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Neuroscience

Metodi di neuroimaging campo usando vicino spettroscopia infrarossa (NIRS) Neuroimaging funzionale per studiare lo sviluppo globale del bambino: zone rurali dell'Africa sub-sahariano

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/57165

Summary

Approcci di neuroimaging portatile (funzionale Near Infrared Spectroscopy) forniscono anticipi allo studio del cervello nelle regioni precedentemente inaccessibili; qui, rurale Costa d'Avorio. Innovazione nei metodi e lo sviluppo di protocolli di neuroimaging culturalmente appropriate consente un romanzo studio dello sviluppo del cervello e risultati di apprendimento dei bambini in ambienti con le avversità e povertà significativa.

Abstract

Approcci di neuroimaging portatile forniscono nuovi progressi per lo studio della funzione del cervello e lo sviluppo del cervello con popolazioni precedentemente inaccessibili e in località remote. Questa carta Mostra lo sviluppo dell'imaging funzionale di Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) campo allo studio del bambino lo sviluppo cognitivo, la lettura e la lingua in un villaggio rurale della Costa d'Avorio. Innovazione nei metodi e lo sviluppo di protocolli di neuroimaging culturalmente appropriato consentire un'occhiata prima volta nello sviluppo del cervello e risultati di apprendimento dei bambini in ambienti studiati. Questa carta dimostra protocolli per il trasporto e allestire il laboratorio mobile, vengono illustrate considerazioni per campo contro laboratorio neuroimaging, e presenta una guida per lo sviluppo di neuroimaging consenso procedure ed edificio significativo a lungo termine collaborazioni con partner locali di governo e della scienza. Metodi di neuroimaging portatile utilizzabile per studiare i contesti di sviluppo complesso figlio, compreso l'impatto della povertà significativa e avversità sullo sviluppo del cervello. Il protocollo qui presentato è stato sviluppato per uso in Costa d'Avorio, fonte primaria del mondo del cacao, e dove i rapporti del bambino manodopera nel settore del cacao sono comuni. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa l'impatto del lavoro minorile su sviluppo del cervello e l'apprendimento. Metodi di neuroimaging del campo hanno il potenziale per produrre nuove intuizioni tali questioni urgenti e lo sviluppo dei bambini a livello globale.

Introduction

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Formazione immagine portatile fNIRS offre la possibilità di studiare la funzione del cervello e sviluppo di fuori del laboratorio, in impostazioni precedentemente inaccessibili o con popolazioni Zito. Gran parte della conoscenza nel settore delle neuroscienze cognitive proviene da studi condotti nelle regolazioni del laboratorio Università o ospedale, nei paesi occidentali principalmente di imaging. Per impostazione predefinita, questo contribuisce ad un raramente parlato di problema nella ricerca: Gran parte di ciò che è noto circa il cervello si basa su studi con i partecipanti per i quali le impostazioni di laboratorio in (quasi) i paesi occidentali sono accessibili. Vale a dire, la maggior parte ricerca di neuroimaging coinvolge partecipanti che vivono nella prossimità ragionevole a un laboratorio di neuroimmagini e hanno sia il tempo e le risorse necessarie per partecipare ad uno studio. Come disciplina, neuroscienze cognitive mira a comprendere il cervello e i fattori che determinano il suo sviluppo — tra cui gli effetti potenti di ambiente di un bambino e loro presto-vita esperienze1,2,3. Metodi che migliorano la capacità del campo nello studio dello sviluppo in una gamma più completa di esperienza umana possono drammaticamente avanzare la comprensione della complessa relazione tra lo sviluppo del cervello e le esperienze di vita che forma.

Questa carta presenta un protocollo per campo neuroimaging, che è stato sviluppato per uso rurale Africa sub-sahariana, in particolare del Sud Costa d'Avorio. Lo scopo di questo programma di ricerca di neuroimaging campo era per comprendere lo sviluppo di lettura dei bambini in un ambiente con un alto rischio di analfabetismo. Tasso di alfabetizzazione giovanile (15-24 anni) della Costa d'Avorio è 53%, nonostante 93% scuola primaria iscrizione Tariffe4. Costa d'Avorio è la principale fonte mondiale di cacao, e ci sono un stimato 1,3 milioni di bambini lavoratori nel settore agricolo cacao5. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa l'impatto del lavoro minorile su sviluppo del cervello e apprendimento, in particolare imparando a leggere. Applicando gli strumenti più recenti delle neuroscienze cognitive, cioè, metodi di neuroimaging portatile, può produrre preziose intuizioni risultati di apprendimento dei bambini. Ad esempio, neuroimaging di campo con fNIRS può consentire l'identificazione di neurodevelopmental periodi durante i quali mirati programmi educativi o interventi possono avere un massimo impatto sugli esiti di apprendimento dei bambini.

