Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Neuroimaging feltet metoder å bruke funksjonell nær infrarødspektroskopi (NIRS) Neuroimaging å studere globale barns utvikling: landlige Sahara

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/57165

Summary

Bærbar neuroimaging tilnærminger (funksjonell nær infrarødspektroskopi) gi fremskritt å studere hjernen i tidligere utilgjengelige områder; her, landlige Elfenbenskysten. Innovasjon i metoder og utvikling av kulturelt-passende neuroimaging protokoller tillater romanen studie av hjernens utvikling og barnas læringsmål i miljøer med betydelig fattigdom og motgang.

Abstract

Bærbar neuroimaging tilnærminger gir nye fremskritt å studere hjernefunksjon og hjernens utvikling med tidligere utilgjengelige bestander og eksternt. Dette papiret viser utviklingen av feltet, funksjonell imaging nær infrarødspektroskopi (fNIRS) til studiet av barn språk, lese og kognitiv utvikling i landsby innstillingen Elfenbenskysten. Innovasjon i metoder og utvikling av kulturelt tilpasset neuroimaging protokoller tillater første gang se i hjernens utvikling og barnas læringsmål i lite studert miljøer. Dette dokumentet demonstrerer protokoller for transport og sette opp et mobil laboratorium, diskuterer hensyn for feltet versus laboratorium neuroimaging, og presenterer en guide for å utvikle neuroimaging samtykke prosedyrer og bygge meningsfylt langsiktige samarbeid med lokale regjeringen og partnere. Bærbar neuroimaging metoder kan brukes til å studere komplekse barn utvikling sammenhenger, inkludert virkningen av betydelig fattigdom og motgang på hjernens utvikling. Protokollen presenteres her er utviklet for bruk i Elfenbenskysten, verdens viktigste kilde til kakao, og der rapporter om barnet arbeid i kakao sektor er vanlig. Likevel, er lite kjent om virkningen av barnearbeid på hjernens utvikling og læring. Feltet neuroimaging metoder har potensial til å gi ny innsikt i slike presserende spørsmål og utviklingen av barn globalt.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Bærbar fNIRS imaging gir mulighet til å studere hjernefunksjon og utvikling utenfor laboratoriet, tidligere utilgjengelige innstillinger eller med lite studert populasjoner. Mye av kunnskap i domenet av kognitiv nevrovitenskap kommer fra imaging studier i universitet eller sykehuset laboratoriet innstillingene i overveiende land. Ved design, dette bidrar til en sjelden-talt-av problemet i forskning: mye av det som er kjent om hjernen er basert på studier med deltakere som laboratorium for (mest) vestlige land er tilgjengelig. Det er involverer mest neuroimaging forskning deltakere som bor i rimelig nærhet til en neuroimaging laboratoriet og har både tid og ressurser å delta i en studie. Som en disiplin, kognitiv nevrovitenskap mål å forstå hjernen og faktorene som forme utviklingen-inkludert de kraftig effektene på barnets miljø og deres tidlig i livet erfaringer1,2,3. Metoder som videre feltet kapasitet til å studere utviklingen i et fyldigere spekter av menneskelig erfaring kan dramatisk fremme forståelse av komplekse forholdet mellom hjernens utvikling og livserfaringer som former den.

Dette dokumentet presenterer en protokoll for feltet neuroimaging, som ble utviklet for bruk i landlige sub-Sahara Afrika, spesielt Sør Elfenbenskysten. Målet med dette feltet neuroimaging forskningsprogrammet var å forstå barns lesing utvikling i et miljø med en høy-risiko med analfabetisme. Elfenbenskystens ungdom (15-24 år) lesekyndigheten er 53%, til tross for 93% skole innmelding priser4. Elfenbenskysten er verdens viktigste kilde til kakao, og det er rundt 1,3 millioner barn arbeidere i kakao landbrukssektoren5. Likevel, er lite kjent om virkningen av barnearbeid på hjernens utvikling og læring, spesielt lære å lese. Bruke de nyeste verktøyene av kognitiv nevrovitenskap, dvs. bærbar neuroimaging metoder, kan gi verdifull innsikt i barnas læringsmål. For eksempel kan feltet neuroimaging med fNIRS identifikasjon av neurodevelopmental perioder som målrettet utdanningsprogrammer eller intervensjoner kan ha maksimalt virkninger på barnas læringsmål.

fNIRS neuroimaging er velegnet for feltarbeid. I likhet med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler hjernens hemodynamic svar6. FNIRS bruker imidlertid en rekke lys emitting optodes og lys detektorer i stedet for å generere elektromagnetiske felt. Det er ingen restriksjoner på metall i eller nær testing, og ingen elektrisk skjerming er nødvendig som for Elektroencefalogram (EEG). En viktig fordel med fNIRS er dens portabilitet (dvs. noen systemer kan passe i en koffert) og brukervennlighet. fNIRS er også enkel å bruke med barn; barnet sitter komfortabelt i en stol under eksperimentet og fNIRS systemet tåler bevegelse godt forhold til fMRI. Sammenlignet med fMRI, fNIRS tilbyr også eget tiltak for deoxygenated (HbR) og oksygenrikt hemoglobin (HbO) under opptak sammenlignet fMRI som gir et kombinert blod oksygen nivå tetthet (fet) mål. fNIRS har overlegen midlertidig løsning til fMRI: samplingsfrekvens kan variere mellom ~ 7-15 Hz. fNIRS har god romlig oppløsning: fNIRS' dybdeskarphet opptak i menneskelig cortex er mindre enn fMRI, måler ca 3-4 cm i dybden, som er velegnet for å studere kortikale funksjoner, spesielt med spedbarn og barn som har tynnere hodeskaller enn voksne,3,,7,,8,,9,,10.

Denne feltet neuroimaging protokollen skisserer hensyn for reiser med og sette opp en bærbar neuroimaging laboratoriet i lav-ressurs sammenhenger. Protokollen fremhever også vesentlig vesen meningsfull, langsiktig samarbeid med lokale vitenskap partnere og måter som denne tilnærmingen serverer å bygge lokale vitenskap kapasitet. Neuroimaging protokollen for innsamling og analyse av fNIRS hjernen data fra et batteri av språk, lese og kognitive oppgaver, er demonstrert inkludert anbefalinger for å lage kulturelt tilpasset informert samtykke prosedyrer for imaging forskning. Mens denne protokollen er utformet for kognitiv utviklingsforskning med skolen alderen barn i landlige Elfenbenskysten, protokollen er svært relevant for alle felt neuroimaging studier i utfordrende, lav-ressurs miljøer, og kan tilpasses for romanen sammenhenger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Alle metodene som er beskrevet her er godkjent av institusjonelle Review Board (IRB) av University of Delaware.

1. mobile laboratorium Transport og installasjon

  1. Reiser med fNIRS utstyr
    1. Transport fNIRS utstyr.
      Merk: fNIRS utstyr kan transporteres som sjekket bagasje på en større internasjonale flyselskap, men det er viktig å bekrefte med gitt flyselskapet. Utstyr restriksjoner kan variere etter opprinnelse eller destinasjon land. Eventuelt kan fNIRS utstyr leveres.
    2. Vet prosedyrer for import eller reise med fNIRS utstyr for destinasjonslandet, og eventuelt få riktig import godkjenning dokumentasjon.
    3. Forberede inspeksjoner.
      Merk: Myndighetene (f.eks Transportation Security Administration) forbeholder seg retten til å inspisere sjekket bagasje. Skjøre fNIRS fiberoptikk kan være skadet under inspeksjoner. Sørge for nødvendig dokumentasjon med alt utstyr.
  2. Viktig laboratorieutstyr innen
    1. Forberede klima i feltet.
      Merk: Temperatur og fuktighet forholdene i feltet kan variere betydelig fra laboratoriet innstillingen og kan påvirke utstyr funksjon og lang levetid, så vel som deltaker komfort under eksperimentering. Elektronikk i høy luftfuktighet, vanligvis er rundt 60%, mer utsatt for korrosjon høy fuktighet kan bosette seg på deler og reagere med metall komponenter. Luftfuktighet i en innendørs lab (f.eks inne en universitetsbygningen) er vanligvis mellom 30-50%. Fuktigheten i sørlige Elfenbenskysten kan være 80-95%. Definere en portable klimaanlegg med lav wattage krav.
    2. Sikre tilstrekkelig strømforsyning. Siden strømforsyning ikke kan være tilgjengelig i landlige omgivelser, eller fungerer bare midlertidig eller med utilstrekkelig effekten, bruke bærbar solar generatorer å slå små til middels store elektronikk. Gjøre tilgjengelig en diesel generator som strøm. Ansette en lokal installatør som kjenner strømforsyning utfordringer i landlige sammenhenger.
    3. Forberede en egnet laboratorium struktur med minimal oppstillingstiden som en stor tilpasset telt med ugjennomsiktig og vanntett tak og vegger.
      Merk: Anlegg (f.eks klasserommet på lokale skolen) er usannsynlig å være tilgjengelig, eller gi vanntett og rolig testing plass.
  3. Definere bærbare laboratoriet (figur 1)
    1. Samle mobile laboratoriet (f.eks tilpasset telt). Sikre at laboratoriet er stor nok til sitteplasser for deltakeren på et skrivebord, sitteplasser for to forskere, stimulans presentasjon datamaskin, fNIRS data samling datamaskin, fNIRS bærbar enhet, tredimensjonale (3D) digitaliserer og bærbar klimaanlegget.

Figure 1
Figur 1. Skjematisk. (A) skjematisk av laboratorium setup. (B) forbereder deltakerne for datainnsamling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. lokale forskergrupper og vitenskap partnere

  1. Investere i dannelsen av vitenskapelig samarbeid og gir muligheter innen forskning rammen til lokale forskere.
  2. Etablere samarbeid med lokale vitenskapelige institusjoner for å inclusivity. Økende anerkjennelse fra kolleger på lokalt nivå er viktig å kommunisere eventuell forskning å finne i regionen.
  3. Se relevante lokale myndigheter før noen forskning aktiviteter for godkjenning og lisens til å operere. Bli kjent med etiske gjennomgå prosedyrer i målet landet, og gjøre aktuelle Overnattingssteder hvis ingen formell vitenskapelig vurdering prosedyre er på plass.
    Merk: For eksempel direkte kommunikasjon med og godkjenning fra representanter i departementet for høyere utdanning og forskning (eller sammenlignbare regjering kroppen) kan gjøres i stedet for en etisk sikkerhet prosedyre.

3. samtykke og samtykke for barn

  1. Utvikle en samtykke prosedyre som er kulturelt tilpasset og sikrer at deltakerne, deres familier og lokalsamfunn er informert om forskning og deres beslutning om å delta i studien.
  2. Gjennom lokale skikker og historie i typisk protokollutvikling og er medlemmer av gruppen som forskning må gjennomføres.
    1. Sørg for å få et klart samtykke fra lokale leader(s) (f.eks landsbyen sjef, community eldste, etc.) før du fortsetter med forskning.
      Merk: Dette kan uttrykkes ved en nedarvet velsignelse eller på annen måte typisk til samfunnet. Etter samtykke fra landsbyen sjef, kan kulturelle skikker inkludere strømme til vin på jorden og spørre forfedrene godkjenne og velsigne forskningen aktivitetene.
  3. På et mer formelt nivå, søke samtykke fra foreldre og pedagog grupper som er ansvarlig for å gjøre vedtak om barnas deltakelse i godkjent skoleaktiviteter. For eksempel gruppen foreldre-lærer ("Comité de Gestion d'Ecoles - COGES" i Elfenbenskysten) er en nøkkel aksjonærkontakt i nasjonale primære utdanningssystemet bestående av medlemmer oppnevnt av elevs foreldre å forsvare sine interesser i beslutningsprosesser og alle andre aspekter knyttet til utdanning av sine barn.
  4. Godkjenn alle forskningsaktiviteter ved lokale myndigheter, for eksempel ivoriansk departementet for utdanning eller departementet for høyere utdanning og forskning. Landet som prosjektet vil ta plass i har ikke en formell prosedyre for etisk godkjenning via en IRB. Sjekk reglene for å sikre at riktig protokoller for å få etiske godkjenning for forskning følges.
    Merk: Ved å få godkjenning, Elfenbenskysten ikke har en formell IRB vurderingsprosessen. I stedet for dette fortsatte forskningen lag ved å forberede dokumentasjon som et IRB-program for å sende til departementet for utdanning. Flere møter ble arrangert med departementet for utdanning, departementet for høyere utdanning, og forskning tjenestemenn der forskerteamet presentert foreslåtte forskningen skal alle tjenestemenn, etterfulgt av Gruppediskusjon og spørsmål og svar-økter. Etiske godkjenning er hentet direkte fra utdanningsdepartementet i form av et signert dokument gi fullmakt til å forske med barn på bestemte skoler. Denne studien fikk etiske godkjenning fra University of Delaware IRB.
  5. Forklar forskning formålet i enkle ord deltakende barn i en underordnet samtykkeprosedyren. Lokalsamfunnet kan svært verdi barnets lydighet, som tilfellet barn kan samtykke delta eller fortsette deltar i en studie til tross for deres vilje på grunn av kulturelle forventninger. Kontroller at at samtykkeprosedyren nøye kommuniserer frivillig deltakelse i forskning.
  6. Klart definere hvordan forskning vil gagne deltakerne og hvis de får kompensasjon for deres deltakelse i forskning. Kontroller kompensasjon er passende både kulturelt og for deltakerne.
  7. Gjennomføre alle samtykke og samtykke prosedyrer i lokale eller foretrukket språk for deltakeren utdannet medlem av forskerteamet som er også medlem av språket og kulturell gruppe.

4. fNIRS hodebunnen plassering og måling

  1. Samle hodet målinger
    1. Direkte deltakeren sitte på en stol og forklare prosessen å forvente under hodet måling.
    2. Bruke et standard målebånd, mål avstanden mellom: (1) nasion og inion rundt hodet, (2) nasion og inion over toppen av hodet gjennom midtlinjen sentrale (Cz)11, og (3) avstand mellom venstre og høyre øre tragus over toppen av hodet gjennom Cz.
  2. Plasseringen av fNIRS cap og optodes på deltakerens hodet 3 , 8 , 9 , 12
    1. Plass fNIRS optode holder lokket på deltakerens hodet, justere hetten internasjonale 10-20 systemet for hodebunnen steder11. Kontroller at cap er identiske for alle deltakere. Justere punkter på cap (f.eks sonde holderen) med hodebunnen posisjoner.
      Merk: senter For eksempel forsiden av dekselet på hodet til frontopolar (FP) posisjon. Denne posisjonen svarer til 10% av nasion-inion over toppen avstand dorsal nasion posisjon.
    2. Sikre lokket med en stropp og sikre deltakeren er komfortabel.
  3. 3D digitaliseringsenhet måling
    1. Når hetten er i posisjon, instruere deltakeren sitte fortsatt i posisjon for å få en 3D digitaliseringsenhet måling av nøkkelen 10-20 systemet hodebunnen posisjoner11 og hver plassholder for optode.
    2. Ordne 3D digitaliseringsenhet utstyret. Sted en sensor på deltakeren er hodet på Cz og festet ordentlig (dvs. bruke elastisk eller hår tilbehør), og plasser den andre blokk sensoren bak deltakeren. La deltakeren sitte i en stol med ryggen til en tabell. Plass andre sensoren på tabellen direkte bak deltakerens hodet. Sikre at verken sensor flytte i løpet av få 3D digitaliseringsenhet målingen.
    3. Åpne Brainstorm programvare13 på data samling datamaskinen. Kontroller at 3D digitaliseringsenhet systemet er i kommunikasjon med Brainstorm programvaren gjennom riktig COM-porten.
    4. Flytt 3D digitaliseringsenhet posisjonspekeren til hver probe plassering og over nøkkelen 10-20 system stillinger (nasion, inion, venstre øre, høyre øret, Cz). På hvert sted, få posisjonsdata gjennom funksjonen Brainstorm på data samling datamaskinen.
  4. Plassere lys utslipp optodes og detektorer i hodebunnen
    1. Etter 3D digitaliseringsenhet dataene samles, direkte deltakeren å sitte komfortabelt foran stimulans presentasjon datamaskinen.
    2. Bruker fNIRS innebygde programvaren, Velg sonde ordningen som tilsvarer eksperimentet. fNIRS sonder kan plasseres for å dekke hele hodet (dvs. full hodet dekning), eller eventuelt en matrise kan plasseres over generelle regioner av interesse. Denne protokollen brukes for eksempel, en 10 x 3 sonde matrise (30 sonder ordnet i 3 rader med 10 sonder hver). Sonden ordningen ble plassert å maksimalt overlegg venstre halvkule språk områder og deres høyre hjernehalvdelen homologer, samt frontallappen (figur 2).
    3. Kontroller at hver probe (emitter og detektor) er nummerert og nummereringssystemet tilsvarer sonde ordningen kartet.
    4. Bruke optode kartet i fNIRS innebygd programvare som en guide, sett hver optode i den aktuelle optode åpning på hetten. Optode kartet angir plassering av hver optode i matrisen (f.eks 10 x 3).
    5. Flytte noen hår ut av veien for å sikre direkte kontakt mellom spissen av optode og deltakerens hodebunnen.
    6. Når alle optodes er i posisjon, sjekk for signalkvalitet bruker innebygde systemprogramvaren fNIRS.
    7. Justere individuelle sonder etter behov til tilstrekkelig signalkvaliteten er oppnådd. Når alle optodes' signal kvalitetskontroller har passert, Fortsett med eksperimentelle aktiviteter.

5. eksperimentelle aktiviteter

  1. Utforme hver neuroimaging aktivitet med riktig antall forsøk og forhold i tråd med forskning målene. Forstå at neuroimaging aktivitetene varierer forskning målene. For eksempel tre oppgaver ble brukt i denne protokollen: (1) et språk behandling og lesing oppgave, (2) en rim Dom aktivitet og (3) en kognitiv fleksibilitet aktivitet.
    Merk: Prosedyre (og representant resultater) av rim dom aktiviteten er uthevet.
  2. Plass støydempende hodetelefoner på deltakerens hodet, å være oppmerksomme ikke å forstyrre fNIRS probeplassering. Kontroller at hodetelefonene vil levere hørbar tale stimuli til deltakeren, så vel som blokkerer ambient støy.
    Merk: Laboratorietester vanligvis foregår i et lyden dempes rom. Feltet laboratorietester gir ikke samme grad av støyreduksjon og bråk-avlyser hodetelefonene kan sikre rolig testing forhold for alle deltakere.
  3. Instruere deltakeren møte dataskjermen og fixate på korset i midten av skjermen, og forbli fortsatt under eksperimentet. Presentere alle eksperimentelle aktiviteter på en dataskjerm.
  4. Rim Dom aktivitet
    1. Instruere deltakeren å lytte til ordet parene presentert planen via hodetelefoner. Be deltakerne til å angi om ordpar rimer eller ikke (f.eks "katt"-"hatten" eller "katt"-"Logg") med en knapp trykk på tastaturet.
    2. I dette eksemplet bruker en hendelse relatert design. La deltakerne komplett 12 parkering Regle og 12 rime forsøk med hørtes ikke like bra mellom stimulans intervaller på mellom 8 og 17.
      Merk: Oppgaver opprettes på en måte som er egnet for deltakeren. I studien refereres til her, var forskere undersøker språk, kognitive, og lese utvikling hos barn som var svært dårlig lesere. Lesing neuroimaging oppgave utviklet med ord som er egnet for et barn med minimal literacy ferdigheter. I tillegg ble barn valgt for neuroimaging paradigme basert på resultater oppnådd på en lese vurdering.
  5. Svak lys og registrere deltakeren på innebygd videokamera.
  6. Begynn fNIRS dataregistrering på fNIRS kommandoen datamaskinen, og starte oppgaver på stimulans presentasjon datamaskinen.
  7. Overvåke deltaker ytelsen gjennom alle aktiviteter. Gi pauser mellom aktiviteter og kjører.
  8. Sikre at utløser fra experimental stimuli presentasjon datamaskinen mottas av fNIRS kommandoen datamaskinen.
  9. På slutten av alle oppgaver, stoppe datainnsamlingen med video og fNIRS.

6. etter eksperimentelle aktivitet målinger

  1. Fjern hver optode fra optode holder lokket.
  2. Uten å forstyrre plasseringen av optode holder lokket på deltakerens hodet, direkte deltakeren å sitte i en posisjon til å få en andre 3D digitaliseringsenhet måling.
  3. Gjenta 3D digitaliseringsenhet målingen som fNIRS hodebunnen plassering og måling del 4 slik at eventuelle avbrudd i hodebunnen sonde posisjon under eksperimentet kan oppdages ved å sammenligne de to posisjon-filene.
  4. Fjern optode holder lokket fra deltakerens hodet.
  5. På slutten av eksperimentet, gi deltakerne en liten gave (f.eks bøker og school forbruksartikler) og anerkjennelse av forskerteamet for deltakelsen.

7. plan for spredning av Data

  1. Dele forskningen med medlemmer og relevante lokale myndigheter for deres endelige oversettelse til politikk på undersøkt problemet.
    Merk: Deltakere kan ikke fordel direkte fra eksperimentet.
  2. Legge planer for oppfølging besøk til de deltakende samfunnene. Forberede rapporter og verktøy for lokale lærere kan bruke. For eksempel bør noen vurderinger opprettes på lokale språk gjøres tilgjengelig for skolen tjenestemenn i regionen. Forberede medlemmene av forskerteamet som snakker det lokale språket å møte samfunnsledere kommunisere studere resultatene.
  3. Lage planer for å publisere studie funn i regionale akademiske tidsskrifter og språket for regionen, hvis aktuelt. For eksempel bør studere funnene spres på fransk hvis forskningen ble utført i fransktalende land.
  4. Lage planer for å møte og levere rapporter om studien funnene til regjeringen grenen som gitt godkjenning for research program.

8. backup av Data

  1. Kontroller at dataene er eksportert og sikkerhetskopiert til flere bærbare harddisker, som Internett-tilgang for online datalagring er usannsynlig å være tilgjengelig. Overføre data til online datalagring som tilstrekkelig Internett-tilkobling er tilgjengelig.

9. dataanalyse

Merk: Flere data analyse pakker finnes for fNIRS14. Statistisk parametrisk kartlegging for nær infrarød spektroskopi (NIRS-SPM)15 , Homer216 (brukte) og fNIRS verktøykassen 17,18 (nye og få popularitet) brukes for fNIRS dataanalyse. Denne protokollen av dataanalyse metoder med NIRS-SPM, men det er til skjønn forskeren å velge foretrukket metode for analyse.

  1. Analysere data fra fNIRS systemet benytter NIRS-SPM, versjon 415,19. Denne verktøykassen for neuroimaging suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analyserer NIRS data med en generell lineær modell basert analyse tilnærming og lar deg lage aktivisering kart med super-oppløsning lokalisering.
  2. Datakonvertering HbO og HbR
    1. Bruk endrede Beer-Lambert ligningen (med NIRS-SPM) konvertere optisk densitet konsentrasjon endringer HbO og HbR svar.
  3. Data forbehandling
    1. Bruk ett av flere alternativer som finnes for forbehandling fNIRS data.
      Merk: Huppert et al. 17 foreslår veldig strenge metoder for forskjellige kilder til støy16. Disse inkluderer eigenvector-baserte reduksjon av bevegelse, Båndpassdesign filtreringsteknikkene og eigenvector-baserte reduksjon av romlige kovariansen for fysiologiske forstyrrelser i data (f.eks åndedrett, blodtrykk, puls). De deler også en grundig Kommenter kildene til støy i fNIRS forskning og implikasjoner for statistisk analyse. FNIRS forskeren må undersøke forbehandling programmer som er mest hensiktsmessig for en gitt studie. Nedenfor en analyse tilnærming modellert etter Worsely og Friston20 og Jang et al. 19 presenteres.
    2. Dele opp endringer i HbO og HbR konsentrasjoner benytter en Wavelet-Minimum beskrivelse lengde (MDL) detrending algoritmen for å fjerne globale trender som resulterer fra puste, blodtrykk variasjon, vasomotion eller deltaker bevegelse gjenstander og forbedre signal-til-støy forholdet19.
    3. Bruke en low pass-filteret med formen på funksjonen hemodynamic svar til data og bruk av Worsely og Friston20 precoloring metoden å fjerne timelige sammenhenger.
  4. Modell generasjon og statistisk analyse
    1. Generere modeller for HbO og HbR inneholder eksperimentell regressors convolved med tilsvarende hemodynamic svar funksjon med tid derivater21.
      Merk: Funksjonen hemodynamic svar kan ha større variasjon i høyere kortikale områder og deltakere. Slike variasjoner kan innkvarteres i analyse modeller ved å utvide HRF å inkludere timelige derivater. Bruk en timelig avledede å modell forskjeller i tiden toppen hemodynamic svar21.
    2. Bruk NIRS-SPM opprette modeller for HbO og HbR med motstridende polaritet slik at en betydelig modell passer for HbO indikerer økt konsentrasjon og HbR redusert konsentrasjon5,18.
    3. Definere eksperimentelt relevante t-test eller F-test kontraster å teste effekten av en (eller flere) regressors (gitt design matrix) på modulering av fNIRS tid seriedata.
  5. Visualisere resultatene
    1. Utføre romlige registrering av NIRS kanaler til Montreal nevrologiske Institute (MNI) plass ved hjelp av data fra en 3D digitaliseringsenhet.
    2. Bruke registrerte fNIRS data for å lage aktivisering kart av HbO, HbR og totale hemoglobin (THb) basert på generell lineær modell og sola tube formel korreksjon22,23.
    3. Laste aktivisering kart på en passende hjernen mal. For eksempel gir siste Haskins Pediatric hjernen Atlas en standardisert mal for barn mellom 6-12 år alder24.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Sonden posisjonsdata ved 3D digitaliseringsenhet (figur 2) kan visualiseres på en standard hjernen mal. Registrer fNIRS kanaler MNI plass bruker NIRS-SPM frittstående registrering funksjonen25. Romlig registreringsfunksjon genererer MNI koordinater, anatomisk etiketter og Brodmann områder maksimalt representert av hver kanal.

Figure 2
Figur 2. Datainnsamling. (A) plassering av fNIRS dekselet på deltakerens hodet og samling av posisjonsdata bruker 3D digitaliseringsenhet. (B) International 10-20 systemet brukes for å lede plassering av hetten på deltakerens hodet. (C) romlige lokalisering algoritmen inntegningsrekkefølgen x, y, z koordinatene på malen MNI hjernen. Bildet generert under frittstående NIRS registrering ved hjelp av 3D digitaliseringsenhet data i NIRS-SPM15,19,25. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Sonden posisjonsdata kan også bli visualisert over cortex overflaten mal eller anatomiske MRI mal ved hjelp av Brainstorm programvare (Figur 3).

Figure 3
Figur 3. fNIRS sonder. fNIRS sonder visualisert på (A) overflaten av bark og (B) MNI anatomiske MRI malen. Igjen, presenteres rygg og høyre. Bilder genereres ved hjelp av Brainstorm programvare13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Her, vises representant data fra RIM dom aktiviteten (Figur 4). Deltakere gjennomført to identisk strukturerte kjører for denne aktiviteten. Hver kjøre finnes 13 forsøk; rime og parkering Regle forsøk bestilt tilfeldig.

Figure 4
Figur 4. Oppgave design. Rim Dom aktivitet ordningen vises. Deltakerne kontinuerlig vises en fiksering cross mens regelmessig lytte til franske rime eller parkering Regle ordpar. Aktiviteten ble fullført i to kjører, alle består av 13 prøvelser. 13 rime og 13 parkering Regle forsøk ble tilfeldig presentert. Hver prøveversjon varte 3 s; 1 s per ord med 1 s ISI. Hørtes ikke like bra presentasjon av hvileperioder mellom forsøk, som varte 8-17 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Den 3D posisjonsdata og eksperimentell design data ble kombinert med fNIRS tidsserier data (figur 5) for analyse for å tilordne eksperiment-relaterte betydelig nevrale aktivisering mønstre på en standard hjernen mal (figur 6). Representant enkelt emne data og resultater er vist i figur 5 og figur 6.

Figure 5
Figur 5. Representant tidsserier data fNIRS kanal. (A) tidsserier rådata tilsvarer hele aktiviteten lengde (rim Dom aktivitet, første løpe), ikke normalisert. (B) filtrert tidsserier data ved hjelp av wavelet detrending. Rime og parkering Regle forsøk angis av solid og stiplede boksen bilen, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Dette emnet viste større aktivisering i venstre halvkule Superior timelige Gyrus (STG) under rime studier sammenlignet med resten (planlagte fiksering cross). Gjennomsnitt HbO og HbR svar for rime studier viser kanoniske hemodynamic svar: økende HbO konsentrasjoner og tilsvarende redusere HbR konsentrasjoner følgende stimulus presentasjon.

Figure 6
Figur 6. Representant single-emne resultater. (A) større aktivisering er observert i rime forsøk versus planlagte (fiksering cross) i den venstre halvkulen, legge den bakre delen av den overlegne timelige gyrus (STG). Bildet generert under NIRS resultater skritt benytter NIRS-SPM15,19,25. (B) gjennomsnitt hendelse-relaterte bølgeformer for HbO (rød) og HbR (blå) under rime forsøk (rime ord par stimuli). Bildet generert ved hjelp av Xu Cui tomten gjennomsnitt-funksjonen26. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Single-emne resultatene avvek mellom deltakere (se figur 7). Denne personlige varianten kan gjenspeile underliggende funksjonelle forskjeller eller utviklingsmessige forskjeller i organiseringen av spesifikke hjernens nettverk. For eksempel emne 1 viste større aktivering i regionen venstre dårligere frontal gyrus under parkering Regle versus rime forsøk; mens emne 2 viste større aktivisering i venstre STG regionen under samme eksperimentelle kontrasten (parkering Regle versus rime forsøk).

Figure 7
Figur 7. Representant single-emne resultatene fra to ulike deltakerne identiske kontrast. Større aktivisering for parkering Regle versus rime studier i venstre halvkule vises i både A og B. (A) emne 1 viste større aktivisering i den venstre dårligere frontal gyrus. (B) emne 2 viste større aktivisering det venstre overlegen timelige gyrus. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Dette papiret presentert en feltet neuroimaging protokoll egnet for lav-ressurs sammenhenger eksternt. Nøkkel forkant av dette feltet neuroimaging protokollen er første gang evnen å studere hjernefunksjon og utvikling i lite studert (eller aldri-før studerte) kontekster. Avgjørende skritt i denne protokollen inkludere reiser med og sette opp et mobil laboratorium egnet for kvalitet datainnsamling i tropiske klimaer uten strøm eller tilgjengelige fasilitetene. Denne protokollen gir generelle retningslinjer som danner sterke partnerskap med lokale vitenskapelige, pedagogiske og offentlige institusjoner, og vi markere den gjensidige kunnskapsoverføring som oppstår når vellykket langsiktig partnerskap er dannet mellom lokale og besøke forskere. Retningslinjer for utvikling av kulturelt-passende informert samtykke prosedyrer og testing protokoller diskuteres med sikte på å innlemme flere kulturelle perspektiver i forskningsmetoder. Til slutt gir denne protokollen detaljert fremgangsmåte for feltet datainnsamling og dataanalyse.

Lokale Science engasjement og muligheter for kapasitetsbygging:

En av hovedutfordringene som lokale, spesielt junior, forskere i Elfenbenskysten står overfor når de har fullført studiene er mangel på mulighet for hands-on forskning erfaring med erfarne forsker mentorer og/eller internasjonale samarbeidspartnere. For dette formålet, bør forskere gjøre alt arbeidet med å etablere robuste samarbeid med lokale forskere fra relevante disiplinære bakgrunner, og inkluderer traineer på alle nivåer (undervisning, utdannet, postdoktor). Traineer utnytte innsikt ervervet fra denne erfaring å arbeide selvstendig og videre forskning. Denne erfaringen kan også være en stepping stone å bygge sin kapasitet som forskere og utvikle deres konkurranseevne på internasjonalt nivå i skriving forskning forslag og papirer og søke om tilskudd. Et forskerteam unntatt lokale forskere kan ha en redusert sjanse for suksess som lokale forskere vil best kjent lokale sosiale og kulturelle verdier og systemer, de lokale språkene som snakkes i tillegg til geografisk kunnskap om området. Bidraget er derfor svært viktig i å forstå lokale realitetene og utforme kulturelt-passende protokoller for de vellykkede prosjektene.

Kulturelt-passende forskningsmetoder:

Utviklingen av samtykke-protokoller for å forske i landlige omgivelser i Elfenbenskysten er kritisk og manglende evne til å vedta den riktige tilnærmingen kan hemme vellykket oppnåelse av forskningen selv velmenende og vitenskapelig robust27,28,29,30,31. Vanligvis i landlige omgivelser i Elfenbenskysten, kan spør en landsbyboer lese et samtykke skjema og signere det bryte noen tillit Sacre forskeren og deltakeren. Faktisk kan oppfattet formalitet av denne fremgangsmåten skape psykologiske avstand og følelse av usikkerhet i deltakerens sinn. Dette kan resultere i en klar eller ikke-uttrykt vilje til å samarbeide. Denne holdningen kan forklares av mange faktorer, inkludert en lang historie av muntlig tradisjon der kommunikasjon er mer muntlig enn skrevet og høye analfabetisme som kan finnes i målet samfunn. Samfunn i landlige omgivelser stoler deres høvding og stole på hans beslutninger makt. Derfor inkorporerer protokollen presentert samtykke fra sjefen for landsbyen i samfunnsnivå. Dette er uten tvil mer kulturelt viktig enn individuelle samtykke. I tillegg deltakere og medlemmer har begrenset eller ingen eksponering mot neuroimaging teknologi eller datamaskiner. Derfor, forskere må ta i betraktning at samtykke framgangsmåten, og instruksjoner, kan misforstås. Funksjon fNIRS systemet skal kommuniseres i lay betingelser og riktig språk lett forståelig av barn deltakere og medlemmer av lokalsamfunnet som har svært begrenset eksponering for teknologi. Disse hensynene kan sterkt påvirke komfort og tillit til alle medlemmer som er involvert i et felt neuroimaging forskningsprosjekt.

Protokollen presenteres her fremhevet også viktigheten av å dele forskningsresultater med medlemmer og regjeringen partnere. Partnerskap bygget på fortsatt dialog hjelpemiddel i eventuell oversettelsen av forskningsresultater inn i politikken. Det er viktig å arrangere innlegget samling datafelt besøk å spre forskningsresultater og levere rapporter og, muligens, dele noen verktøy som resulterte fra studien (f.eks vurderinger på lokale språk). Deltakende samfunn i landlige omgivelser kan aldri ellers motta informasjon om undersøkelsen ferdigstillelse og funn gitt mangelen på Internett og/eller datamaskiner. Likeledes, forskere i landet kan ha begrenset tilgang til fagtidsskrift abonnementer og dårlig Internett-tilkobling på regionale universiteter. Publiserte resultatene skal være delt i et regionalt forum, og gjort tilgjengelig i et tilgjengelig språk.

Begrensninger og potensielle utfordringer:

Denne feltet neuroimaging protokollen bør endres for å passe de planlagte data samling nettstedene. Protokollen presenteres her er utviklet for forskning med skolen alderen barn i landlige Elfenbenskysten. Metodene som er nevnt her kan imidlertid ikke være egnet, spesielt med hensyn til informert samtykke prosedyrer i andre land eller til andre regioner i Elfenbenskysten. Forskere som mål å gjennomføre feltet neuroimaging må først nøye forskning lokale skikker og innlemme lokal perspektiver studien design. Derfor må et forskerteam arbeider med studie design inkludere medlemmer fra de lokale kulturelle gruppene.

Feltet neuroimaging har begrensning med laboratorium metoder. Viktigere, er kontroll av testing miljøet betydelig redusert i feltet. Feltet neuroimaging forskere bør planlegge utvidet data samling turer. Tropiske regner, risiko for tropiske sykdommer, sivil streik og politisk uro kan betydelig påvirke forskningsplaner. Forskere må sikre sikkerhetsnivåene i regionen er tilstrekkelig og overvåke etter oppdateringer for alle situasjoner som kan påvirke sikkerhetsnivåer. Kontinuerlig kommunikasjon mellom gruppemedlemmer, spesielt med hensyn til sikkerhet nivå, kan begrense risikoen.

Framtidige applikasjoner og relevans til eksisterende metoder:

Bruk av denne neuroimaging metoden kan brukes til å evaluere virkningen av tidlig risiko på spedbarn- og barns utvikling i global helse-innstillingene. Forskere har begynt å bruke denne tilnærmingen for å studere barns utvikling i landlige Gambia og en urban slumby i Bangladesh32. I en urban slumby i Dhaka bruker forskere fNIRS for å undersøke hvordan faktorer som ernæring og sanitær bidra til vekst og hjerne utviklingen33. I landlige Gambia, har forskerne brukt fNIRS å studere kognitiv funksjon av spedbarn, og har vist at fNIRS er en levedyktig avbildningsverktøy i ressurs-fattig innstillingene34,35. Slikt arbeid lover å avsløre ny innsikt i utviklingen av barn i utviklingsland, som er uforholdsmessig berørt av underernæring og dårlig renovasjon. Bærbar neuroimaging teknologier fortsette å bli mer tilgjengelig og anvendelig for forskning i lav-ressurs miljøer, dermed fremhever behovet for strenge metoder for feltet neuroimaging.

Konklusjon:

Bærbar neuroimaging systemer med evne å fungere på levert av batteriet makt har nylig blitt tilgjengelig. Disse teknikkene er relativt ny, vil avanserer til batteriet systemer gi kontinuerlige forbedringer. Mangfoldig samfunn av utvikle forskningsprogrammer bruker disse verktøyene vil utvilsomt optimalisere mobile laboratorium for å gi økt kontroll over testing miljøet. Meningsfylt engasjement mellom internasjonale og lokale forskere og lokalsamfunn kan sikre at medlemmer av studien befolkningen har aktive roller i utviklingen av forskningsprogrammer og representerer interessene til sine lokalsamfunn. Bare slike samarbeid og integrert forskning team ville bli godt posisjonert til å bruke feltet neuroimaging metoder for å studere alle menneskelige hjerne utviklingen og avsløre både teoretisk og praktisk-relevante informasjon rettet mot å forstå de haster barnet utviklingsspørsmål.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen ble gjort mulig gjennom Jacobs Foundation tidlig karriere fellesskap K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). Forfatterne også ønsker å erkjenne Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga og Yvette Foto for deres hjelp i innsamling og feltet støtte. Spesiell takk til familie og barn av Moapé, Ananguié, Affery og Becouefin for sin deltakelse i denne forskningsprogram og landsbyene gjestfriheten.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dawson, G., Ashman, S. B., Carver, L. J. The role of early experience in shaping behavioral and brain development and its implications for social policy. Dev Psychopathol. 12, (4), 695-712 (2000).
  2. Blair, C., Raver, C. C. Poverty, Stress, and Brain Development: New Directions for Prevention and Intervention. Acad Pediatr. 16, (3 Suppl), S30-S36 (2016).
  3. Jasińska, K. K., Petitto, L. A. How age of bilingual exposure can change the neural systems for language in the developing brain: A functional near infrared spectroscopy investigation of syntactic processing in monolingual and bilingual children. Dev Cogn Neurosci. 6c, 87-101 (2013).
  4. Statistics, U. I. f Côte d'Ivoire. (2017).
  5. University, T. 2013/14 Survey Research on Child Labor in West African Cocoa Growing Areas. School of Public Health and Tropical Medicine. (2015).
  6. Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54, (4), 2808-2821 (2011).
  7. Quaresima, V., Bisconti, S., Ferrari, M. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain Lang. 121, (2), 79-89 (2012).
  8. Jasińska, K. K., Berens, M. S., Kovelman, I., Petitto, L. A. Bilingualism yields language-specific plasticity in left hemisphere's circuitry for learning to read in young children. Neuropsychologia. 98, 34-45 (2016).
  9. Jasińska, K. K., Petitto, L. A. Development of neural systems for reading in the monolingual and bilingual brain: new insights from functional near infrared spectroscopy neuroimaging. Dev Neuropsychol. 39, (6), 421-439 (2014).
  10. Petitto, L., et al. The "Perceptual Wedge Hypothesis" as the basis for bilingual babies' phonetic processing advantage: new insights from fNIRS brain imaging. Brain Lang. 121, (2), 130-143 (2012).
  11. Jasper, H. H. Report of the Committee on Methods of Clinical Examination in Electroencephalography. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10, (2), 370-371 (1958).
  12. Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. Journal of visualized experiments. (29), (2009).
  13. Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Comput Intell Neurosci. 2011, 879716 (2011).
  14. Tak, S., Ye, J. C. Statistical analysis of fNIRS data: A comprehensive review. Neuroimage. 85, Part 1, (0), 72-91 (2014).
  15. Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44, (2), 428-447 (2009).
  16. Huppert, T. J. T. J., Diamond, S. G. S. G., Franceschini, M. A. M. A., Boas, D. A. D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48, (10), D280-D298 (2009).
  17. Huppert, T. J. Commentary on the statistical properties of noise and its implication on general linear models in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 3, (1), 010401 (2016).
  18. Rosso, A. L., et al. Neuroimaging of an attention demanding dual-task during dynamic postural control. Gait Posture. 57, 193-198 (2017).
  19. Jang, K. E. K. E., et al. Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 14, (3), 034004-034004 (2009).
  20. Worsley, K. J., Friston, K. J. Analysis of fMRI time-series revisited--again. Neuroimage. 2, (3), 173-181 (1995).
  21. Friston, K. J., Josephs, O., Rees, G., Turner, R. Nonlinear event-related responses in fMRI. Magn Reson Med. 39, (1), 41-52 (1998).
  22. Sun, J. Y. Tail Probabilities of the Maxima of Gaussain Random-Fields. The Annals of Probability. 21, (1), 34-71 (1993).
  23. Sun, J. Y., Loader, C. R. Simultaneous Confidence Bands for Linear-Regression and Smoothing. The Annals of Statistics. 22, (3), 1328-1345 (1994).
  24. Molfese, P. J., Glen, D., Mesite, L., Pugh, K., Cox, R. Organization of Human Brain Mapping. Honolulu Hawaii. (2015).
  25. Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27, (4), 842-851 (2005).
  26. Cui, X. Handy programs to visualize NIRS data (6): plotAverage. Available from: http://www.alivelearn.net/?p=1533 (2013).
  27. Krosin, M. T., