью встроенного программного обеспечения fNIRS, выберите расположения зонда, соответствующий эксперимент дизайн. fNIRS зонды могут быть размещены на всю голову (то есть, полный головной охват), или альтернативно, массив можно поместить над общего интереса. Например этот протокол используется массив 10 x 3 зонд (30 расположены в 3 ряда 10 датчиков зондов). Эта договоренность зонд был сделан максимально наложение областей левого полушария язык и их гомологов правого полушария, а также лобной доли (рис. 2).
    3. Убедитесь, что каждый зонд (излучатель и детектор) нумеруется и система нумерации соответствует карте расположения зонда.
    4. Используя optode карту в fNIRS встроенный программного обеспечения как гид, место каждого optode в соответствующие optode, открытие на крышку. Optode карта показывает расположение каждого optode в массиве (например, 10 x 3).
    5. Переместите любые волосы из способ обеспечения прямого контакта между кончик optode и участника волосистой части головы.
    6. После того, как все optodes находятся в положении, проверьте качество сигнала с помощью встроенного программного обеспечения системы fNIRS.
    7. Корректируйте отдельные датчики по мере необходимости до тех пор, пока будет достигнуто достаточное качество сигнала. После того, как все optodes сигнала качество проверок, продолжите экспериментальных задач.

5. экспериментальные задачи

  1. Дизайн каждой задачи нейровизуализации с соответствующим числом судебных процессов и условия в соответствии с целями исследования. Понимаете, что нейровизуализации задачи будут меняться в зависимости от цели исследования. Например, в этом протоколе были использованы три задачи: (1) язык обработки и чтение задача, (2) решение задачи рифма и (3) задачи когнитивной гибкости.
    Примечание: Процедура (и представитель результаты) решение задачи рифма, выделены.
  2. Место шумоподавления наушники на голове участника, вспоминая не вмешиваться с fNIRS зонд размещение. Убедитесь, что наушники доставить речи слуховой раздражители участника, а также блокировать любые окружающего шума.
    Примечание: Лабораторные испытания обычно занимает место в комнате звук ослабленных. Поле лабораторные испытания не обеспечивают такую же степень контроля шума, и шум отменяя наушники может гарантировать спокойные условия тестирования для всех участников.
  3. Поручить участник лицом монитор компьютера и фиксировать на кресте в середине экрана и оставаться еще во время эксперимента. Настоящее время всех экспериментальных задач на экране компьютера.
  4. Рифма решение задачи
    1. Поручить участник слушать слово пар, слух представлены через наушники. Попросите участников указать, является ли слово пар рифмованные или нет (например, «Кот»-«шляпа» или «Кот»-«журнал») с помощью кнопки нажать на клавиатуре.
    2. В этом примере с помощью события связанные с дизайн. Пусть участники полный 12 номера рифмы и 12 рифмы испытаний, разделенных jittered интервалов между стимулом между 8 и 17 s.
      Примечание: Задачи должны быть созданы в пригодном для участника. В исследовании, указанный здесь исследователи занимались расследованием язык, когнитивные и чтение развития у детей, которые были очень бедными читателей. Чтение нейровизуализации задачи разработаны с словами, которые было бы целесообразно для ребенка с минимальным грамотности. Также дети были отобраны для нейровизуализации парадигмы, на основе оценки, полученные на оценке чтения.
  5. Dim огни и начать запись участника на встроенную видеокамеру.
  6. Начать запись на компьютере команды fNIRS данных fNIRS и начать задач на компьютере презентации стимул.
  7. Участница монитора на протяжении всех задач. Обеспечивают перерывы между задачами и работает.
  8. Обеспечения получения срабатывания от экспериментальных раздражители презентации компьютера на компьютере команды fNIRS.
  9. В конце всех задач остановите сбор данных видео и fNIRS.

6. После завершения экспериментальных задач измерения

  1. Снять крышку держателя optode каждый optode.
  2. Не нарушая положение Крышка держателя optode на голову участника, прямой участник сидеть в состоянии получить второе измерение 3D дигитайзера.
  3. Повторите измерение 3D диджитайзера как fNIRS головы размещения и измерения раздел 4 обеспечить, что любые нарушения в положение зонда кожи головы во время эксперимента могут быть обнаружены путем сравнения файлов две позиции.
  4. Удалите крышку держателя optode из головы участника.
  5. В конце эксперимента предоставляют участникам с небольшой подарок (например, книг и школьных принадлежностей) и подтверждения исследовательской команды для их участия.

