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Neuroscience

Métodos de neuro-imagem campo usando funcional perto de neuroimagem de espectroscopia de infravermelho (NIR) para estudar o Desenvolvimento Global da criança: Rural África subsahariana

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/57165

Summary

Abordagens de neuroimagem portátil (funcional perto de espectroscopia no infravermelho) fornecem avanços para o estudo do cérebro em regiões anteriormente inacessíveis; aqui, rural Costa do Marfim. Inovação no desenvolvimento de protocolos de neuroimagem culturalmente apropriadas e métodos permite romance estudo do desenvolvimento do cérebro e resultados de aprendizagem das crianças em ambientes com a adversidade e significativa da pobreza.

Abstract

Abordagens de neuroimagem portáteis fornecem novos avanços para o estudo da função cerebral e o desenvolvimento do cérebro com populações anteriormente inacessíveis e em locais remotos. Este artigo mostra o desenvolvimento de campo perto de espectroscopia de infravermelho (fNIRS) imagem latente funcional para o estudo da criança leitura, linguagem e desenvolvimento cognitivo em um cenário de aldeia rural da costa do Marfim. Inovação no desenvolvimento de protocolos de neuroimagem culturalmente apropriado e métodos permitem uma vista de olhos pela primeira vez no desenvolvimento do cérebro e resultados de aprendizagem das crianças em ambientes pouco estudados. Este documento demonstra protocolos para transporte e criação de um laboratório móvel, aborda considerações para campo e laboratório de neuroimagem, e apresenta um guia para o desenvolvimento de neuroimagem consentimento procedimentos e edifício significativo a longo prazo colaborações com parceiros locais do governo e da ciência. Métodos de neuroimagem portátil podem ser usados para estudar os contextos de desenvolvimento complexo infantil, incluindo o impacto da pobreza significativa e adversidade no desenvolvimento do cérebro. O protocolo aqui apresentado foi desenvolvido para uso na costa do Marfim, a principal fonte mundial de cacau, e onde relatórios de criança do trabalho no setor de cacau são comuns. No entanto, pouco se sabe sobre o impacto do trabalho infantil na aprendizagem e desenvolvimento do cérebro. Métodos de neuroimagem de campo têm o potencial para produzir novos insights sobre tais questões urgentes e o desenvolvimento das crianças globalmente.

Introduction

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Imagem de fNIRS portátil fornece a capacidade de estudar o funcionamento do cérebro e desenvolvimento fora do laboratório, nas configurações anteriormente inacessíveis ou com populações pouco estudadas. Muito do conhecimento no domínio da neurociência cognitiva vem de estudos realizados na Universidade ou hospital configurações de laboratório, nos países ocidentais predominantemente de imagem. Por design, isto contribui para um problema raramente-falada-de pesquisa: muito do que é conhecido sobre o cérebro é baseado em estudos com os participantes para os quais configurações de laboratório (principalmente) os países ocidentais são acessíveis. Ou seja, a maioria das pesquisas de neuroimagem envolve os participantes que vivem na proximidade razoável para um laboratório de neuroimagem e tem tanto tempo e recursos necessários para participar de um estudo. Como uma disciplina, neurociência cognitiva tem como objetivo entender o cérebro e os fatores que moldam o seu desenvolvimento — incluindo os efeitos poderosos do ambiente da criança e sua vida-experiências1,2,3. Métodos que avançam a capacidade do campo para estudar o desenvolvimento de uma gama mais completa de experiência humana dramaticamente podem avançar a compreensão da complexa relação entre o desenvolvimento do cérebro e as experiências de vida que moldá-la.

Este trabalho apresenta um protocolo para neuroimagem de campo, que foi desenvolvido para uso na África subsahariana rural, especificamente a sul da costa do Marfim. O objetivo deste programa de pesquisa de neuroimagem de campo foi compreender o desenvolvimento de leitura das crianças em um ambiente com alto risco de analfabetismo. Taxa de alfabetização de jovens (15-24 anos) de Côte d'Ivoire é de 53%, apesar de 93% escola primária de taxas de inscrição4. Costa do Marfim é a principal fonte mundial de cacau, e há um estimado 1,3 milhões de crianças trabalhadoras no setor agrícola cacau5. No entanto, pouco se sabe sobre o impacto do trabalho infantil no desenvolvimento do cérebro e aprendizagem, especificamente para aprender a ler. Aplicar as mais recentes ferramentas de neurociência cognitiva, ou seja, métodos de neuroimagem portátil, pode produzir valiosos insights sobre os resultados da aprendizagem das crianças. Por exemplo, campo neuroimagem com fNIRS pode permitir a identificação dos períodos de desenvolvimento neurológico, durante o qual direcionados a programas educacionais ou intervenções podem ter impactos máximas sobre os resultados de aprendizagem das crianças.

fNIRS neuroimagem é well-suited para pesquisa de campo. Semelhante à ressonância magnética funcional (fMRI), fNIRS medidas de resposta hemodinâmica cerebral6. No entanto, o fNIRS utiliza uma série de luz emitindo optodes e detectores de luz, ao invés de gerar campos eletromagnéticos. Não existem restrições sobre metal em ou perto da área de testes, e sem blindagem eléctrica é necessário, como é o caso de eletroencefalografia (EEG). Uma vantagem chave de fNIRS é a sua portabilidade (ou seja, alguns sistemas podem caber em uma mala) e facilidade de uso. fNIRS também é fácil de usar com crianças; a criança está sentada confortavelmente em uma cadeira durante o experimento, e o sistema de fNIRS tolera movimento bem comparado a fMRI. Comparado com fMRI, fNIRS também fornece medidas distintas de pobre em oxigênio (HbR) e a hemoglobina oxigenada (HbO) durante a gravação, em comparação com fMRI, que produz uma medida de densidade de nível (negrito) de oxigênio sangue combinado. fNIRS tem resolução temporal superior a fMRI: taxas de amostragem pode variar entre ~ 7-15 Hz. fNIRS tem boa resolução espacial: profundidade do fNIRS da gravação no córtex humano é menor que fMRI, medindo cerca de 3 a 4 cm de profundidade, que é well-suited para estudar funções corticais, especialmente com bebês e crianças que têm crânios mais finos que adultos3,7,8,9,10.

Este protocolo de neuroimagem de campo descreve as considerações para viajar com e criação de um laboratório de neuroimagem portátil em contextos de poucos recursos. O protocolo também destaca a natureza essencial de colaborações significativas, a longo prazo com parceiros locais ciência e maneiras pela qual esta abordagem serve para construir capacidade local de ciência. O protocolo de neuroimagem para coletar e analisar dados de cérebro de fNIRS de uma bateria de linguagem, leitura e tarefas cognitivas, é demonstrado, incluindo recomendações para a criação de procedimentos culturalmente apropriado consentimento informado para pesquisa de imagem. Enquanto este protocolo é projetado para pesquisa de desenvolvimento cognitivo, com crianças de escola primária envelhecida na rural Costa do Marfim, o protocolo é altamente relevante para qualquer estudo de neuroimagem de campo em ambientes desafiadores, poucos recursos e pode ser adaptado para romance contextos.

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Protocol

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Todos os métodos descritos aqui foram aprovados por institucional Review Board (IRB), da Universidade de Delaware.

1. instalação e transporte móvel de laboratório

  1. Viajando com o equipamento de fNIRS
    1. FNIRS material de transporte.
      Nota: fNIRS equipamento pode ser transportado como bagagem em uma grande companhia aérea internacional, mas é imperativo para confirmar com a companhia aérea determinada. Restrições de equipamentos podem variar conforme o país de origem ou de destino. Alternativamente, pode ser enviado fNIRS equipamento.
    2. Conhecer os procedimentos para importação ou viajando com equipamentos fNIRS para o país de destino e se for caso disso, obter a documentação de aprovação de importação apropriado.
    3. Prepare-se para as inspecções.
      Nota: As autoridades (por exemplo, Transportation Security Administration) o direito de inspecionar bagagem. Frágil fNIRS fibra óptica podem ser danificada durante as inspecções. Providencie a documentação adequada acompanhar todo o equipamento.
  2. Equipamentos laboratoriais essenciais no campo
    1. Prepare-se para condições climáticas no campo.
      Nota: As condições de temperatura e umidade no campo podem variar significativamente de configuração de laboratório e podem afetar a função do equipamento e longevidade, bem como o conforto do participante durante a experimentação. Eletrônicos que operam em condições de alta umidade, geralmente acima de 60%, são mais suscetíveis à corrosão como umidade excessiva pode resolver em partes e reagir com componentes metálicos. Os níveis de umidade em um laboratório interno (por exemplo, dentro de um edifício da Universidade) são geralmente entre 30-50%. Umidade no sul da costa do Marfim pode ser 80-95%. Criar uma unidade portátil ar condicionado com demandas de baixa wattagem.
    2. Garantir a alimentação eléctrica adequada. Desde que a alimentação eléctrica pode não estar disponível em configurações rurais, ou pode funcionar apenas intermitentemente ou com potência insuficiente, uso de geradores solares portáteis ao poder de pequeno a médio porte eletrônica. Disponibilize um gerador diesel como energia de reserva. Emprega um eletricista local que esteja familiarizado com alimentação eléctrica desafios em contextos rurais.
    3. Prepare uma estrutura de laboratório adequado com o tempo de configuração mínima como uma grande tenda personalizada com telhado opaco e impermeável e paredes.
      Nota: As instalações (por exemplo, sala de aula na escola local) são susceptíveis de ser disponível, ou fornecer impermeável e testando o espaço de silêncio.
  3. Configurando o laboratório portátil (Figura 1)
    1. Monte o laboratório móvel (por exemplo, tenda personalizada). Certifique-se de que o laboratório é suficientemente grande para acomodar o assento para o participante em uma mesa, assentos para dois experimentadores, computador de apresentação do estímulo, fNIRS computador de recolha de dados, unidade portátil fNIRS, tridimensional (3D) digitalizador e portátil condicionador de ar.

Figure 1
Figura 1. Esquemas. (A) esquema de instalação do laboratório. (B) preparar o participante para coleta de dados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. local de pesquisa equipes e parceiros de ciência

  1. Investir em formação de colaborações científicas e proporcionar oportunidades no âmbito da investigação de pesquisadores locais.
  2. Estabelece parceria com instituições científicas locais para efeitos de inclusão. Ganhando o reconhecimento dos pares a nível local é importante para comunicar a eventual investigação encontrar na região.
  3. Consulte as autoridades locais relevantes antes de qualquer investigação actividades para receber autorização e licença para operar. Familiarize-se com os procedimentos de avaliação ética no país-alvo e fazer acomodações adequadas, se nenhum procedimento de revisão científica formal está no lugar.
    Nota: por exemplo, comunicação direta com e aprovação dos representantes no Ministério do ensino superior e pesquisa (ou corpo de governo comparável) podem ser feitos em vez de um procedimento de revisão ética.

3. o consentimento informado e parecer favorável da criança

  1. Desenvolva um procedimento de consentimento que é culturalmente apropriado e garante que os participantes, suas famílias e comunidades sejam informadas sobre a pesquisa e sua decisão de participar do estudo.
  2. Rever os costumes locais e história no desenvolvimento do protocolo típico e incluir membros do grupo com quem pesquisa precisa ser realizado.
    1. Certifique-se de obter um consentimento claro do líder local (por exemplo, chefe da aldeia, anciãos da Comunidade, etc.) antes de prosseguir com a investigação.
      Nota: Pode ser expressa por uma bênção ancestral ou por qualquer outro meio típico para a Comunidade. Após o consentimento do chefe da aldeia, costumes culturais podem incluir o derramamento de vinho sobre a terra e pedir os ancestrais para aprovar e abençoar as actividades de investigação.
  3. Em um nível mais formal, procure o consentimento do pai e educador grupos responsáveis pela tomada de decisão relativa à participação das crianças nas actividades escolares aprovados. Por exemplo, o grupo de pais e professores («d'Ecoles Comité de Gestion - COGES» na costa do Marfim) é dos principais interessados no sistema educacional primário nacional composto por membros nomeados pelos pais do aluno para defender seus interesses na tomada de decisões e na todos os outros aspectos relacionados com a educação dos seus filhos.
  4. Aprove todas as actividades de investigação pelas autoridades locais, por exemplo, o marfinense de Ministério da educação ou o Ministério do ensino superior e pesquisa. O país que o projeto terá lugar em não ter um procedimento formal de aprovação ética através de um IRB. Verifique os regulamentos para garantir que os protocolos corretos para a obtenção de aprovação ética para a investigação estão sendo seguidos.
    Nota: No momento da obtenção de aprovação, Costa do Marfim não tinha um IRB formal processo de revisão. Em vez disso, a equipa de investigação procedeu-se através da elaboração de documentação semelhante a um aplicativo de IRB para apresentar ao Ministério da educação. Foram organizadas várias reuniões com o Ministério da educação, Ministério do ensino superior, e planejam de funcionários de pesquisa, onde a equipa de investigação apresentou a proposta de pesquisa para todos os funcionários, seguidos pelo grupo de discussão e pergunta e resposta de sessões. Aprovação ética foi obtida diretamente do Ministério da educação, sob a forma de um documento assinado a concessão da autorização para conduzir pesquisas com crianças de escolas específicas. Este estudo recebeu aprovação ética do IRB a Universidade de Delaware.
  5. Explica a finalidade da pesquisa em palavras simples para crianças participantes em um procedimento de parecer favorável da criança. A comunidade local pode altamente valor obediência infantil, em que caso uma criança pode parecer favorável para participar ou continuar participando em um estudo, apesar de sua relutância em fazê-lo por causa de expectativas culturais. Certifique-se de que o procedimento de parecer favorável cuidadosamente se comunica a participação voluntária na pesquisa.
  6. Defina claramente como a pesquisa irá beneficiar os participantes e se eles receberão a compensação para a sua participação na pesquisa. Garantir que a compensação é adequada tanto culturalmente como para os participantes.
  7. Conduzir o consentimento de todos, e parecer favorável a procedimentos na língua local ou preferencial do participante por um treinado membro da equipa de investigação que é também um membro do grupo cultural e linguagem.

4. fNIRS medição e colocação do couro cabeludo

  1. Recolha de medições de cabeça
    1. Direcionar o participante a se sentar em uma cadeira e explicar o processo de esperar durante a medição de cabeça.
    2. Usando uma fita métrica padrão, medir as distâncias entre: (1) o nasion e o Ínion em torno da cabeça, (2) o nasion e Ínion ao longo do topo da cabeça através da linha média central (Cz)11e (3) a distância entre o tragus orelha esquerda e direita por cima da a cabeça através de Cz.
  2. Colocação da tampa de fNIRS e optodes na cabeça do participante 3 , 8 , 9 , 12
    1. Coloque a tampa de titular de optode de fNIRS na cabeça do participante, alinhando a tampa ao sistema internacional 10-20 para o couro cabeludo locais11. Certifique-se de que a posição da tampa é idêntica para todos os participantes. Alinhe os pontos sobre a tampa (por exemplo, porta-sonda) com as posições do couro cabeludo.
      Nota: por exemplo, o centro da frente da PAC na cabeça para a posição de frontopolar (FP). Esta posição corresponde a 10% do nasion-Ínion distância superior dorsal para a posição de nasion.
    2. Fixe a tampa com uma cinta e assegurar que o participante é confortável.
  3. Medição de Digitalizador 3D
    1. Uma vez que a tampa está em posição, instrua o participante a sentar-se ainda em posição para a obtenção de uma medição de Digitalizador 3D da chave11 posições no couro cabeludo do sistema 10-20 e cada titular de lugar de optode.
    2. Organize o equipamento Digitalizador 3D. Sensor de lugar sobre o participante é cabeça em Cz e aposta segura (ou seja, usando um elástico ou cabelo acessório) e coloque o segundo bloco sensor atrás do participante. Deixe-o participante se sentar em uma cadeira de costas para uma mesa. Coloque o segundo sensor na mesa diretamente atrás da cabeça do participante. Certifique-se de que nenhum sensor de movimento no decurso de obter a medição de Digitalizador 3D.
    3. Abra o software Brainstorm13 no computador de recolha de dados. Certifique-se que o sistema Digitalizador 3D está em comunicação com o software de Brainstorm através da porta COM adequada.
    4. Mova a caneta de Digitalizador 3D para cada local da sonda e do outro lado da chave posições de sistema 10-20 (nasion Ínion, orelha esquerda, orelha direita, Cz). Em cada local, obter dados de posição através da função de Brainstorm sobre o computador de recolha de dados.
  4. Colocação de detectores de luz emitindo optodes no couro cabeludo
    1. Após a coleta os dados de Digitalizador 3D, direcionar o participante a sentar-se confortavelmente em frente ao computador de apresentação do estímulo.
    2. Usando o software de built-in fNIRS, selecione o arranjo de sonda que corresponde à concepção do experimento. sondas de fNIRS podem ser colocadas para cobrir a cabeça inteira (ou seja, total cobertura de cabeça), ou alternativamente, uma matriz pode ser colocada sobre regiões gerais de interesse. Por exemplo, este protocolo utilizado uma matriz de 10 x 3 sonda (30 sondas dispostas em 3 fileiras de 10 sondas cada). Este arranjo de sonda foi colocado para màxima sobreposição de áreas de linguagem do hemisfério esquerdo e seus homólogos do hemisfério direito, bem como o lobo frontal (Figura 2).
    3. Certifique-se que cada sonda (emissor e detector) é numerada e o sistema de numeração corresponde ao mapa de arranjo de sonda.
    4. Usando o mapa de optode na fNIRS software embutido como um guia, coloque cada optode no optode apropriado, abrir a tampa. O optode mapa indica a localização de cada optode na matriz (por exemplo, 10 x 3).
    5. Mova qualquer fio de cabelo fora do caminho para garantir o contato direto entre a ponta da optode e o couro cabeludo do participante.
    6. Depois de todos os optodes estão em posição, verifique a qualidade do sinal usando o built-in software de sistema de fNIRS.
    7. Ajuste de sondas individuais conforme necessário até alcançar a qualidade de sinal suficiente. Uma vez que passaram a controlos de qualidade de sinal dos todos os optodes, prosseguir com tarefas experimentais.

5. experimentais tarefas

  1. Desenha cada tarefa de neuroimagem com o número apropriado de ensaios e condições em consonância com os objetivos da pesquisa. Entendo que as tarefas de neuroimagem irão variar dependendo do objetivo do estudo. Por exemplo, três tarefas foram utilizadas neste protocolo: (1) uma linguagem de processamento e leitura tarefa, (2) uma tarefa de julgamento de rima e (3) uma tarefa de flexibilidade cognitiva.
    Nota: O procedimento e resultados representativos da tarefa de julgamento de rima são destacados.
  2. Coloque os auscultadores de cancelamento de ruído na cabeça do participante, estar atento para não interferir com a colocação de sonda fNIRS. Certifique-se de que os fones de ouvido irão fornecer estímulos auditivos discurso ao participante, bem como bloquear qualquer ruído ambiente.
    Nota: Testes laboratoriais normalmente ocorre em uma sala de som atenuada. Testes de laboratório de campo não oferece o mesmo grau de controle de ruído, e auscultadores com cancelamento de ruído podem garantir condições tranquilas de testes para todos os participantes.
  3. Instrua o participante a enfrentar o monitor do computador e se fixam na cruz no meio da tela e que permanecem ainda durante o experimento. Apresente todas as tarefas experimentais na tela do computador.
  4. Tarefa de julgamento de rima
    1. Instrua o participante a ouvir os pares de palavras apresentados foneticamente através de fones de ouvido. Pergunte ao participante para indicar se a palavra pares rima ou não (por exemplo, 'gato'-'chapéu' ou 'gato'-'log ') com um botão de pressionar no teclado.
    2. Neste exemplo, use um evento relacionados ao projeto. Deixe os participantes completa 12 não-rimando e 12 ensaios rimas separados por distorcidas estímulos inter intervalos de entre 8 e 17 s.
      Nota: As tarefas devem ser criadas de forma adequada para o participante. No estudo referenciado aqui, os investigadores estavam investigando a linguagem, cognitiva e o desenvolvimento da leitura em crianças que foram muito maus leitores. A leitura neuroimagem tarefa desenvolvida com palavras que seria adequadas para uma criança com habilidades de alfabetização mínima. Também, as crianças foram selecionadas para o paradigma de neuroimagem com base em resultados obtidos em uma avaliação de leitura.
  5. Luzes e começar a gravar o participante sobre a built-in câmera de vídeo.
  6. Começar a gravação no computador de comando de fNIRS de dados fNIRS e iniciar as tarefas do computador de apresentação do estímulo.
  7. Monitorar o desempenho do participante ao longo de todas as tarefas. Fornece intervalos entre tarefas e corre.
  8. Certifique-se que acionar a partir do computador de apresentação de estímulos experimentais é recebido pelo computador do comando fNIRS.
  9. No final de todas as tarefas, pare a coleta de dados de vídeo e fNIRS.

6. pós-experimental tarefa medições

  1. Retire a tampa do porta optode cada optode.
  2. Sem interromper a posição da tampa do porta optode na cabeça do participante, direcionar o participante a se sentar em uma posição para obter uma segunda medição Digitalizador 3D.
  3. Repita a medição de Digitalizador 3D como o fNIRS, colocação de couro cabeludo e 4 seção de medição para garantir que quaisquer interrupções para a posição da sonda no couro cabeludo durante o experimento podem ser detectadas, comparando os arquivos de duas posições.
  4. Retire a tampa do porta optode da cabeça do participante.
  5. No final do experimento, proporcionar aos participantes um pequeno presente (por exemplo, livros e material escolar) e os agradecimentos da equipa de investigação para a sua participação.

7. plano para a divulgação de dados

  1. Compartilhe os resultados de pesquisa com membros da Comunidade e as autoridades locais relevantes para a sua eventual tradução em política, abordando o assunto investigado.
    Nota: Os participantes não podem beneficiar diretamente a experiência.
  2. Fazer planos para visitas de acompanhamento para as comunidades participantes. Prepare relatórios e ferramentas que podem usar educadores locais. Por exemplo, todas as avaliações criadas em línguas locais devem ser disponibilizadas aos funcionários de escola na região. Prepare os membros da equipa de investigação que falam a língua local para se reunir com líderes comunitários para comunicar as conclusões do estudo.
  3. Fazer planos para publicar as conclusões do estudo em revistas acadêmicas regionais e na língua da região, se for o caso. Por exemplo, as conclusões do estudo devem ser divulgadas em francês se a pesquisa foi conduzida em países francófonos.
  4. Fazer planos para reunir-se com e entregar relatórios das constatações do estudo para o ramo de governo que concedeu a aprovação para o programa de pesquisa.

8. backup de dados

  1. Garantir que os dados são exportados e backup em vários discos rígidos portáteis, como acesso à internet para armazenamento de dados on-line é improvável que seja disponível. Transferi os dados para armazenamento de dados on-line como suficiente conectividade com a internet está disponível.

9. análise de dados

Nota: Vários pacotes de análise de dados existem para fNIRS14. Estatística paramétrica mapeamento por espectroscopia de infravermelho próximo (NIR-SPM)15 , Homer216 (amplamente utilizada) e o fNIRS de ferramentas 17,18 (nova e ganha popularidade) são utilizados para análise de dados fNIRS. Este protocolo de clientes métodos de análise de dados usando o NIRS-SPM, mas está ao critério do pesquisador ao selecionar o método preferido de análise.

  1. Analise os dados do sistema de fNIRS usando o NIRS-SPM, versão 415,19. Esta caixa de ferramentas para a suíte de neuroimagem SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analisa dados NIRS com uma abordagem de análise do modelo linear geral baseado e permite a criação de mapas de ativação com localização de super-resolução.
  2. Conversão de dados para a HbO e HbR
    1. Use a equação modificada de Beer-Lambert (com NIRS-SPM) para converter valores de densidade óptica em alterações de concentração em resposta HbO e HbR.
  3. Pré-processamento de dados
    1. Use uma das várias opções que existem para pré-processamento de dados fNIRS.
      Nota: Huppert et al 17 propor métodos muito rigorosos para diferentes fontes de ruído16. Estes incluem redução Eigen-baseado de artefatos de movimento, técnicas de filtragem passa-banda e redução de Eigen-baseado de covariância espacial para interferência fisiológica nos dados (por exemplo, respiração, pressão arterial, frequência cardíaca). Eles também compartilham um comentário exaustivo sobre as fontes de ruído em fNIRS pesquisa e implicações para a análise estatística. O pesquisador de fNIRS deve investigar pré-processamento aplicativos que são mais apropriados para um determinado estudo. Abaixo, uma abordagem de análise modelado após Worsely e Friston20 e Jang et al 19 é apresentado.
    2. Decompor-se alterações nas concentrações de HbO e HbR usando um algoritmo de detrending de Wavelet-mínimo Descrição comprimento (MDL), a fim de remover as tendências globais decorrentes de variação de pressão arterial, respiração, vasomotion ou artefatos de movimento participante e para Melhore a relação sinal-ruído de19.
    3. Aplicar um filtro low-pass com a forma da função de resposta hemodinâmica à dados e uso o Worsely e Friston20 precoloring método para remover as correlações temporais.
  4. Geração de modelo e análise estatística
    1. Gere modelos para HbO e HbR contendo experimentais regressores integrados com a função correspondente da resposta hemodinâmica com tempo derivados21.
      Nota: A função de resposta hemodinâmica pode ter maior variabilidade nas regiões corticais superiores e entre os participantes. Estes tipos de variabilidade podem ser acomodados em modelos de análise, expandindo a HRF para incluir derivados temporais. Use um derivado temporal de diferenças de modelo no tempo de resposta hemodinâmica21de pico.
    2. Uso NIRS-SPM para criar os modelos para HbO e HbR com opostos polaridade, para que um modelo significativo ajuste para HbO indica aumento de concentração e de HbR diminuição da concentração de5,18.
    3. Criado experimentalmente relevantes t-teste ou F-testar contrastes para testar o efeito de um (ou vários) regressores (dada a matriz do projeto) na modulação dos dados de série de tempo de fNIRS.
  5. Visualização de resultados
    1. Execute o registro espacial dos canais de NIRS para o espaço de Montreal Neurological Institute (MNI) usando os dados de um digitalizador 3D.
    2. Use fNIRS registrado dados para criar mapas de ativação da HbO, HbR e hemoglobina total (THb) com base no modelo linear geral e2322,fórmula de correção do tubo do sol.
    3. Carrega mapas de ativação para um modelo apropriado do cérebro. Por exemplo, o recente Haskins pediátrica cérebro Atlas fornece um modelo padronizado para crianças entre 6-12 anos de idade24.

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Representative Results

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Dados de posição de sonda obtidos pelo digitalizador 3D (Figura 2) podem ser visualizados em um modelo padrão de cérebro. Registre fNIRS canais para espaço MNI usando registro autônomo função25 do NIRS-SPM. A função de registro espacial gera coordenadas MNI, etiquetas anatômicas e áreas de Brodmann màxima representadas por cada canal.

Figure 2
Figura 2. Coleta de dados. (A) colocação da PAC fNIRS na cabeça do participante e a coleta de dados de posição usando o digitalizador 3D. (B) internacional 10-20 sistema usado para guiar a colocação da PAC na cabeça do participante. (C) localização espacial algoritmo plotagem x, y, dados de coordenadas z no modelo de cérebro de MNI. A imagem gerada durante o registro NIRS stand-alone usando dados de Digitalizador 3D no NIRS-SPM15,19,25. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Dados de posição de sonda também podem ser visualizados sobre modelo de superfície do córtex ou anatômico modelo de MRI usando software de Brainstorm (Figura 3).

Figure 3
Figura 3. sondas de fNIRS. fNIRS sondas visualizaram no (A) a superfície do córtex e (B) o modelo de MRI anatómico MNI. À esquerda, vista dorsal e à direita é apresentada. Imagens geradas usando software de Brainstorm13. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Aqui, dados representativos da tarefa de julgamento de rima são mostrados (Figura 4). Os participantes completaram duas corridas estruturado de forma idêntica desta tarefa. Cada execução continha 13 ensaios; ensaios de rimas e rimas não foram ordenados aleatoriamente.

Figure 4
Figura 4. Projeto de tarefas. O regime de tarefa de julgamento de rima é mostrado. Participantes continuamente visualizaram uma fixação transversal periodicamente escutando francês rimando ou não-rimas pares de palavra. A tarefa foi concluída em duas corridas, cada uma composta de 13 julgamentos. 13 a rimar e 13 ensaios não-rimas aleatoriamente foram apresentados. Cada julgamento durou 3 s; 1 s por palavra com um 1 s ISI. Distorcidas apresentação de períodos de descanso entre os ensaios, que durou 8-17 s. , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os dados de posição 3D e design experimental de dados foram combinados com fNIRS dados de séries temporais (Figura 5) para análise a fim de mapear os padrões relacionados com experiência significativa ativação neural em um modelo de cérebro padrão (Figura 6). Resultados e dados de representante único assunto são mostrados na Figura 5 e Figura 6.

Figure 5
Figura 5. Dados de séries temporais representativos de um canal de fNIRS. (A) dados de séries temporais bruto correspondente ao comprimento de toda tarefa (tarefa de julgamento de rima; primeira execução), que não se normaliza. (B) filtrada dados de séries temporais utilizando wavelets detrending. Ensaios de rimas e rimas não são indicados por caixa-carro sólida e tracejada, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Este assunto mostrou maior ativação do hemisfério esquerdo circunvolução Temporal Superior (STG) durante ensaios em comparação com o resto (fixação de base Cruz) de rimas. Em média HbO e HbR respostas para rimar ensaios mostram uma resposta hemodinâmica canônica: HbO concentrações crescentes e correspondente diminuindo as concentrações de HbR após apresentação do estímulo.

Figure 6
Figura 6. Resultados representativos do único-assunto. (A), maior ativação é observada por rimar julgamentos contra a linha de base (fixação transversal) no hemisfério esquerdo, sobrepondo a parte posterior do giro temporal superior (STG). Imagem gerada durante NIRS resultados etapas usando o NIRS-SPM15,19,25. (B) média relacionados ao evento formas de onda para HbO (vermelho) e HbR (azul) durante ensaios (rimas estímulos par de palavra) de rimas. Imagem gerada usando enredo função média26 de o Xu Cui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Single-assunto resultados diferiram entre os participantes (ver Figura 7). Esta variação individual pode refletir diferenças funcionais subjacentes ou diferenças no desenvolvimento da organização de redes específicas do cérebro. Por exemplo, assunto 1 apresentaram maior ativação na região do giro frontal inferior esquerdo durante rimando contra ensaios das rimas; Considerando que o assunto 2 mostrou maior ativação na região esquerda do STG durante o mesmo contraste experimental (não-rima contra julgamentos de rimas).

Figure 7
Figura 7. Único representante-assunto resulta de dois participantes diferentes para contraste idêntico. Maior ativação para rimar contra rimas de ensaios no hemisfério esquerdo é mostrada no ambos A e b. (A) assunto 1 mostrou maior ativação no giro frontal inferior esquerdo. (B) assunto 2 mostrou maior ativação do giro temporal superior esquerdo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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Este trabalho apresentou um protocolo de neuroimagem de campo apropriado para contextos de poucos recursos em locais remotos. O avanço chave do protocolo de neuroimagem neste campo é a capacidade de pela primeira vez para estudar a função cerebral e seu desenvolvimento em Understudy (ou nunca-antes de que estudou) contextos. Passos críticos neste protocolo incluem viajar com e criação de um laboratório móvel apropriado para coleta de dados de qualidade em climas tropicais, sem eletricidade ou instalações disponíveis. Este protocolo fornece um guia geral para formar parcerias fortes com local, científico, educacional e instituições governamentais, e destacamos a transferência de conhecimento recíproco que ocorre quando parcerias de sucesso a longo prazo são formadas entre cientistas locais e visitantes. Orientações para o desenvolvimento de procedimentos de consentimento culturalmente apropriado e protocolos de testes são discutidas com o objectivo de incorporar múltiplas perspectivas culturais em métodos de pesquisa. Finalmente, este protocolo fornece etapas detalhadas para a coleta de dados de campo e análise de dados.

Noivado de ciências local e oportunidades de capacitação:

Um dos principais desafios que os pesquisadores locais, particularmente juniores, na costa do Marfim enfrentam quando completam seus estudos é a falta de oportunidade para experiência hands-on pesquisa com mentores investigador experiente e/ou internacional colaboradores. Para este efeito, pesquisadores devem envidar todos os esforços para estabelecer a colaboração robusta com pesquisadores locais de origens disciplinares pertinentes e incluir estagiários em todos os níveis (graduação, pós-graduação, pós-doutorado). Estagiários podem aproveitar a visão adquirida desta experiência para trabalhar de forma independente e uma pesquisa mais adicional. Esta experiência também pode ser um trampolim para construir suas capacidades como pesquisadores e desenvolver a sua competitividade a nível internacional em escrever documentos e propostas de pesquisa e aplicação de bolsas. Uma equipe de pesquisa, excluindo os pesquisadores locais pode ter uma chance reduzida de sucesso como pesquisadores locais saberão melhor os valores sociais e culturais locais e sistemas, as línguas locais faladas além do conhecimento geográfico da área. Sua contribuição é, portanto, extremamente importante na compreensão das realidades locais e projetar protocolos culturalmente apropriadas para os projectos de investigação bem sucedida.

Métodos de pesquisa culturalmente apropriadas:

O desenvolvimento de protocolos de consentimento informado para realizar pesquisas em configurações rurais especificamente na costa do Marfim é crítico e falha em adotar a abordagem adequada pode inibir a realização bem sucedida da pesquisa mesmo que bem intencionada e 28,cientificamente robusto27,29,30,31. Geralmente, nas configurações rurais na costa do Marfim, pedir um aldeão para ler o formulário e assiná-lo pode quebrar qualquer confiança construir entre o pesquisador e o participante. Na verdade, a formalidade percebida deste procedimento pode criar uma distância psicológica e um sentimento de insegurança na mente do participante. Isso pode resultar em uma falta de vontade clara ou inexpressivo para colaborar. Esta atitude pode ser explicada por muitos fatores, incluindo uma longa história de tradição oral, segundo a qual a comunicação é mais oral que escrita e altas taxas de analfabetismo que podem ser encontrados em comunidades-alvo. Comunidades em configurações rurais confiar sua chefe e dependem de seu poder de decisão. Portanto, o protocolo apresentado incorpora o consentimento do chefe da aldeia, a nível comunitário. Este é sem dúvida culturalmente mais importante do que o consentimento individual. Além disso, os participantes e membros da Comunidade podem ter tido pouca ou nenhuma exposição a tecnologia de neuroimagem ou computadores. Portanto, os pesquisadores precisam levar em consideração que o procedimento de consentimento informado e as instruções, podem ser mal interpretadas. A função do sistema de fNIRS deve ser comunicada em termos leigos e linguagem apropriada e facilmente compreensível por criança participantes e membros da Comunidade que podem ter tido muito limitada exposição à tecnologia. Essas considerações podem influenciar fortemente o conforto e a confiança de todos os membros da Comunidade envolvidos em um projeto de pesquisa de neuroimagem de campo.

O protocolo apresentado aqui também destacou a importância da partilha de resultados de pesquisas com membros da Comunidade e parceiros do governo. Parcerias construíram no diálogo contínuo auxílio na eventual tradução dos resultados da investigação em política. É imperativo para organizar o post, visitas de campo de coleta de dados para divulgar resultados de pesquisas e entregar relatórios e, possivelmente, compartilhar todas as ferramentas que resultou do estudo (por exemplo, as avaliações em línguas locais). Comunidades participantes nas configurações rurais nunca, caso contrário poderá receber informações sobre a conclusão do estudo e as conclusões, dadas a falta de serviço de internet e/ou computadores. Da mesma forma, pesquisadores do país podem ter acesso limitado a assinaturas de revista acadêmica e pobre conectividade de internet nas universidades regionais. Resultados publicados devem ser compartilhados em um Fórum regional e disponibilizados em uma linguagem acessível.

Limitações e desafios potenciais:

Este protocolo de neuroimagem de campo deve ser modificado para atender os pontos de coleta de dados planejada. O protocolo aqui apresentado foi desenvolvido para pesquisa com escola primária entre crianças na rural Costa do Marfim. No entanto, os métodos indicados aqui podem não ser adequados, especificamente com relação a procedimentos de consentimento informado, em outros países ou até mesmo outras regiões da costa do Marfim. Pesquisadores que pretendem realizar campo neuroimagem devem primeiro cuidadosamente Pesquisar os costumes locais e incorporadas perspectivas locais em estudo design. Portanto, uma equipe de pesquisadores trabalhando em projetos de estudo deve incluir membros de grupos culturais locais.

Campo de neuroimagem tem limitações em comparação com métodos laboratoriais. Importante, controle do ambiente teste é consideravelmente reduzida no campo. Pesquisadores de neuroimagem de campo devem planejar viagens de coleta de dados estendidos. Chuvas tropicais, ataca o risco de contrair doenças tropicais, civis e agitação política pode significativamente afetar planos de pesquisa. Pesquisadores precisam de garantir níveis de segurança na região são suficientes e monitorar as atualizações para quaisquer situações que possam afectar os níveis de segurança. Comunicação contínua entre os membros da equipe, especificamente no que diz respeito a níveis de segurança, pode atenuar os riscos potenciais.

As aplicações futuras e relevância aos métodos existentes:

O uso desse método de neuroimagem de campo pode ser aplicado para avaliar o impacto de risco precoce no desenvolvimento infantil e criança nas configurações globais de saúde. Os pesquisadores começaram a usar essa abordagem para estudar o desenvolvimento da criança em Gâmbia rural e uma favela urbana em Bangladesh32. Em uma favela urbana em Dhaka, os investigadores estão usando fNIRS para examinar como fatores como nutrição e saneamento contribuem para o crescimento e desenvolvimento de cérebro33. Em Gambia rural, os investigadores tem usado o fNIRS para estudar a função cognitiva de crianças e têm demonstrado que fNIRS é uma ferramenta de imagem viável em configurações de poucos recursos34,35. Esse trabalho promete revelar novos insights sobre o desenvolvimento das crianças nos países em desenvolvimento, que são desproporcionalmente afetados pela desnutrição e falta de saneamento. Tecnologias de neuroimagem portáteis continuam a se tornar mais acessível e aplicável para pesquisa em ambientes de poucos recursos, assim, destacando a necessidade de métodos rigorosos para neuroimagem de campo.

Conclusão:

Sistemas portáteis de neuroimagem com a capacidade de função na bateria fornecido pelo poder recentemente tornaram-se disponíveis. Como essas técnicas são relativamente novas, avanços para sistemas de bateria irão fornecer melhorias contínuas. Diversas comunidades de cientistas internacionais, desenvolvendo programas de pesquisa, usando estas ferramentas, sem dúvida, irão otimizar configurações de laboratório móvel para fornecer maior controle do ambiente teste. Envolvimento significativo entre cientistas internacionais e locais e as comunidades locais pode garantir que os membros das populações de estudo tem papel ativo no desenvolvimento de programas de pesquisa e representam os interesses de suas comunidades. Só essas equipes de pesquisa colaborativa e integrada seria bem posicionado para aplicar métodos de neuroimagem de campo para estudar todo desenvolvimento do cérebro humano e revelar os dois teoricamente e praticamente-informações relevantes visa compreender a maioria questões de desenvolvimento da criança urgente.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Esta pesquisa foi feita possível através da Jacobs Foundation Fellowship de carreira precoce de K. Jasinska (número de comunhão: 2015 118455). Os autores também desejam reconhecer Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga e Yvette Foto pela sua ajuda na coleta de dados e suporte de campo. Um agradecimento especial a famílias e filhos de Moapé, Ananguié, Affery e Becouefin para a sua participação neste programa de pesquisa e calorosa hospitalidade dos vilarejos.

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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Métodos de neuro-imagem campo usando funcional perto de neuroimagem de espectroscopia de infravermelho (NIR) para estudar o Desenvolvimento Global da criança: Rural África subsahariana
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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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