fNIRS neuroimaging è ben adatto per ricerche sul campo. Simile a risonanza magnetica funzionale (fMRI), fNIRS misure risposta emodinamica6 del cervello. Tuttavia, fNIRS utilizza una serie di luce che emettono optodi e rilevatori di luce piuttosto che generano campi elettromagnetici. Non ci sono restrizioni su metallo in o vicino all'area di test, e nessuna schermatura elettrica è necessaria, come nel caso per elettroencefalografia (EEG). Un vantaggio chiave dei fNIRS è la sua portabilità (vale a dire, alcuni sistemi possono adattarsi in una valigia) e la facilità d'uso. fNIRS è anche facile da usare con i bambini; il bambino è comodamente seduto in una sedia durante l'esperimento e il sistema fNIRS tollera bene rispetto alla fMRI di movimento. Confrontato con fMRI, fNIRS fornisce anche misure separate di deossigenata (HbR) ed emoglobina ossigenata (HbO) durante la registrazione, rispetto alla fMRI che produce una misura di livello di densità (grassetto) di ossigeno sangue combinato. fNIRS ha una risoluzione temporale superiore RMF: frequenze di campionamento possono variare tra ~ 7-15 Hz. fNIRS ha buona risoluzione spaziale: profondità dei fNIRS di registrazione nella corteccia umana è minore di fMRI, misura circa 3-4 cm di profondità, che ben si adatta per lo studio funzioni corticali, soprattutto con gli infanti ed i bambini che hanno più sottile teschi di adulti3,7,8,9,10.

Questo protocollo di neuroimaging campo delinea considerazioni per viaggio con e allestire il laboratorio portatile neuroimaging in contesti di risorse limitate. Il protocollo, inoltre, evidenzia la natura essenziale di collaborazioni significative, a lungo termine con partner locali scienza e modi con cui questo approccio serve a costruire capacità scientifiche locali. Il protocollo di neuroimaging per la raccolta e l'analisi dei dati di cervello fNIRS da una batteria di lingua, lettura e compiti cognitivi, è dimostrato comprese le raccomandazioni per la creazione di procedure di consenso informato culturalmente appropriato per l'imaging di ricerca. Mentre questo protocollo è progettato per la ricerca di sviluppo cognitivo con bambini della scuola primaria di età compresa tra in rurale Costa d'Avorio, il protocollo è molto rilevante per lo studio di neuroimaging qualsiasi campo in ambienti impegnativi, risorse limitate e può essere adattato per il romanzo contesti.

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Protocol

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Tutti i metodi descritti qui sono stati approvati da istituzionale Review Board (IRB) University of Delaware.

1. installazione e trasporto di laboratorio mobile

  1. In viaggio con l'apparecchiatura di fNIRS
    1. FNIRS mezzi di trasporto.
      Nota: fNIRS attrezzature possono essere trasportate come bagaglio registrato su una grande compagnia aerea internazionale, ma è indispensabile per confermare con la compagnia aerea data. Restrizioni di apparecchiature possono variare da paese di origine o di destinazione. In alternativa, possono essere spedita fNIRS attrezzature.
    2. Conoscere le procedure per l'importazione o chi viaggia con attrezzatura fNIRS per il paese di destinazione e se del caso, ottenere la documentazione di approvazione di importazione appropriato.
    3. Preparare per le ispezioni.
      Nota: Autorità (ad es., Transportation Security Administration) si riservano il diritto di ispezionare il bagaglio. FNIRS fragile fibra ottica potrebbe essere danneggiato durante le ispezioni. Predisporre una documentazione appropriata accompagnare tutte le attrezzature.
  2. Attrezzature di laboratorio essenziali nel campo
    1. Preparare per le condizioni climatiche nel campo.
      Nota: Condizioni di temperatura e umidità nel campo possono variare significativamente da una regolazione del laboratorio e possono influenzare la funzione dell'attrezzatura e longevità, nonché comfort partecipante durante la sperimentazione. Elettronica operanti in condizioni di elevata umidità, generalmente superiore al 60%, è più suscettibili alla corrosione come eccessiva umidità può depositarsi sulle parti e reagire con componenti metallici. Livelli di umidità in un laboratorio interno (ad es., all'interno di un edificio universitario) sono generalmente tra 30-50%. Umidità in Sud Costa d'Avorio può essere 80-95%. Impostare un condizionatore d'aria portatile con richieste di basso wattaggio.
    2. Garantire un approvvigionamento elettrico. Poiché alimentazione elettrica potrebbe non essere disponibili in ambienti rurali, o potrebbe funzionare solo in modo intermittente o con insufficiente potenza, uso portatile generatori solari al potere di piccole e medie dimensioni elettronica. Rendere disponibile un generatore diesel come alimentazione di backup. Impiegare un elettricista locale che abbia familiarità con le sfide di alimentazione elettrica in contesti rurali.
    3. Preparare una struttura di laboratorio adatto con il tempo di installazione minima come una grande tenda su misura con pareti e tetto opaco e impermeabile.
      Nota: Strutture (ad es., Aula alla scuola locale) sono improbabile per essere disponibile, o fornire impermeabile e tranquillo spazio di prova.
  3. Istituisce il laboratorio portatile (Figura 1)
    1. Assemblare il laboratorio mobile (ad es., tenda su misura). Assicurarsi che il laboratorio sia sufficientemente ampio per accogliere i posti a sedere per il partecipante a una scrivania, posti a sedere per due sperimentatori, stimolo presentazione computer, computer di raccolta di dati fNIRS, unità portatile fNIRS, digitalizzatore tridimensionale (3D) e portatile condizionatore d'aria.