7. план для распространения данных

  1. Результаты исследований поделиться с членами сообщества и соответствующими местными органами власти для их последующего перевода на политики решения исследуемой проблемы.
    Примечание: Участники не могут воспользоваться непосредственно эксперимент.
  2. Сделать планы на последующие визиты для участвующих общин. Готовить отчеты и инструменты, которые могут использовать местные преподаватели. Например любые оценки, созданных на местных языках должны предоставляться сотрудникам школы в регионе. Подготовка членов исследовательской группы, которые говорят на местном языке, чтобы встретиться с лидерами общин сообщить выводы исследования.
  3. Сделать планирует опубликовать результаты исследования региональных научных журналах и на языке региона, если это применимо. Например результаты исследования должны распространяться на французском языке, если исследование проводилось во франкоязычных странах.
  4. Сделать планирует встретиться с и доставлять отчеты о результатах исследования правительство филиал, который предоставил официальное утверждение для научно-исследовательской программы.

8. Резервное копирование данных

  1. Обеспечить экспорт и несколько портативных жестких дисков, резервное копирование данных, как доступ в Интернет для сети хранения данных вряд ли будет доступна. Передачи данных в сети хранения данных, как достаточно Интернет подключение доступно.

9. анализ данных

Примечание: Для fNIRS14существуют несколько пакетов данных анализа. Статистические параметрический сопоставления для ближней инфракрасной спектроскопии (БИК-РП)15 , Homer216 (широко используется) и fNIRS панели инструментов 17,18 (новое и набирает популярность) используются для анализа данных fNIRS. Этот протокол рассматриваются методы анализа данных с использованием БИК-РП, но это на усмотрение исследователь выбрать предпочтительный метод анализа.

  1. Анализировать данные из fNIRS системы с использованием БИК-РП, версия 415,19. Этот инструментарий для нейровизуализации люкс SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) анализирует данные НИРС с подходом анализ общей линейной модели на основе и позволяет создавать активации карт с суперразрешением локализации.
  2. Преобразование данных для HbO и HbR
    1. Использование измененного уравнения пиво-Ламбер (с НДК-РП) для преобразования оптической плотности значений в изменения концентрации в HbO и HbR ответ.
  3. Обработка данных
    1. Используйте один из нескольких вариантов, которые существуют для предварительной обработки данных fNIRS.
      Примечание: Юппер и др. 17 предложить очень строгие методы для различных источников шума16. К ним относятся сокращение на основе собственной вектор артефакты движения, полосовой фильтрации методов и сокращение на основе собственной вектор пространственных ковариации для физиологических вмешательства в данных (например, дыхание, кровяное давление, частота сердечных сокращений). Они также разделяют подробный комментарий по источников шума в fNIRS исследования и последствия для статистического анализа. FNIRS исследователь должен расследовать предварительной обработки приложений, которые являются наиболее подходящими для данного исследования. Ниже, анализ подхода моделируется после Worsely и Friston20 и Чан и др. представлен 19 .
    2. Разложить изменения концентрации HbO и HbR, с помощью алгоритма detrending вейвлет-минимальная длина описание (MDL) с целью удаления глобальных тенденций, обусловленных дыхание, колебания артериального давления, vasomotion или участник движение артефакты и к улучшить соотношение сигнал шум19.
    3. Применить фильтр низких частот с формы функции гемодинамические реакции к данным и использование Worsely и Friston20 precoloring метод для удаления временных соотношений.
  4. Модель создания и статистический анализ
    1. Создание моделей для HbO и HbR, содержащие экспериментальной регрессоры, convolved с соответствующей функции гемодинамические реакции с время производные21.
      Примечание: Функция гемодинамические реакции может иметь большую изменчивость в высших корковых регионах и различных участников. Эти виды изменчивости могут быть размещены в модели анализа путем расширения HRF включить временные производные. Используйте временные производную модель различия в то время пика гемодинамические реакции21.
    2. Использование НДК-SPM для создания моделей для HbO и HbR, с противоположными полярности так, что значительное модели подходят для HbO показывает повышенную концентрацию и HbR снизилась концентрация5,18.
    3. Настройка экспериментально соответствующих t-теста или F-тест контрасты для проверки влияния одной (или нескольких) регрессоров (учитывая дизайн матрица) на модуляции fNIRS временных рядов данных.
  5. Визуализация результатов
    1. Выполнение пространственной регистрации NIRS каналов Монреальского неврологического института (MNI) пространство, используя данные из 3D дигитайзера.
    2. Зарегистрированные fNIRS данные можно используйте для создания карт активации HbO, HbR, и общего гемоглобина (THb) на основе общей линейной модели и солнца трубки формула коррекции22,23.
    3. Загрузите карты активации шаблон соответствующим мозга. Например недавние Хаскинс педиатрических мозга Атлас предоставляет стандартизированный шаблон для детей от 6-12 лет возраст24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 функция генерирует координаты MNI, анатомические этикетки и Бродмана области максимально представлены для каждого канала.

