Summary
Métodos de neuroimagen portátil (funcional cerca espectroscopia infrarroja) proporcionan avances en el estudio del cerebro en regiones antes inaccesibles; aquí, rural Côte d ' Ivoire. Innovación en métodos y desarrollo de protocolos de neuroimagen culturalmente apropiada permite nuevo estudio de desarrollo del cerebro y los resultados del aprendizaje de los niños en entornos con la adversidad y la pobreza significativa.
Abstract
Métodos de neuroimagen portátil proporcionan nuevos avances al estudio de la función cerebral y el desarrollo del cerebro con las poblaciones previamente inaccesibles y en lugares remotos. Este artículo presenta el desarrollo del campo cerca de la espectroscopia infrarroja (fNIRS) proyección de imagen funcional al estudio del niño lenguaje, lectura y desarrollo cognitivo en un entorno rural del pueblo de Côte d ' Ivoire. Innovación en los métodos y el desarrollo de protocolos de neuroimagen culturalmente apropiado permite una mirada de primera vez en el desarrollo del cerebro y los resultados del aprendizaje de los niños en entornos escasamente. Este documento muestra los protocolos para el transporte y creación de un laboratorio móvil, discute consideraciones para campo y laboratorio neuroimagen, y presenta una guía para el desarrollo de la neuroimagen consentimiento de procedimientos y edificio significativo a largo plazo colaboraciones con socios locales de gobierno y de la ciencia. Métodos en Neuroimagen portátil pueden utilizarse para el estudio de contextos de desarrollo infantil complejo, incluyendo el impacto de la pobreza significativa y la adversidad en el desarrollo del cerebro. El protocolo que presentamos ha sido desarrollado para su uso en Côte d ' Ivoire, la principal fuente mundial de cacao, y donde informes de niños trabajan en el sector del cacao son comunes. Sin embargo, poco se sabe sobre el impacto del trabajo infantil en el desarrollo del cerebro y el aprendizaje. Métodos en Neuroimagen campo tienen el potencial para producir nuevos conocimientos sobre las cuestiones urgentes y el desarrollo de los niños a nivel mundial.
Introduction
La proyección de imagen portátil fNIRS ofrece la posibilidad de estudiar la función cerebral y el desarrollo fuera del laboratorio, en lugares previamente inaccesibles o con poblaciones escasamente. Mucho del conocimiento en el campo de la Neurociencia cognitiva proviene de estudios realizados en el hospital o Universidad de laboratorio, en los países occidentales predominante la proyección de imagen. Por diseño, esto contribuye a un problema rara vez de hablado en investigación: mucho de lo que se conoce acerca del cerebro se basa en estudios con participantes para cuales valores de laboratorio en los países occidentales (sobre todo) son accesibles. Es decir, neuroimaging investigación involucra a participantes que viven en proximidad razonable a un laboratorio de neuroimagen y tienen el tiempo y los recursos necesarios para participar en un estudio. Como disciplina, Neurociencia cognitiva tiene como objetivo entender el cerebro y los factores que dan forma a su desarrollo, incluyendo los poderosos efectos de medio ambiente del niño y sus primeros años de vida experiencias1,2,3. Métodos que promuevan la capacidad de campo para el estudio de desarrollo en una gama más completa de la experiencia humana pueden progresar considerablemente la comprensión de la compleja relación entre el desarrollo del cerebro y las experiencias de vida que forma.
Este papel presenta un protocolo para neuroimaging del campo, que fue desarrollado para su uso en zonas rurales de África subsahariana, específicamente sur Côte d ' Ivoire. El objetivo de este programa de investigación de neuroimaging de campo era comprender el desarrollo de lectura de los niños en un ambiente con un riesgo elevado de analfabetismo. Tasa de alfabetización de jóvenes (15-24 años) de Costa de Marfil es el 53%, a pesar de 93% primaria matrícula tasas4. Côte d ' Ivoire es la principal fuente mundial de cacao, y hay un estimado 1,3 millones niños trabajadores en el sector agrícola cacao5. Sin embargo, poco se sabe sobre el impacto del trabajo infantil en el desarrollo del cerebro y el aprendizaje, específicamente aprender a leer. Aplicar las últimas herramientas de la Neurociencia cognitiva, es decir, métodos de neuroimagen portátil, puede generar información valiosa en los resultados del aprendizaje de los niños. Por ejemplo, campo de neuroimagen con fNIRS puede permitir la identificación de los períodos del desarrollo neurológico durante la cual había dirigido programas educativos o intervenciones pueden tener máximos impactos en resultados de aprendizaje de los niños.
fNIRS neuroimagen es adecuado para la investigación de campo. Similar a la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI), fNIRS medidas de respuesta hemodinámica del cerebro6. Sin embargo, fNIRS utiliza una serie de luz emitiendo optodes y detectores de luz en lugar de generar campos electromagnéticos. No existen restricciones sobre metal en o cerca del área de pruebas, y no hay blindaje eléctrico es necesario, como en el caso de la electroencefalografía (EEG). Una ventaja clave de fNIRS es su portabilidad (es decir, algunos sistemas pueden caber en una maleta) y facilidad de uso. fNIRS también es fácil de usar con los niños; el niño está cómodamente sentado en una silla durante el experimento y el sistema fNIRS tolera movimiento bien comparado con fMRI. Comparado con fMRI, fNIRS también proporciona medidas separadas de hemoglobina oxigenada (HbO) y desoxigenada (HbR) durante la grabación, en comparación con fMRI que da una medida de nivel de densidad (en negrilla) de oxígeno de sangre combinado. fNIRS tiene resolución temporal superior a fMRI: tasas de muestreo pueden variar entre ~ 7-15 Hz. fNIRS tiene buena resolución espacial: profundidad de la fNIRS de grabación en la corteza humana es menor que la fMRI, mide unos 3 a 4 cm de profundidad, que es adecuado para el estudio de funciones corticales, especialmente con los bebés y los niños que tienen cráneos más delgados que los adultos3,7,8,9,10.
Este protocolo de neuroimaging de campo describe consideraciones para viajar con y creación de un laboratorio de neuroimagen portátil en contextos de bajos recursos. El protocolo también pone de relieve la naturaleza esencial de colaboración significativa, a largo plazo con socios de Ciencia local y formas por las cuales este enfoque sirve para aumentar la capacidad de la ciencia local. El protocolo de neuroimagen para recopilar y analizar datos de cerebro fNIRS de una batería de lenguaje, la lectura y las tareas cognitivas, se demuestra incluyendo recomendaciones para la creación de procedimientos culturalmente apropiado consentimiento informado para la investigación de la proyección de imagen. Este protocolo está diseñado para la investigación del desarrollo cognitivo con los niños de edad escolar de primaria rural Côte d ' Ivoire, el protocolo es muy importante para cualquier estudio de neuroimagen de campo en entornos desafiantes, de bajos recursos y puede ser adaptado para la novela contextos.
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Protocol
Todos los métodos aquí descritos han sido aprobados por la Junta de revisión institucional (IRB) de la Universidad de Delaware.
1. instalación y transporte de laboratorio móvil
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Viajando con el equipo de fNIRS
- Equipo de transporte fNIRS.
Nota: equipo fNIRS puede ser transportado como equipaje comprobado en una importante aerolínea internacional, pero es imprescindible para confirmar con la aerolínea determinada. Restricciones de equipo pueden variar según el país de origen o destino. Alternativamente, se pueden enviar equipos fNIRS. - Conocer los procedimientos para la importación o viajar con el equipo de fNIRS para el país de destino y en su caso, obtener documentación de aprobación de importación correspondiente.
- Prepararse para las inspecciones.
Nota: Autoridades (p. ej., administración de seguridad de transporte) reservan el derecho a inspeccionar el equipaje facturado. FNIRS frágil fibra óptica puede dañarse durante las inspecciones. Solicitar documentación acompañar a todo el equipo.
- Equipo de transporte fNIRS.
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Equipo de laboratorio esenciales en el campo
- Prepararse para las condiciones climáticas en el campo.
Nota: Condiciones de temperatura y humedad en el campo pueden variar significativamente de entorno de laboratorio y pueden afectar la función del equipo y longevidad, así como comodidad del participante durante la experimentación. Funcionamiento en condiciones de alta humedad, de la electrónica en general por encima del 60%, es más susceptible a la corrosión como exceso de humedad puede depositarse sobre piezas y reaccionar con componentes de metal. Niveles de humedad en un laboratorio interior (por ejemplo, dentro de un edificio de la Universidad) son generalmente entre 30-50%. Humedad en sur Côte d ' Ivoire puede ser 80-95%. Establecer una unidad de aire acondicionado portátil con demandas de baja potencia. - Garantizar el suministro eléctrico adecuado. Puesto que el suministro eléctrico puede no estar disponible en entornos rurales, o puede funcionar solamente intermitentemente o con insuficiente potencia, uso generadores solares portátiles para pequeña y medianas de alimentación tamaño electrónica. Poner a disposición un generador diesel como respaldo de energía. Contratar a un electricista que está familiarizado con los retos de la alimentación en contextos rurales.
- Preparar una estructura de laboratorio adecuado con tiempo mínimo como una gran carpa personalizada con techo opaco e impermeable y las paredes.
Nota: Servicios (por ejemplo, el aula en la escuela local) están poco probable que esté disponible, o proporcionar impermeable y tranquilo espacio de prueba.
- Prepararse para las condiciones climáticas en el campo.
- Establecer el laboratorio portátil (figura 1)
- Montar el laboratorio móvil (p. ej., modificado para requisitos particulares tienda). Asegurar que el laboratorio es lo suficientemente grande como para acomodar el asiento para el participante en un escritorio, asientos para dos experimentadores, computadora presentación de estímulo, fNIRS equipo de colección de datos, unidad portátil fNIRS, digitalizador (3D) tridimensional y portable acondicionador de aire.
Figura 1. Esquemas. (A) esquema de la instalación de laboratorio. (B) preparar al participante para la recolección de datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. equipos de investigación locales y socios de la ciencia
- Invertir en formación de colaboraciones científicas y proporcionar oportunidades en el marco de la investigación a los investigadores locales.
- Establecer colaboración con las instituciones científicas locales con el propósito de la inclusión. Obtener reconocimiento de sus compañeros a nivel local es importante para comunicar eventuales investigaciones en la región.
- Consulte a las autoridades locales pertinentes antes de cualquier investigación para recibir autorización y licencia para operar. Familiarizarse con los procedimientos de examen ético en el país de destino y hacer alojamiento apropiado si ningún procedimiento formal de revisión científica está en su lugar.
Nota: por ejemplo, comunicación directa con y aprobación de los representantes en el Ministerio de educación superior y de investigación (u organismo gubernamental comparable) se pueden hacer en lugar de un procedimiento de examen ético.
3. el consentimiento informado y asentimiento del niño
- Desarrollar un procedimiento de consentimiento que es culturalmente apropiado y se asegura que los participantes, sus familias y comunidades estén informadas sobre la investigación y su decisión de participar en el estudio.
- Revisar las costumbres locales y la historia en el desarrollo de protocolo típico y son miembros del grupo con quien investigación debe llevarse a cabo.
- Asegúrese de obtener un claro consentimiento de líderes locales (por ejemplo, jefe de la aldea, ancianos de la comunidad, etc.) antes de proceder con la investigación.
Nota: Esto se puede expresar por una bendición ancestral o por cualquier otro medio típico de la comunidad. Después de consentimiento del jefe de la aldea, costumbres culturales pueden incluir el vertido de vino sobre la tierra y pidiendo a los antepasados para aprobar y bendecir las actividades de investigación.
- Asegúrese de obtener un claro consentimiento de líderes locales (por ejemplo, jefe de la aldea, ancianos de la comunidad, etc.) antes de proceder con la investigación.
- A nivel más formal, buscan el consentimiento de padre y educador de grupos que son responsables de la decisión relativa a la participación de niños en las actividades escolares aprobadas. Por ejemplo, el grupo de padres y maestros ('Comité de Gestion d'Ecoles - COGES' en Cote d ' Ivoire) es un actor clave en el sistema nacional de educación primario compuesto por miembros designados por los padres para defender sus intereses en la toma de decisiones y en todos los demás aspectos relacionados con la educación de sus hijos.
- Aprobar todas las actividades de investigación por las autoridades locales, por ejemplo, Côte d ' Ivoire Ministerio de educación o el Ministerio de educación superior e investigación. El país que el proyecto tendrá lugar en no tener un procedimiento formal de aprobación ética a través de un IRB. Consultar normativa para asegurar que se están siguiendo los protocolos correctos para obtener aprobación ética para la investigación.
Nota: En el momento de obtener la aprobación, Côte d ' Ivoire no tenía un IRB formal proceso de revisión. En lugar de esto, el equipo de investigación procedió con la preparación de documentación a una solicitud de IRB para presentar al Ministerio de educación. Se dispuso varias reuniones con el Ministerio de educación, Ministerio de educación superior y funcionarios de investigación donde el equipo de investigación presentó la propuesta investigación plan a todos los funcionarios, seguidos de charla y preguntas y respuestas. Aprobación ética se obtuvo directamente en el Ministerio de educación en la forma de un documento firmado que se conceda autorización para realizar investigaciones con los niños en las escuelas específicas. Este estudio recibió la aprobación ética de la IRB de la Universidad de Delaware. - Explicar el propósito de la investigación en palabras sencillas a los niños participantes en un procedimiento de asentimiento de niño. La comunidad local puede valor altamente la obediencia de un niño, en que caso un niño puede dar su aprobación para participar o continuar participando en un estudio a pesar de su renuencia a hacerlo debido a las expectativas culturales. Asegúrese de que el procedimiento de dictamen conforme comunica cuidadosamente la participación voluntaria en la investigación.
- Definir claramente cómo la investigación beneficiará a los participantes y si reciben compensación por su participación en la investigación. Asegúrese de que la indemnización procede tanto culturalmente como para los participantes.
- Conducta todo consentimiento y asentimiento en el idioma local o preferido del participante por un miembro entrenado del equipo de investigación que también es miembro del grupo cultural del lenguaje y los procedimientos.
4. fNIRS cuero cabelludo colocación y medición
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Medidas principales que recoge
- Dirija los participantes a sentarse en una silla y explicar el proceso de esperarse durante la medición de la cabeza.
- Usando una cinta métrica estándar, mida las distancias entre: (1) el nasion y el inion alrededor de la cabeza, (2) el nasion y el inion sobre la parte superior de la cabeza a través de la línea media central (Cz)11y (3) la distancia entre el trago de la oreja izquierda y derecha sobre la parte superior de la cabeza con Cz.
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Colocación de la tapa de fNIRS y optodes en la cabeza del participante 3 , 8 , 9 , 12
- Coloque la tapa fNIRS optode sobre la cabeza del participante, alinear la tapa para el sistema internacional 10-20 para cuero cabelludo localizaciones11. Asegúrese de que la posición de la tapa es idéntica para todos los participantes. Alinear puntos en la tapa (por ejemplo, portasondas) con posiciones de cuero cabelludo.
Nota: por ejemplo, centro de la parte delantera de la tapa de la cabeza a la posición de frontopolar (FP). Esta posición corresponde al 10% de la nasion-inion sobre distancia superior dorsal a posición de nasion. - Asegure la tapa con una correa y el participante esté cómodo.
- Coloque la tapa fNIRS optode sobre la cabeza del participante, alinear la tapa para el sistema internacional 10-20 para cuero cabelludo localizaciones11. Asegúrese de que la posición de la tapa es idéntica para todos los participantes. Alinear puntos en la tapa (por ejemplo, portasondas) con posiciones de cuero cabelludo.
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Medición de digitalizador 3D
- Una vez que la tapa esté en posición, instruir a los participantes a sentarse en la posición para la obtención de una medida de digitalizador 3D de la clave de sistema 10-20 del cuero cabelludo posiciones11 y cada marcador optode.
- Organizar el equipo digitalizador 3D. Coloque uno el sensor sobre el participante de cabeza en Cz y colocado correctamente (es decir, con un elástico o pelo accesorio) y coloque el segundo sensor bloque detrás del participante. Que el participante sentado en una silla de espaldas a una tabla. Coloque el segundo sensor en la mesa directamente detrás de la cabeza del participante. Asegurarse de que ni sensor de movimiento durante el curso de la obtención de la medida del digitalizador 3D.
- Abra el Brainstorm software13 en el equipo de colección de datos. Asegúrese de que el sistema digitalizador 3D está en comunicación con el software Brainstorm con el puerto COM adecuado.
- Mueva el lápiz digitalizador 3D a cada ubicación de la sonda y a través de la clave 10-20 posiciones de sistema (nasion, inion, oído izquierdo, oído derecho, Cz). En cada lugar, obtener datos de posición a través de la función de la lluvia de ideas en el equipo de colección de datos.
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Colocar luz optodes emisores y detectores en el cuero cabelludo
- Después se recogen los datos de digitalizador 3D, directo al participante estar sentado cómodamente frente al ordenador de la presentación de estímulos.
- La utilización del software incorporado fNIRS Seleccione el arreglo de la sonda que corresponde al diseño de experimento. fNIRS sondas pueden colocarse para cubrir toda la cabeza (es decir, completa cobertura de la cabeza), o como alternativa, una matriz puede ser colocada sobre regiones generales de interés. Por ejemplo, este protocolo utiliza una matriz de 10 x 3 punta de prueba (30 sondas dispuestas en 3 filas de 10 puntas de prueba). Este arreglo de la sonda fue colocada para máximo recubrimiento de áreas del lenguaje del hemisferio izquierdo y sus homólogos del hemisferio derecho, así como el lóbulo frontal (figura 2).
- Asegurar que se numera cada sondeo (emisor y detector) y el sistema de numeración se corresponde con el mapa de arreglo de la sonda.
- En el mapa del optode el fNIRS software incorporado como guía, colocar cada optode en el optode adecuada apertura de la tapa. El mapa de optode indica la ubicación de cada optode en la matriz (por ejemplo, 10 x 3).
- Mover cualquier pelo para garantizar un contacto directo entre la punta de la optode y el cuero cabelludo de los participantes.
- Después de optodes todos en posición, Compruebe la calidad de la señal utilizando el software incorporado del sistema fNIRS.
- Ajuste las sondas individuales según sea necesario hasta logra una calidad de señal suficiente. Una vez que han pasado controles de calidad de señal de todos optodes, proceder con las tareas experimentales.
5. experimentales tareas
- Diseñar cada tarea de neuroimagen con el número apropiado de ensayos y condiciones conforme a los objetivos de la investigación. Entender que las tareas de neuroimagen variará dependiendo de los objetivos de la investigación. Por ejemplo, se utilizaron tres tareas en este protocolo: (1) un lenguaje de procesamiento y lectura de tarea, (2) una tarea de juicio de rima y (3) una tarea de flexibilidad cognitiva.
Nota: El procedimiento y resultados representativos de la tarea del juicio de rima se destacan. - Colocar auriculares con cancelación de ruido en la cabeza del participante, siendo consciente de no interferir con la colocación de sonda fNIRS. Asegúrese de que los auriculares se entregan estímulos auditivos discurso a los participantes, así como bloquear cualquier ruido ambiental.
Nota: Pruebas de laboratorio por lo general ocurre en una sala de sonido atenuada. Campo de pruebas de laboratorio no proporcionan el mismo grado de control de ruido, y auriculares con cancelación de ruido pueden asegurar condiciones pruebas de tranquilidad para todos los participantes. - Instruir al participante para hacer frente a la pantalla del ordenador y para fijar en la Cruz en medio de la pantalla y permanecer todavía durante el experimento. Presentar todas las tareas experimentales en una pantalla de ordenador.
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Tarea de juicio de rima
- Instruir a los participantes a escuchar a los pares de palabras presentados auditivamente a través de auriculares. Pregunte a los participantes para indicar si la palabra pares rimadas o no (por ejemplo, 'cat'-'sombrero' o 'cat'-' registro') con un botón de pulsar en el teclado.
- En este ejemplo, usar un evento relacionado con el diseño. Que los participantes completa 12 no-rimas y 12 ensayos con rimas separados por intervalos de jitter entre estímulos de entre 8 y 17.
Nota: Las tareas deben crearse de manera conveniente para el participante. En el estudio que se hace referencia aquí, los investigadores estaban investigando, cognitivo, desarrollo lingüístico y lectura en los niños que eran muy malos lectores. La lectura neuroimaging tarea desarrollada con palabras que serían apropiados para un niño con habilidades de alfabetización mínima. Así, los niños fueron seleccionados para el paradigma de neuroimagen basado en los resultados obtenidos en una evaluación de lectura.
- Las luces se atenúan y comenzar a grabar al participante en la cámara de vídeo incorporada.
- Comienzan fNIRS datos en el equipo de comando fNIRS y comenzar las tareas en el equipo de presentación del estímulo.
- Monitor rendimiento participante a lo largo de todas las tareas. Proporciona descansos entre las tareas.
- Asegúrese de que activar desde el ordenador de la presentación de estímulos experimentales es recibido por el equipo de comando fNIRS.
- Al final de todas las tareas, dejar de recogida de datos de vídeo y fNIRS.
6. post experimental tarea mediciones
- Retire la tapa del optode a cada optode.
- Sin alterar la posición de la tapa del optode en cabeza del participante, directa de los participantes a sentarse en una posición para obtener una segunda medida de digitalizador 3D.
- Repita la medición digitalizador 3D como fNIRS cuero cabelludo colocación y medición Sección 4 para asegurar que se pueden detectar interrupciones en la posición de la sonda de cuero cabelludo durante el experimento comparando los archivos de dos posiciones.
- Destape el optode sostenedor de la cabeza del participante.
- Al final del experimento, proporcionar a los participantes con un regalo pequeño (por ejemplo, libros y útiles escolares) y los reconocimientos del equipo de investigación para su participación.
7. plan de difusión de datos
- Compartir los resultados de investigación con miembros de la comunidad y las autoridades locales pertinentes para su eventual traducción en la política de tratar el tema investigado.
Nota: Los participantes pueden no beneficiarse directamente el experimento. - Hacer planes para visitas de seguimiento a las comunidades participantes. Preparar informes y herramientas que pueden utilizar los educadores locales. Por ejemplo, evaluación creado en los idiomas locales debe hacerse disponibles a oficiales de la escuela en la región. Preparar a los miembros del equipo de investigación que hablan la lengua local para reunirse con líderes de la comunidad para comunicar los resultados del estudio.
- Hacer planes para publicar resultados en revistas académicas regionales y en la lengua de la región, en su caso. Por ejemplo, resultados del estudio deberían difundirse en francés, si la investigación se llevó a cabo en países de habla francesa.
- Hacer planes para reunirse con y entregar informes de los resultados del estudio a la rama de gobierno que concedió la aprobación para el programa de investigación.
8. copia de seguridad datos
- Asegurar que los datos son exportados y copia de seguridad en múltiples discos duros portátiles, como acceso a internet para almacenamiento de datos en línea es poco probable que esté disponible. Transferir los datos a almacenamiento de datos en línea como suficiente conectividad a internet está disponible.
9. Análisis de datos
Nota: Existen múltiples paquetes de análisis de datos fNIRS14. Mapeo paramétrico estadístico para la espectroscopia del infrarrojo cercano (NIRS-SPM)15 Homer216 (ampliamente utilizado) y fNIRS caja de herramientas 17,18 (nuevo y ganando popularidad) se utilizan para el análisis de datos fNIRS. Este protocolo comentarios sobre métodos de análisis de datos mediante NIRS-SPM, pero es a la discreción del investigador para seleccionar el método de análisis.
- Analizar los datos del sistema fNIRS mediante NIRS-SPM, versión 415,19. Esta caja de herramientas para la neuroimagen suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analiza los datos NIRS con un enfoque de análisis del modelo lineal general y permite la creación de mapas de activación con la localización de la estupendo-resolución.
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Conversión de datos a HbO y HbR
- Utilice la ecuación de Beer-Lambert modificada (con NIRS-SPM) para convertir los valores de densidad óptica en los cambios de concentración en HbO y HbR la respuesta.
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Preprocesamiento de datos
- Utilice uno de las múltiples opciones que existen para el preprocesamiento de datos fNIRS.
Nota: Huppert et al. 17 proponer métodos muy rigurosos para las diferentes fuentes de ruido16. Estos incluyen vector propio base reducción de artefactos de movimiento, técnicas de filtrado pasabanda y reducción del vector propio base de covarianza espacial de interferencia fisiológica en datos (por ejemplo, respiración, presión arterial, frecuencia cardíaca). También comparten un profundo comentario sobre fuentes de ruido en fNIRS investigación y sus implicaciones para el análisis estadístico. El investigador fNIRS debe investigar aplicaciones preprocesamiento que son más apropiadas para un determinado estudio. A continuación, el modelo de un enfoque de análisis Worsely y Castellon20 y Jang et al. 19 se presenta. - Descomponer los cambios en las concentraciones de HbO y HbR mediante un algoritmo robustos de longitud de Descripción mínima de Wavelet (MDL) con el fin de eliminar las tendencias mundiales resultantes de la respiración, variación de la presión arterial, AMPc o artefactos de movimiento participante y a mejorar la relación señal a ruido19.
- Aplicar un filtro de paso bajo con la forma de la función de la respuesta hemodinámica a los datos y el uso del Worsely y Castellon20 precoloring método para eliminar las correlaciones temporales.
- Utilice uno de las múltiples opciones que existen para el preprocesamiento de datos fNIRS.
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Generación de modelo y análisis estadístico
- Generar modelos para HbO y HbR que contiene experimentales regressors convolved con la función correspondiente de la respuesta hemodinámica con tiempo derivados21.
Nota: La función de la respuesta hemodinámica puede tener una mayor variabilidad en las regiones corticales más altas y entre los participantes. Este tipo de variabilidad se puede acomodar en modelos de análisis mediante la expansión de la HRF para incluir derivados del temporales. Utilizar un derivado temporal a las diferencias de modelo en el tiempo al pico de la respuesta hemodinámica21. - Uso de NIRS-SPM para crear los modelos para HbO y HbR con polaridad de oposición para que un modelo importante para HbO indica incremento de la concentración y para HbR disminución concentración5,18.
- Establecer experimentalmente relevante t-test o F-prueba de contraste para comprobar el efecto de una (o varias) regressors (dada la matriz de diseño) en la modulación de los datos de series de tiempo fNIRS.
- Generar modelos para HbO y HbR que contiene experimentales regressors convolved con la función correspondiente de la respuesta hemodinámica con tiempo derivados21.
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Visualización de resultados
- Realice el registro espacial de los canales NIRS al espacio del Instituto neurológico Montreal (MNI) utilizando los datos de un digitalizador 3D.
- Usar datos fNIRS registrado para crear mapas de activación de HbO, HbR y hemoglobina total (TP) basado en el modelo general lineal y tubo corrección fórmula22,23 de sol.
- Cargar mapas de activación sobre una plantilla apropiada del cerebro. Por ejemplo, la reciente Atlas del cerebro pediátrico Haskins proporciona una plantilla estandarizada para niños entre 6 a 12 años de edad24.
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Representative Results
Datos de posición de la sonda por el digitalizador 3D (figura 2) se pueden visualizar en una plantilla de cerebro estándar. Registrar canales fNIRS espacio MNI mediante registro independiente función25 de NIRS-SPM. La función de registro espacial genera coordenadas MNI, etiquetas anatómicas y las áreas de Brodmann máximo representadas por cada canal.
Figura 2. Recolección de datos. (A) colocación de la tapa fNIRS en la cabeza del participante y colección de datos de posición con el digitalizador 3D. (B) internacional 10-20 sistema utilizado para guiar la colocación de la tapa en la cabeza del participante. (C) localización espacial algoritmo trazado x, y, los datos de coordenadas z en la plantilla MNI cerebro. La imagen generada durante el registro NIRS independiente con digitalizador 3D datos en NIRS-SPM15,19,25. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Datos de posición de la sonda pueden también visualizarse sobre plantilla superficial de corteza o anatómica MRI con Brainstorm software (figura 3).
Figura 3. sondas fNIRS. las sondas fNIRS visualizan en (A) la superficie de la corteza y (B) la plantilla anatómica de MRI de MNI. A la izquierda, se presentan vistas dorsales y derecho. Imágenes generadas mediante Brainstorm software13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Aquí, datos representativos de la tarea del juicio de rima se muestran (figura 4). Los participantes completaron dos carreras idénticamente estructurado de esta tarea. Cada serie contiene 13 ensayos; se ordenaron al azar ensayos rimas y sin rima.
Figura 4. Tarea diseño. Se muestra el esquema de rima juicio tarea. Los participantes visitaron continuamente una fijación cruzada escuchando periódicamente rima francesa o pares de palabras que no riman. La tarea se completó en dos carreras, cada uno compuesto de 13 ensayos. al azar se presentaron 13 rimas y 13 ensayos no rima. Cada ensayo duró 3 s; 1 s por palabra con 1 s ISI. Jitter presentación de períodos de descanso entre los ensayos, que duró 8-17 s. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los datos de posición 3D y diseño experimental los datos se combinaron con fNIRS datos de series de tiempo (figura 5) para el análisis para asignar patrones de activación neuronal significativa relacionada con el experimento en una plantilla de cerebro estándar (figura 6). Resultados y datos de representante solo tema se muestran en la figura 5 y figura 6.
Figura 5. Datos representativos de la serie de tiempo de un canal de fNIRS. (A) datos sin procesar de series de tiempo correspondiente a la longitud de toda tarea (tarea de juicio rima; primera carrera), no normalizado. (B) filtrado datos de series de tiempo usando wavelet robustos. Ensayos con rimas y rimas no se indican por coche de caja sólida y punteada, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este tema mostraron mayor activación en el hemisferio izquierdo del cerebro Temporal Superior (STG) durante ensayos en comparación con el resto (fijación referencia cruzada) de rimas. Respuestas promedio de HbO y HbR para ensayos de rimas muestran una respuesta hemodinámica canónica: aumento de las concentraciones de HbO y correspondiente disminución de concentraciones de HbR presentación de estímulo.
Figura 6. Resultados representativos del solo-tema. (A) activación mayor se observa para rimas ensayos frente a línea de base (fijación cruzada) en el hemisferio izquierdo, superposición de la parte posterior de la circunvolución temporal superior (STG). Imagen generada en NIRS resultados pasos mediante NIRS-SPM15,19,25. (B) un promedio de formas de onda relacionadas con el evento de HbO (rojo) y el HbR (azul) durante la rima (Rima estímulos par de palabra) los ensayos. Imagen generada con parcela función promedio26 de Xu Cui. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Solo tema resultados difieren entre los participantes (ver figura 7). Esta variación individual puede reflejar diferencias funcionales subyacentes o las diferencias del desarrollo en la organización de redes específicas del cerebro. Por ejemplo, tema 1 mostró mayor activación en la región de la convolución del cerebro frontal inferior izquierda durante no rima versus ensayos de rimas; Considerando que el tema 2 mostraron una mayor activación en la región izquierda STG durante el mismo contraste experimental (no-rimas versus ensayos de rimas).
Figura 7. Representante del solo-tema resulta de dos diferentes participantes para idéntico contraste. Mayor activación para no rima versus rimas ensayos en el hemisferio izquierdo en dos A y B. (A) tema 1 mostraron una mayor activación en el giro frontal inferior izquierdo. (B) tema 2 mostraron mayor activación del giro temporal superior izquierdo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este papel presenta un protocolo de neuroimaging de campo adecuado para contextos de bajos recursos en lugares remotos. El avance clave de este protocolo de neuroimaging de campo es la capacidad de la primera vez para estudiar la función cerebral y su desarrollo en poco (o nunca-antes de que estudiado) contextos. Pasos críticos en este protocolo incluyen viajar con y creación de un laboratorio móvil adecuado para la recolección de datos de calidad en climas tropicales sin electricidad o instalaciones disponibles. Este protocolo proporciona a una guía general para formar fuertes asociaciones con local, científico, educativo y las instituciones gubernamentales, y podemos destacar a la transferencia de conocimiento recíproco que se produce cuando se forman alianzas exitosas a largo plazo entre científicos locales y visitantes. Orientaciones para el desarrollo de procedimientos de consentimiento informado culturalmente apropiados y protocolos de prueba se discuten con el objetivo de incorporar múltiples perspectivas culturales en métodos de investigación. Finalmente, este protocolo proporciona pasos detallados para la recogida de datos de campo y análisis de datos.
Compromiso de la ciencia local y oportunidades para el desarrollo de capacidades:
Uno de los principales retos que afrontan los investigadores locales, especialmente jóvenes, en Côte d ' Ivoire cuando terminen sus estudios es la falta de oportunidades para la experiencia práctica con mentores investigador experimentado o internacional colaboradores. Para este propósito, los investigadores deben hacer todos los esfuerzos para establecer sólida colaboración con los investigadores locales de orígenes disciplinarios pertinentes e incluyen a alumnos en todos los niveles (pregrado, postgrado, postdoctorado). Los alumnos pueden aprovechar la penetración obtenida de esta experiencia para trabajar de forma independiente y más investigación. Esta experiencia también puede ser un trampolín para construir sus capacidades como investigadores y desarrollar su competitividad a nivel internacional por escrito propuestas de investigación y documentos y solicitar subvenciones. Un equipo de investigación excluyendo investigadores locales puede tener una menor posibilidad de éxito como los investigadores locales sabrán mejor los sistemas, las lenguas locales además de los conocimientos geográficos de la zona y los valores sociales y culturales locales. Su contribución, por tanto, es extremadamente importante en la comprensión de las realidades locales y diseñar protocolos culturalmente apropiadas para los proyectos de investigación exitosos.
Métodos de investigación culturalmente apropiados:
El desarrollo de protocolos de consentimiento informado para llevar a cabo investigación en entornos rurales en Costa de Marfil es crítico y no adoptar el enfoque adecuado puede inhibir el logro exitoso de la investigación, aunque bien intencionado y científicamente sólidas de27,28,29,30,31. Generalmente, en entornos rurales en Costa de Marfil, pidiendo a un aldeano para leer un formulario de consentimiento y firmar puede romper cualquier confianza entre el investigador y el participante. De hecho, la aparente formalidad de este procedimiento puede crear una distancia psicológica y una sensación de inseguridad en la mente del participante. Esto puede resultar en una negativa clara o inexpresada a colaborar. Esta actitud puede explicarse por muchos factores, incluyendo una larga historia de tradición oral, por el que la comunicación es más oral que escrito y altos índices de analfabetismo que se pueden encontrar en las comunidades de destino. Comunidades en entornos rurales confían en su jefe y dependen de su poder de decisión. Por lo tanto, el protocolo presentado incorpora el consentimiento del jefe de la aldea a nivel comunitario. Esto es posiblemente más culturalmente importante de consentimiento individual. Además, los participantes y miembros de la comunidad pueden haber limitado o ninguna exposición a neuroimagen o computadoras. Por lo tanto, los investigadores deben tener en cuenta que el procedimiento de consentimiento fundamentado previo y las instrucciones, pueden ser entendido mal. La función del sistema fNIRS debe comunicarse en términos legos y apropiado lenguaje fácilmente comprensible por los niños participantes y miembros de la comunidad que puedan haber tenido muy limitada exposición a la tecnología. Estas consideraciones pueden influir fuertemente en la comodidad y la confianza de todos los miembros de la comunidad involucrados en un proyecto de investigación de neuroimaging de campo.
El protocolo presentado aquí también destacó la importancia de compartir resultados de investigación con miembros de la comunidad y socios de gobierno. Alianzas construcción en ayuda de continuar el diálogo en la eventual traducción de resultados de la investigación en la política. Es imprescindible organizar correos datos colección visitas para difundir resultados de la investigación y entregar informes y, posiblemente, compartir herramientas que resultaron del estudio (p. ej., evaluaciones en los idiomas locales). Comunidades participantes en entornos rurales no pueden recibir información sobre finalización de estudios y conclusiones dadas la falta de servicio de internet o computadoras. Asimismo, los investigadores en el país pueden tienen acceso limitado a las suscripciones de la revista académica y pobre conexión a internet en universidades regionales. Resultados publicados deben compartidas en un foro regional y hechos disponibles en un lenguaje accesible.
Limitaciones y retos potenciales:
Este protocolo de neuroimaging de campo debe modificarse para adaptarse a los sitios de recolección de datos planeado. El protocolo que presentamos ha sido desarrollado para la investigación con la escuela primaria de los niños en la rural Costa de Marfil. Sin embargo, los métodos descritos aquí pueden no ser adecuados, especialmente con respecto a los procedimientos de consentimiento informado, en otros países o incluso de otras regiones de Costa de Marfil. Investigadores que tienen como objetivo realizar neuroimagen de campo deben primero cuidadosamente la investigación incorporar las perspectivas locales y costumbres locales en diseño del estudio. Por lo tanto, un equipo de investigación trabajando en los diseños de estudio debe incluir a los miembros de los grupos culturales locales.
Neuroimagen de campo tiene limitación en comparación con métodos de laboratorio. Lo importante, control del medio de prueba se reduce considerablemente en el campo. Los investigadores neuroimaging de campo deben planificar viajes de colección de datos extendidos. Llueven tropicales, riesgo de contraer enfermedades tropicales, civiles huelgas y disturbios políticos significativamente pueden afectar planes de investigación. Los investigadores deben garantizar niveles de seguridad en la región son suficientes y monitorear las actualizaciones a cualquier situación que pueda afectar los niveles de seguridad. Comunicación continua entre los miembros del equipo, específicamente con respecto a los niveles de seguridad, puede mitigar los riesgos potenciales.
Aplicaciones futuras y relevancia a los métodos existentes:
El uso de este método de neuroimagen de campo se puede aplicar para evaluar el impacto de riesgo temprano en el desarrollo infantil en contextos de salud mundial. Los investigadores han empezado a utilizar este enfoque para estudiar el desarrollo infantil en Gambia rural y una barriada urbana en Bangladesh32. En una barriada urbana de Dacca, los investigadores están usando fNIRS para examinar cómo factores como nutrición y saneamiento contribuyen al crecimiento y desarrollo de cerebro33. En Gambia rural, los investigadores han utilizado fNIRS para estudiar la función cognitiva de los niños y han demostrado que fNIRS es una viable herramienta de imagen en entornos de escasos recursos34,35. Este trabajo promete revelar nuevas perspectivas en el desarrollo de los niños en el mundo en desarrollo, que se ven afectados desproporcionadamente por desnutrición y malas condiciones de salubridad. Tecnologías de neuroimagen portátil continúan cada vez más accesible y aplicable para la investigación en entornos de bajos recursos, subrayando así la necesidad de métodos rigurosos para neuroimaging de campo.
CONCLUSIÓN:
Sistemas de neuroimagen portátil con la capacidad de función de la energía suministrada por la batería han vuelto disponibles. Como estas técnicas son relativamente nuevas, avances en sistemas de baterías dará constantes mejoras. Diversas comunidades de científicos desarrolla programas de investigación con estas herramientas sin duda optimizará configuración de laboratorio móvil para proporcionar mayor control del ambiente de pruebas. Compromiso significativo entre los científicos locales e internacionales y comunidades locales puede garantizar que los miembros de las poblaciones de estudio tienen un papel activo en el desarrollo de programas de investigación y representan a los intereses de sus comunidades. Sólo tales equipos de investigación colaborativa e integrada sería bien posicionados para aplicar métodos de neuroimagen de campo para estudiar todo el desarrollo del cerebro humano y revelan tanto información teóricamente y prácticamente relevante a entender más temas de desarrollo infantil urgente.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Esta investigación fue posible gracias a la beca de carrera temprana de la Fundación Jacobs a K. Jasinska (número de becas: 118455 2015). Los autores también desean reconocer Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga y Yvette Foto por su asistencia en la recopilación de datos y apoyo en el campo. Agradecimiento especial a las familias y niños de Moapé, Ananguié, Affery y Becouefin por su participación en este programa de investigación y la cálida hospitalidad de los pueblos.
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 |
References
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