Figure 1
Figura 1. Schemi. (A) schema di installazione di laboratorio. (B) preparare il partecipante per la raccolta dati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. team di ricerca locali e partner di scienza

  1. Investire in formazione di collaborazioni scientifiche e fornire opportunità nell'ambito della ricerca i ricercatori locali.
  2. Stabilire partnership con istituzioni scientifiche allo scopo di inclusività. Guadagnando il riconoscimento dai coetanei a livello locale è importante comunicare la eventuale ricerca trovare nella regione.
  3. Consultare le autorità locali prima di qualsiasi attività di ricerca per ricevere l'autorizzazione e la licenza per operare. Familiarizzare con le procedure di revisione etica nel paese di destinazione e rendere le sistemazioni adeguate se nessuna procedura di revisione formale scientifica è a posto.
    Nota: ad esempio, approvazione dai rappresentanti nel Ministero dell'istruzione superiore e ricerca (o ente governativo paragonabile) e comunicazione diretta con può essere fatto al posto di una procedura di revisione etica.

3. consenso informato e assenso bambino

  1. Sviluppare una procedura di consenso che è culturalmente appropriato e assicura che i partecipanti, le loro famiglie e comunità siano informate sulla ricerca e la loro decisione di partecipare allo studio.
  2. Rivedere le abitudini locali e storia nello sviluppo tipico protocollo e includere i membri del gruppo con il quale la ricerca deve essere condotta.
    1. Assicurati di ottenere un consenso chiaro dal leader locale (ad es., capo del villaggio, gli anziani della Comunità, ecc.) prima di procedere con la ricerca.
      Nota: Questo può essere espresso da una benedizione ancestrali o con qualsiasi altro mezzo tipico alla comunità. Previo consenso del capo del villaggio, abitudini culturali possono includere il versamento di vino sulla terra e chiedendo gli antenati di approvare e benedire le attività di ricerca.
  3. A un livello più formale, cercare il consenso del genitore ed educatore di gruppi che sono responsabili di prendere la decisione relativa alla partecipazione dei bambini nelle attività scolastiche approvato. Ad esempio, il gruppo di genitori-insegnanti ('Comité de Gestion d'Ecoles - COGES' in Cote d'Ivoire) è uno stakeholder chiave nel sistema educativo primario nazionale composto da membri nominati dai genitori dello studente per difendere i loro interessi nel processo decisionale e in tutti gli altri aspetti relazionati all'educazione dei loro figli.
  4. Approvare tutte le attività di ricerca da parte delle autorità locali, ad esempio, il ministero ivoriano di istruzione o il Ministero dell'istruzione superiore e della ricerca. Il paese che il progetto avrà luogo a non può avere una procedura formale per l'approvazione etica attraverso un IRB. Verificare le normative per garantire che si sono seguiti i protocolli corretti per ottenere l'approvazione etica per la ricerca.
    Nota: Al momento dell'approvazione, Costa d'Avorio non ha avuto un IRB formale processo di revisione. Al posto di questo, il team di ricerca ha proceduto preparando documentazione simile a un'applicazione di IRB a presentare al Ministero della pubblica istruzione. Sono stati organizzati incontri multipli con il Ministero dell'istruzione, Ministero dell'istruzione superiore, e i funzionari di ricerca dove il team di ricerca ha presentato la ricerca proposta prevede di tutti i funzionari, seguiti da discussione di gruppo e domanda e risposta sessioni. Approvazione etica è stata ottenuta direttamente dal Ministero dell'istruzione sotto forma di un documento firmato autorizza a condurre una ricerca con i bambini alle scuole specifiche. Questo studio ha ricevuto approvazione etica da IRB Università del Delaware.
  5. Spiegare lo scopo di ricerca in parole semplici per bambini partecipanti in una procedura di parere conforme del bambino. La comunità locale può altamente valore obbedienza di un bambino, in cui caso un bambino può assentire a partecipare o continuare a partecipare a uno studio nonostante la loro riluttanza a farlo a causa di aspettative culturali. Garantire che la procedura del parere conforme comunica con attenzione volontaria partecipazione nella ricerca.
  6. Definire chiaramente come la ricerca andrà a beneficio i partecipanti e se riceveranno il compenso per la loro partecipazione nella ricerca. Garantire che il risarcimento è opportuno sia culturalmente che per i partecipanti.
  7. Condurre tutti i consensi e assenso procedure nel linguaggio locale o preferito del partecipante da un membro qualificato del team di ricerca che è anche un membro del gruppo cultura e del linguaggio.

4. fNIRS cuoio capelluto posizionamento e misurazione

  1. Raccolta di misure Cape
    1. Diretto al partecipante di sedersi su una sedia e spiegare il processo deve essere previsto durante la misurazione della testa.
    2. Utilizzando una misura di nastro standard, misurare le distanze tra: (1) il nasion e inion intorno alla testa, (2) il nasion e inion sopra la parte superiore della testa attraverso la linea mediana centrale (Cz)11e (3) la distanza tra il trago dell'orecchio sinistro e destro nella parte superiore del la testa attraverso Cz.
  2. Posizionamento del tappo fNIRS e optodi sulla testa del partecipante 3 , 8 , 9 , 12
    1. Posizionare il tappo di titolare di optodi fNIRS sulla testa del partecipante, allineando il tappo al sistema internazionale 10-20 per cuoio capelluto posizioni11. Assicurarsi che la posizione del tappo è identica per tutti i partecipanti. Allineare i punti sul tappo (ad es., portasonda) con le posizioni del cuoio capelluto.
      Nota: ad esempio, centrare il fronte del cappuccio sulla testa fino alla posizione di frontopolare (FP). Questa posizione corrisponde al 10% del nasion-inion sopra top distanza dorsale alla posizione nasion.
    2. Fissare il tappo con una cinghia e assicurare che il partecipante è confortevole.
  3. Misurazione di digitalizzatore 3D
    1. Una volta in posizione il tappo, indicare al partecipante di sedersi ancora in posizione per ottenere una misura di digitalizzatore 3D della chiave 10-20 sistema cuoio capelluto posizioni11 e ogni optodi posto da titolare.
    2. Organizzare l'attrezzatura di scanner 3D. Head presso Cz e apposto di sensore posto uno sul partecipante in modo sicuro (cioè, utilizzando un elastico o capelli accessorio) e posizionare il secondo sensore di blocco dietro il partecipante. Lasciate che il partecipante essere seduti su una sedia con la schiena a una tabella. Posizionare il sensore secondo la tabella direttamente dietro la testa del partecipante. Assicurarsi che né sensore mossa durante il corso di ottenere la misura di scanner 3D.
    3. Aprire il software di Brainstorm13 nel computer di raccolta dati. Assicurarsi che il sistema di scanner 3D è in comunicazione con il software di Brainstorm attraverso la porta COM appropriata.
    4. Spostare lo stilo digitalizzatore 3D in ogni posizione della sonda e attraverso la chiave 10-20 posizioni di sistema (nasion, inion, orecchio sinistro, orecchio destro, Cz). In ogni località, ottenere i dati di posizione tramite la funzione Brainstorm del computer di raccolta dati.
  4. Immissione sul cuoio capelluto optodi che emettono luce e rilevatori
    1. Dopo aver raccolto i dati di scanner 3D, diretto al partecipante di essere comodamente seduti davanti al computer di presentazione dello stimolo.
    2. Utilizzando il software incorporato fNIRS, selezionare la disposizione di sonda che corrisponde al disegno esperimento. fNIRS sonde possono essere disposte per coprire l'intera testa (cioè, piena copertura testa), o in alternativa, una matrice può essere posizionata sulle regioni generali di interesse. Ad esempio, questo protocollo utilizzato una matrice 10 x 3 sonda (30 sonde disposte in 3 file di 10 sonde ogni). Questa disposizione della sonda è stato disposto per sovrapporre al massimo nelle zone di lingua di emisfero di sinistra e loro omologhi di giusto emisfero, come pure il lobo frontale (Figura 2).
    3. Assicurarsi che ogni sonda (emettitore e ricevitore) è numerato e il sistema di numerazione corrisponde alla mappa di disposizione della sonda.
    4. Utilizzando la mappa di optodi nella fNIRS software integrato come guida, inserire ogni optodi nell'appropriato optodi apertura sul tappo. La mappa di optodi indica la posizione di ogni optodi nella matrice (ad esempio, 10 x 3).
    5. Spostare tutti i capelli fuori del modo per garantire un contatto diretto tra la punta dell'optodi e cuoio capelluto del partecipante.
    6. Dopo tutti optodi sono in posizione, verificare la qualità del segnale utilizzando il software built-in sistema di fNIRS.
    7. Regolare, sonde individuali se necessario finché non si ottiene sufficiente qualità del segnale. Una volta trascorsi i controlli di qualità del segnale tutti optodi, procedere con compiti sperimentali.

5. sperimentale attività

  1. Progettare ogni attività di neuroimaging con il numero appropriato di prove e condizioni coerenti con gli obiettivi di ricerca. Capire che i compiti di neuroimaging variano a seconda degli obiettivi di ricerca. Ad esempio, tre attività sono state utilizzate in questo protocollo: (1) un linguaggio di elaborazione e lettura (3) un'attività di flessibilità cognitiva, (2) un'attività di giudizio di rima e attività.
    Nota: La procedura (e risultati rappresentativi) dell'attività sentenza rima sono evidenziati.
  2. Luogo a cancellazione di rumore cuffie sulla testa del partecipante, essendo consapevole di non interferire con il posizionamento di sonda fNIRS. Assicurarsi che le cuffie saranno fornire stimoli uditivi discorso al partecipante, così come bloccare qualsiasi rumore ambientale.
    Nota: La prova di laboratorio in genere si svolge in una stanza del suono attenuata. Campo prove di laboratorio non forniscono lo stesso grado di controllo del rumore, e le cuffie a cancellazione di rumore in grado di garantire condizioni di prova tranquille per tutti i partecipanti.
  3. Istruire il partecipante ad affrontare il monitor del computer e fissare lo sguardo sulla Croce al centro dello schermo e di rimanere ancora durante l'esperimento. Presentare tutte le attività sperimentali sullo schermo del computer.
  4. Compito di giudizio rima
    1. Istruire il partecipante per ascoltare le coppie di parole foneticamente presentate attraverso le cuffie. Chiedere al partecipante di indicare se le coppie di parole rimate o no (ad es., 'gatto'-'cappello' o 'gatto'-'log ') con un pulsante premere sulla tastiera.
    2. In questo esempio, utilizzare un evento relativo disegno. Lasciate che i partecipanti completa 12 non-rima e 12 prove rime, separate da intervalli di Inter-stimolo jittered di tra 8 e 17 s.
      Nota: Attività devono essere create in un modo adatto per il partecipante. Nello studio a cui fa riferimento qui, i ricercatori stavano indagando su lingua, cognitivo e lo sviluppo di lettura nei bambini che erano molto poveri lettori. La lettura neuroimaging attività sviluppato con parole che sarebbero appropriati per un bambino con minimo di alfabetizzazione. Pure, i bambini sono stati selezionati per il paradigma di neuroimaging basato su punteggi ottenuti su una valutazione di lettura.
  5. Luci e iniziare la registrazione del partecipante sulla videocamera integrata.
  6. Iniziare la registrazione del computer di comando fNIRS dei dati fNIRS e inizio operazioni sul computer di presentazione dello stimolo.
  7. Monitorare le prestazioni del partecipante durante tutte le attività. Fornire le interruzioni tra compiti e corre.
  8. Assicurarsi che innescando dal computer di presentazione di stimoli sperimentali è ricevuto dal computer di comando fNIRS.
  9. Alla fine di tutte le attività, interrompere la raccolta dati fNIRS e video.

6. compito post-sperimentale misure

  1. Rimuovere ogni optodi dal cap titolare optodi.
  2. Senza interrompere la posizione del tappo optodi titolare sulla testa del partecipante, diretto al partecipante di sedersi in una posizione per ottenere una seconda misura di scanner 3D.
  3. Ripetere la misurazione digitalizzatore 3D come il fNIRS cuoio capelluto posizionamento e misurazione sezione 4 per garantire che eventuali interruzioni al cuoio capelluto probe posizione durante l'esperimento può essere rilevata confrontando i file di due posizioni.
  4. Rimuovere il coperchio del supporto di optodi dalla testa del partecipante.
  5. Alla fine dell'esperimento, offrire ai partecipanti un piccolo regalo (ad es., libri e materiale scolastico) e i riconoscimenti del team di ricerca per la loro partecipazione.

7. piano per la diffusione dei dati

  1. Condividere i risultati della ricerca con i membri della Comunità e delle autorità locali competenti per la loro eventuale traduzione in politica di affrontare la questione oggetto dell'inchiesta.
    Nota: I partecipanti non possono beneficiare direttamente l'esperimento.
  2. Fare piani per le visite di follow-up per le comunità partecipanti. Preparare i rapporti e strumenti utilizzabili da formatori locali. Ad esempio, qualsiasi accertamenti creati nelle lingue locali dovrebbero essere resi disponibili ai dirigenti scolastici della regione. Preparare i membri del team di ricerca che parlano la lingua locale per soddisfare con i leader della comunità di comunicare i risultati dello studio.
  3. Fare piani per pubblicare i risultati dello studio in riviste accademiche internazionali e nella lingua della regione, se applicabile. Ad esempio, i risultati di studio dovrebbero essere divulgati in francese se la ricerca è stata condotta nei paesi francofoni.
  4. Fare piani per incontrare e recapitare i report dei risultati dello studio il ramo di governo che ha concesso l'approvazione per il programma di ricerca.

8. backup dei dati

  1. Garantire che i dati vengono esportati e il backup su più dischi rigidi portatili, come accesso a internet per l'archiviazione dei dati online è improbabile da essere disponibile. Trasferimento dei dati all'archiviazione di dati online come sufficiente connettività internet è disponibile.

9. analisi dei dati

Nota: Più pacchetti di analisi di dati esistano per fNIRS14. Statistica parametrica Mapping per spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS-SPM)15 , Homer216 (ampiamente usato) e le fNIRS toolbox 17,18 (nuova e guadagna popolarità) vengono utilizzati per l'analisi dei dati fNIRS. Questo protocollo recensioni metodi di analisi dei dati utilizzando NIRS-SPM, ma è a discrezione del ricercatore per selezionare il metodo preferito di analisi.

  1. Analizzare i dati dal sistema fNIRS utilizzando NIRS-SPM, versione 415,19. Questo toolbox per il neuroimaging suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analizza i dati NIRS con un approccio di analisi del modello lineare generale basato e consente la creazione di mappe di attivazione con la localizzazione di Super-risoluzione.
  2. Conversione dei dati a HbO e HbR
    1. Utilizzare l'equazione modificata di Lambert-Beer (con NIRS-SPM) per convertire i valori di densità ottica in variazioni di concentrazione nella risposta HbO e HbR.
  3. Pre-elaborazione dati
    1. Utilizzare una delle opzioni più che esistono per pre-elaborazione dei dati fNIRS.
      Nota: Huppert et al. 17 proporre metodi molto rigorosi per le diverse fonti di rumore16. Questi includono basati su autovettore riduzione degli artefatti da movimento, tecniche di filtraggio passa-banda e basati su autovettore riduzione della covarianza spaziale per interferenza fisiologica nei dati (ad es., respirazione, pressione sanguigna, frequenza cardiaca). Condividono anche un commento approfondito sulle fonti di rumore in ricerca fNIRS e implicazioni per l'analisi statistica. Il ricercatore fNIRS deve indagare le applicazioni pre-elaborazione che sono più appropriate per un determinato studio. Qui di seguito, modellato in un approccio di analisi peggiormente e Friston20 e Jang et al. 19 è presentato.
    2. Decompongono i cambiamenti nelle concentrazioni di HbO e HbR utilizzando un algoritmo di detrending Wavelet-minimo Descrizione lunghezza (MDL) al fine di rimuovere le tendenze globali risultanti dalla respirazione, variazione di pressione sanguigna, vasomotion o artefatti di movimento partecipante e a migliorare il rapporto segnale-rumore19.
    3. Applicare un filtro passa-basso con la forma della funzione di risposta emodinamica ai dati e uso il peggiormente e Friston20 precolorazione metodo per rimuovere le correlazioni temporali.
  4. Generazione modello e analisi statistica
    1. Generazione di modelli per la HbO e HbR contenente sperimentale regressori convoluzione con la corrispondente funzione di risposta emodinamica con tempo derivati21.
      Nota: La funzione di risposta emodinamica può avere una maggiore variabilità nelle più alte regioni corticali e tra i partecipanti. Questi tipi di variabilità possono essere ospitati in modelli di analisi espandendo il HRF per includere derivati temporali. Al picco della risposta emodinamica21, utilizzare un derivato temporale alle differenze di modello nel tempo.
    2. Uso NIRS-SPM per creare i modelli per la HbO e HbR con opposte polarità in modo che un modello significativo adatto per HbO indica una maggiore concentrazione e per HbR diminuita concentrazione5,18.
    3. Impostare sperimentalmente pertinenti t-test o F-contrasti per verificare l'effetto di uno (o più) regressori (data la matrice di progettazione) sulla modulazione dei dati fNIRS tempo serie di test.
  5. Visualizzazione risultati
    1. Eseguire la registrazione spaziale dei canali NIRS per lo spazio di Montreal Neurological Institute (MNI) utilizzando i dati da un digitalizzatore 3D.
    2. Utilizzare dati registrati fNIRS per creare mappe di attivazione di HbO, HbR ed emoglobina totale (THb) basato sul modello generale lineare e tubo formula correzione22,23 del sole.
    3. Caricare le mappe di attivazione direttamente un modello di cervello appropriato. Ad esempio, il recente Haskins Pediatric Brain Atlas fornisce un modello standardizzato per i bambini tra i 6-12 anni di età24.

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Representative Results

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Dati di posizione sonda ottenuti dal digitalizzatore 3D (Figura 2) possono essere visualizzati su un modello di cervello standard. Registrare canali fNIRS allo spazio MNI usando registrazione autonoma funzione25 di NIRS-SPM. La funzione di registrazione spaziale genera MNI coordinate, etichette anatomiche e le aree di Brodmann al massimo rappresentate da ogni canale.

Figure 2
Figura 2. Raccolta dei dati. (A) posizionamento del tappo fNIRS sulla testa del partecipante e la raccolta dei dati sulla posizione utilizzando il digitalizzatore 3D. (B) International 10-20 sistema usato per guidare il posizionamento del tappo sulla testa del partecipante. (C) localizzazione spaziale algoritmo tracciato x, y, z coordinate dati sul modello di cervello MNI. L'immagine generata durante la registrazione NIRS stand-alone utilizzando dati di digitalizzatore 3D NIRS-SPM15,19,25. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sonda posizione dati possono anche essere visualizzati sopra corteccia superficiale o modello anatomico MRI utilizzando software di Brainstorm (Figura 3).

Figure 3
Figura 3. sonde fNIRS. fNIRS sonde fruiti su (A) la superficie della corteccia e (B) il modello MRI anatomico MNI. Vista dorsale e destra a sinistra, è presentati. Immagini generate usando Brainstorm software13. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Qui, dati rappresentativi dell'attività di giudizio di rima sono indicati (Figura 4). I partecipanti hanno completato due funzionamenti in modo identico strutturato di questa attività. Ogni esecuzione conteneva 13 prove; prove di rime e rima non erano in ordine casuale.

Figure 4
Figura 4. Progettazione di attività. È mostrato lo schema attività sentenza. I partecipanti hanno visto continuamente una fissazione trasversale ascoltando periodicamente francese in rima o non rima coppie di parole. L'attività è stata completata in due esecuzioni, ciascuna composta da 13 prove. 13 in rima e 13 prove non rima sono state presentate in modo casuale. Ogni prova ha durato 3 s; 1 s per parola con un 1 s ISI. Stato di presentazione di periodi di riposo tra le prove, che è durato 8-17 s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I dati di posizione 3D e disegno sperimentale, i dati sono stati combinati con fNIRS dati di serie temporali (Figura 5) per l'analisi al fine di mappare il pattern di attivazione neurale significativi relativi esperimento su un modello di cervello standard (Figura 6). Rappresentante unico soggetto dati ed i risultati sono mostrati in Figura 5 e Figura 6.

Figure 5
Figura 5. Dati di serie temporali rappresentativi da un canale di fNIRS. (A) serie temporali dei dati grezzi corrispondenti a lunghezza intera attività (attività sentenza rima; prima esecuzione), non normalizzato. (B) filtrati dati di serie temporali mediante wavelet detrending. Prove di rime e non in rima sono indicate da continue e tratteggiata box-auto, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Questo argomento ha mostrato una maggiore attivazione nell'emisfero sinistro Gyrus temporale superiore (STG) durante studi hanno confrontato con resto (fissazione basale Croce) in rima. Media risposte HbO e HbR per rima prove mostrano una risposta emodinamica canonica: aumento delle concentrazioni di HbO e corrispondente diminuire le concentrazioni di HbR segue la presentazione dello stimolo.

Figure 6
Nella figura 6. Risultati rappresentativi di singolo-oggetto. (A) una maggiore attivazione è osservato per rima prove contro basale (fissazione trasversale) nell'emisfero sinistro, sovrapponendo la parte posteriore del gyrus temporale superiore (STG). Immagine generata durante NIRS risultati passaggi utilizzando NIRS-SPM15,19,25. (B) una media di forme d'onda relative agli eventi per la HbO (rosso) e HbR (blu) durante prove (rima stimoli coppia parola) in rima. Immagine generata usando trama funzione media26 di Xu Cui. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Singolo-oggetto risultati differivano tra i partecipanti (Vedi Figura 7). Questa variabilità individuale può riflettere differenze funzionali sottostanti o differenze inerenti allo sviluppo nell'organizzazione delle reti specifiche del cervello. Ad esempio, soggetto 1 ha mostrato maggiore attivazione della regione del gyrus frontale inferiore sinistra durante non rima contro rime prove; considerando che soggetto 2 ha mostrato una maggiore attivazione nella regione sinistra STG durante lo stesso contrasto sperimentale (non rima contro prove in rima).

Figure 7
Figura 7. Rappresentanza singolo-oggetto deriva da due diversi partecipanti per identico contrasto. Maggiore attivazione per non rima contro rima prove nell'emisfero di sinistra è mostrato in entrambi A e b. (A) soggetto 1 ha mostrato una maggiore attivazione nel gyrus frontale inferiore sinistra. (B) soggetto 2 ha mostrato una maggiore attivazione gyrus temporale superiore sinistro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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Questa carta ha presentato un protocollo di neuroimaging di campo adatto a contesti di risorse limitate in località remote. L'anticipo chiave di questo protocollo di neuroimaging del campo è la capacità di prima volta di studiare la funzione del cervello e suo sviluppo nel sostituto (o mai-prima studiato) contesti. Punti critici in questo protocollo sono in viaggio con e allestire il laboratorio mobile adatto per la raccolta di dati di qualità in climi tropicali senza elettricità o strutture disponibili. Questo protocollo fornisce una guida generale per la formazione di forte partnership con scientifico, educativo, istituzioni locali e governo ed evidenziamo il trasferimento di conoscenza reciproca che si verifica quando una partnership di successo a lungo termine si forma tra scienziati locali e visiti. Linee guida per lo sviluppo del consenso informato di culturalmente appropriate procedure e protocolli di prova sono discussi con l'obiettivo di integrare molteplici prospettive culturale in metodi di ricerca. Infine, questo protocollo vengono fornite procedure dettagliate per la raccolta di dati di campo e analisi dei dati.

Impegno di scienza locale e opportunità di sviluppo delle capacità:

Una delle principali sfide che i ricercatori locali, in particolare junior, in Costa d'Avorio si trovano ad affrontare quando essi completare i loro studi è la mancanza di opportunità per esperienza hands-on di ricerca con i mentori ricercatore esperto e/o internazionali collaboratori. Per questo scopo, i ricercatori dovrebbero compiere ogni sforzo per stabilire una collaborazione solida con ricercatori locali da contesti disciplinari pertinenti e includono i tirocinanti a tutti i livelli (laurea, laurea, post-dottorato). I tirocinanti possono sfruttare le conoscenze acquisite da questa esperienza di lavorare in modo indipendente e ulteriore ricerca. Questa esperienza può anche essere un trampolino di lancio per costruire loro capacità come ricercatori e sviluppare la loro competitività a livello internazionale nella scrittura di documenti e proposte di ricerca e l'applicazione per le sovvenzioni. Un team di ricerca escludendo i ricercatori locali che possono avere una ridotta possibilità di successo come i ricercatori locali che sapranno meglio i valori sociali e culturali locali e i sistemi, le lingue locali parlate oltre la conoscenza geografica della zona. Loro contributo è quindi estremamente importante nella comprensione delle realtà locali e progettazione di protocolli culturalmente appropriate per i progetti di ricerca di successo.

Metodi di ricerca culturalmente appropriate:

Lo sviluppo di protocolli di consenso informato per condurre una ricerca in ambienti rurali, in particolare in Costa d'Avorio è critico e mancato di adottare l'approccio appropriato in grado di inibire il successo della ricerca anche se ben intenzionato e scientificamente robusto27,28,29,30,31. In genere, in ambienti rurali in Costa d'Avorio, chiedendo un abitante del villaggio di leggere un modulo di consenso e firmarlo può rompere qualsiasi fiducia dell'edificio tra il ricercatore e il partecipante. Infatti, la formalità percepita di questa procedura potrebbe creare una distanza psicologica e una sensazione di insicurezza nella mente del partecipante. Ciò potrebbe comportare un chiaro o inespresse indisponibilità a collaborare. Questo atteggiamento può essere spiegato da molti fattori, tra cui una lunga storia di tradizione orale, per cui la comunicazione è più orale che scritta e alti tassi di analfabetismo che possono essere trovati nelle comunità di destinazione. Comunità in ambienti rurali fiducia loro capo e fare affidamento sul suo potere decisionale. Di conseguenza, il protocollo presentato integra il consenso del capo del villaggio a livello comunitario. Questo è senza dubbio più culturalmente importante di consenso individuale. Inoltre, i partecipanti e membri della Comunità possono aver avuto limitata o nessuna esposizione al neuroimaging tecnologia o computer. Di conseguenza, i ricercatori hanno bisogno di prendere in considerazione che la procedura di consenso informato e le istruzioni, potrebbero essere frainteso. La funzione del sistema fNIRS deve essere comunicata in termini laici e appropriato linguaggio facilmente comprensibile dai bambini partecipanti e membri della comunità che possono aver avuto molto limitato l'esposizione alla tecnologia. Queste considerazioni possono influenzare fortemente il comfort e l'affidabilità di tutti i membri di comunità coinvolti in un progetto di ricerca di neuroimaging di campo.

Il protocollo presentato qui ha anche evidenziato l'importanza di condividere i risultati di ricerca con partner di governo e membri della Comunità. Le collaborazioni costruite sul dialogo costante aiuto nella traduzione finale dei risultati della ricerca nella politica. È indispensabile per organizzare visite sul campo di raccolta di dati per diffondere i risultati di ricerca e recapitare i report e, eventualmente, condividere eventuali attrezzi che è derivato dallo studio (per esempio, le valutazioni nelle lingue locali) post. Comunità partecipanti in ambienti rurali mai altrimenti ricevere informazioni relative a completamento di studio ed i risultati dati la mancanza di servizio internet e/o computer. Allo stesso modo, i ricercatori del paese potrebbero avere accesso limitato per gli abbonamenti rivista accademica e scarsa connettività internet alle università regionali. Risultati pubblicati dovrebbero essere condivisi in un forum regionale e resi disponibili in un linguaggio accessibile.

Limiti e potenziali sfide:

Questo protocollo di neuroimaging di campo deve essere modificato per soddisfare i siti di raccolta di dati di previsione. Il protocollo qui presentato è stato sviluppato per ricerca con scuola primaria di età compresa tra i bambini in rurale Costa d'Avorio. Tuttavia, i metodi descritti qui potrebbero non essere adatti, in particolare per quanto riguarda le procedure di consenso informato, in altri paesi o anche altre regioni della Costa d'Avorio. I ricercatori che intendono condurre campo neuroimaging prima devono attentamente ricerca costumi locali e prospettive locali incorpori nel disegno di studio. Di conseguenza, un team di ricerca, lavorando su progetti di studio deve includere membri dai gruppi culturali locali.

Campo neuroimaging ha limitazione rispetto ai metodi di laboratorio. D'importanza, controllo dell'ambiente di test è ridotta considerevolmente nel campo. Ricercatori sul campo neuroimaging dovrebbero pianificare viaggi di raccolta di dati estesi. Le piogge tropicali, rischio di contrarre malattie tropicali, civile colpisce e disordini politici possono significativamente influenzare piani di ricerca. I ricercatori devono garantire livelli di sicurezza nella regione sono sufficienti e il monitoraggio degli aggiornamenti per tutte le situazioni che possono influenzare i livelli di sicurezza. Comunicazione continua tra i membri del team, in particolare per quanto riguarda i livelli di protezione, può attenuare i rischi potenziali.

Applicazioni future e pertinenza ai metodi esistenti:

L'utilizzo di questo metodo di neuroimaging del campo può essere applicato per valutare l'impatto del rischio precoce sullo sviluppo infantile e del bambino nelle impostazioni di salute globale. I ricercatori hanno cominciato a usando questo approccio per studiare lo sviluppo del bambino in Gambia rurale e una baraccopoli in Bangladesh32. In una baraccopoli a Dhaka, i ricercatori stanno usando fNIRS per esaminare come fattori quali la nutrizione e servizi igienico-sanitari contribuiscono alla crescita e di sviluppo cervello33. In Gambia rurale, i ricercatori hanno usato fNIRS per studiare la funzione conoscitiva dei bambini e hanno dimostrato che fNIRS è un valido strumento di imaging in poveri di risorse impostazioni34,35. Tale lavoro promette di rivelare nuove intuizioni riguardanti lo sviluppo dei bambini in via di sviluppo, che sono colpite da malnutrizione e scarsa igiene. Neuroimaging portatile tecnologie continuano a diventare più accessibile e applicabile per la ricerca in ambienti di risorse limitate, evidenziando così la necessità di metodi rigorosi per campo neuroimaging.

Conclusione:

Sistemi di neuroimaging portatili con la capacità di funzione sull'alimentazione di batteria recentemente sono diventato disponibili. Queste tecniche sono relativamente nuove, anticipi ai sistemi di batteria fornirà miglioramenti in corso. Diverse comunità di scienziati internazionali, lo sviluppo di programmi di ricerca utilizzando questi strumenti senza dubbio consente di ottimizzare le impostazioni di laboratorio mobile per offrire un maggiore controllo dell'ambiente di test. Significativo impegno tra scienziati internazionali e locali e le comunità locali possa garantire che membri delle popolazioni di studio hanno un ruolo attivo nello sviluppo di programmi di ricerca e rappresentano gli interessi delle loro comunità. Solo tali squadre di ricerca collaborativa e integrata sarebbero ben posizionata per applicare metodi di neuroimaging di campo per studiare tutto lo sviluppo del cervello umano e rivelare sia teoricamente e praticamente-rilevanti informazioni volte a comprendere la maggior parte problemi di sviluppo del bambino urgente.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Questa ricerca è stato reso possibile attraverso la Jacobs Foundation Fellowship di carriera precoce a K. Jasinska (Fellowship numero: 2015 118455). Gli autori desiderano anche riconoscere Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga e Yvette Foto per la loro assistenza nella raccolta dei dati e supporto sul campo. Si ringrazia le famiglie e i bambini di Moapé, Ananguié, Affery e Becouefin per la loro partecipazione a questo programma di ricerca e la calda ospitalità dei villaggi.

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

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References

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Metodi di neuroimaging campo usando vicino spettroscopia infrarossa (NIRS) Neuroimaging funzionale per studiare lo sviluppo globale del bambino: zone rurali dell'Africa sub-sahariano
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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).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).

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