Figure 2
Рисунок 2. Сбор данных. (A) размещение fNIRS шапку на голову и сбор данных позиции с использованием 3D дигитайзер участника. (B) международные системы 10-20 используется для размещения колпачок на голове участника. (C) пространственной локализации алгоритм построения x, y, z координата данные о шаблоне мозга MNI. Образ, созданный во время автономного NIRS регистрации с использованием данных 3D дигитайзер в НДК-СПУ15,19,25. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Зонд позиции данных также могут быть визуализированы на поверхности коры шаблон или анатомические МРТ с помощью программного обеспечения Brainstorm (рис. 3).

Figure 3
Рисунок 3. датчики fNIRS. fNIRS зонды визуализирована на (A) поверхности коры и (B) в MNI анатомические МРТ шаблон. Слева, спинной и правый вид представлены. Изображения, созданные с помощью мозгового штурма программного обеспечения13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Здесь репрезентативных данных от рифмы решение задачи показаны (рис. 4). Участники завершили два одинаково структурированных запуска этой задачи. Каждый запуск содержал 13 испытаний; рифмы и номера рифмы испытания были случайно приказал.

Figure 4
Рисунок 4. Задача проектирования. Показано рифма схема решения задачи. Участники рассматривали непрерывно фиксации крест слушая периодически французский рифмы или пар рифмующихся слов. Задача была завершена в двух сериях, каждая состоит из 13 испытаний. случайно были представлены 13 рифмы и 13-рифмы испытаний. Каждый судебный процесс длился 3 s; 1 s за слово с 1 s МСИ. Jittered презентации периодов отдыха между испытаниями, которые длились s. 8-17 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

3D координаты и экспериментальный дизайн, что данные были объединены с fNIRS ряды данных (рис. 5) для анализа с целью сопоставления связанных с эксперимента значительные нервной активации узоры на шаблон стандартного мозга (рис. 6). Представитель одного субъекта данных и результаты отображаются в Рисунок 5 и Рисунок 6.

Figure 5
Рисунок 5. Представитель рядов данных из одного канала fNIRS. (A) необработанные временные ряды данных, соответствующей длины всей задачи (рифма решение задачи; первый запуск), не нормализованы. (B) отфильтрованных данных временных рядов с использованием вейвлет detrending. Рифмы и номера рифмы испытания обозначаются сплошная и пунктирная-автомобиль коробки, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Эта тема показал больше активации в левом полушарии Superior височной извилины (ПТГ) в рифмующихся судебных процессов, по сравнению с остальными (базовые фиксации крест). Усредненное HbO и HbR ответы для рифмы испытания показывают каноническое гемодинамические реакции: повышение концентрации HbO и соответствующее снижение концентрации HbR, после представления стимул.

Figure 6
Рисунок 6. Представитель одного тема результаты. (A) более активации наблюдается для рифмы испытаний по сравнению с базовой (фиксация крест) в левом полушарии, наложение задняя часть Улучшенный височной извилины (ПТГ). Образ, созданный во время NIRS результаты шаги с помощью НДК-СПУ15,19,25. (B) среднем сигналов, связанных с событием для HbO (красный) и HbR (синий) в рифмующихся испытаний (рифмы слово пара раздражители). Образ, созданный с помощью Сюй Cui Земля средняя функция26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Одноместный тема результаты различались между участниками (см. Рисунок 7). Это индивидуальные вариации могут отражать основные функциональные различия или развития различия в организации конкретных мозга сетей. Например тема 1 показал больше активации в регионе левой нижней лобной извилины в рифмующихся против рифмы испытаний; тогда как субъекта 2 показал больше активации в регионе левой STG во время же экспериментальная контраст (не рифмы против рифмы испытания).

Figure 7
Рисунок 7. Представитель одному предмету результаты от двух различных участников для идентичных контраста. Более активации для рифмы против рифмы испытания в левом полушарии показан на обоих A и B. (A) вопрос 1 показан более активации в левой нижней лобной извилины. Тема 2 (B) показали большую активации левой височной извилины Улучшенный. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 изучал) контекстах. Важные шаги в этом протоколе включают путешествовать с и настройка мобильной лаборатории для качества сбора данных в тропическом климате без электричества и имеющихся помещений. Этот протокол обеспечивает общее руководство для формирования прочных партнерских отношений с местными, научных, образовательных и правительственных учреждений, и мы подчеркиваем передачи взаимных знаний, что происходит, когда формируются успешного долгосрочного партнерства между местных и выездных ученых. Руководящие принципы для разработки процедур культурно приемлемые осознанного согласия и протоколов испытаний, обсуждаются с целью включения нескольких культурных аспектов в методы исследования. Наконец этот протокол предоставляет подробные шаги для сбора данных на местах и анализа данных.

Участие местных науки и возможности для наращивания потенциала:

Одна из главных задач местных, особенно младших, исследователи в Кот д ' Ивуаре, с которыми сталкиваются когда они завершат свое обучение является отсутствие возможностей для практических исследований опыт с наставниками, опытный исследователь и/или международные коллаборационистов. Для этой цели исследователи должны предпринять все усилия по созданию надежного сотрудничества с местными исследователями из соответствующих дисциплинарных стола и включают стажеров на всех уровнях (бакалавриат, выпускник, докторантура). Слушатели могут использовать опыт из этого опыта, чтобы работать самостоятельно и дальнейших исследований. Этот опыт также может быть ступенькой для создания их потенциала как исследователи и развивать их конкурентоспособности на международном уровне в написании исследовательских предложений и документов и подача заявки на финансирование. Исследовательская группа, исключая местные исследователи могут иметь снижение шансов на успех, как местные исследователи будут лучше знать местные социальные и культурные ценности и системы, на местные языки помимо географических знаний в этой области. Их вклад, поэтому крайне важно понимать местные реалии и разработки культурно приемлемые протоколы для успешных исследовательских проектов.

Методы исследования культурно приемлемые:

Разработка протоколов информированного согласия для проведения исследований в сельской местности, особенно в Кот-д ' имеет решающее значение и неспособность принять соответствующий подход может сдерживать успешное достижение хотя благими намерениями исследований и научно обоснованных27,28,,2930,31. Как правило в сельской местности в Кот д ' Ивуаре, спрашивая житель читать форму согласия и подписать его может нарушить любое доверие здания между исследователем и участником. В самом деле воспринимается формальность эта процедура может создать психологическую дистанцию и чувство отсутствия безопасности в виду участника. Это может привести к ясным или невыраженные нежелание сотрудничать. Это отношение можно объяснить многими факторами, включая долгую историю устной традиции, согласно которому связь более устные, чем написано и высокий уровень неграмотности, который может быть найден в целевых сообществах. Сообществ в сельской местности их главный доверять и полагаться на его полномочиями. Таким образом представил протокол включает в себя согласие начальника деревни на уровне общин. Это вероятно более культурно важнее индивидуального согласия. Кроме того, участники и члены общины могут имели ограниченный или нет воздействия нейровизуализации технологии или компьютеров. Таким образом исследователи должны принимать во внимание, что процедуры обоснованного согласия и инструкции, могут быть неправильно поняты. Функция fNIRS системы должны быть направлены в мирян условия и соответствующий язык легко понятным ребенка участников и членов общины, которые имели весьма ограниченный доступ к технологии. Эти соображения могут сильно влиять комфорт и уверенность всех членов сообщества, участвующих в поле нейровизуализации исследовательский проект.

Протокола, представленные здесь также подчеркнул важность совместного использования результатов исследований с членов сообщества и государственных партнеров. Партнерские связи на продолжение диалога помощи в конечном счете перевод результатов исследований в политику. Крайне важно, чтобы организовать заметке местах сбора данных посещений для распространения результатов исследований и доставлять отчеты и, возможно, совместно использовать любые инструменты, которые в результате этого исследования (например, оценки на местных языках). Никогда не иначе участвующих общин в сельской местности могут получать информацию о завершение исследования и выводы, учитывая отсутствие Интернет услуг и/или компьютеров. Кроме того исследователи в стране имеют ограниченный доступ к академический журнал подписки и плохой доступ к Интернету в региональных университетах. Опубликованные результаты должны быть совместно в рамках регионального форума и на доступном языке.

Ограничения и потенциальные проблемы:

Этот протокол нейровизуализации поле следует изменить с учетом запланированных данных коллекции сайтов. Для исследования с начальной школы в возрасте дети в сельских районах Кот-д ' был разработан протокол, представленные здесь. Однако методы, описанные здесь не может быть подходящим, особенно в том, что касается процедур информированного согласия, в других странах или даже в других регионах, Кот-д ' Ивуара. Исследователи, которые стремятся проводить нейровизуализации поля должны сначала тщательно исследования местных обычаев и включить местные перспективы дизайна исследования. Поэтому исследовательская группа работает на исследование образцов должен включать членов от местных культурных групп.

Нейровизуализационных поле имеет ограничение по сравнению с лабораторными методами. Важно отметить, что контроль над средой тестирования значительно снижается в поле. Поле нейровизуализации исследователи должны планировать поездки расширенных данных коллекции. Тропические дожди, поражает риск заражения тропических заболеваний, гражданские и политические беспорядки могут существенно повлиять на планы исследований. Исследователи должны убедиться, что уровни безопасности в регионе являются достаточными и мониторинга обновлений для любых ситуаций, которые могут повлиять на уровни безопасности. Непрерывная связь между членами группы, в частности в том, что касается уровней безопасности, могут уменьшить потенциальные риски.

Будущего применения и актуальность для существующих методов:

Использование этого метода нейровизуализации поля могут применяться для оценки последствий ранних риска по развитию младенцев и детей в настройках глобального здравоохранения. Исследователи начали использовать этот подход для изучения развития ребенка в Гамбии сельских и городских трущоб в Бангладеш32. В городской трущобе в Дакке исследователи используют fNIRS для изучения, как например, питания и санитарии факторов роста и развития мозга33. В сельской местности Гамбии исследователи использовали fNIRS для изучения когнитивных функций младенцев и показали, что fNIRS является действенным инструментом визуализации в ограниченных ресурсов34,35. Такая работа обещает раскрыть новые идеи в развитие детей в развивающихся странах, которые страдают от недоедания и плохие санитарные условия. Портативный нейровизуализации технологии по-прежнему становятся более доступными и для исследований в условиях ограниченности ресурсов, таким образом подчеркнув потребность в строгих методов нейровизуализации поля.

Заключение:

Портативный нейровизуализации систем с возможностью функционировать на поставляемые батареи питания недавно стали доступны. Как эти методы являются относительно новыми, авансы систем батареи обеспечит постоянное улучшение. Различных общин международных ученых развивающихся исследовательские программы, с помощью этих инструментов будут несомненно оптимизировать настройки Мобильная лаборатория для обеспечения повышения контроля среды тестирования. Конструктивного взаимодействия между международными и местными учеными и местными общинами может обеспечить членам популяции имеют активную роль в разработке исследовательских программ и представляют интересы своих общин. Только таких совместных и комплексных исследовательских групп будет хорошо позиционируется применять методы нейровизуализации поле для изучения всех развития человеческого мозга и выявить как теоретически и практически ориентированного информации, направленных на понимание наиболее вопросам развития срочно ребенка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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. , 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).

Tags

Нейробиологии выпуск 132 fNIRS поля методы нейровизуализации познания неврологии развитие ребенка глобальной грамотности язык чтение берег слоновой кости к югу от Сахары Африке
Нейровизуализационных поле методы, с помощью функциональных вблизи нейровизуализации инфракрасной спектроскопии (НДО) для изучения развития глобальных ребенка: сельских районах Африки к югу от Сахары
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jasińska, K. K., Guei, S.… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter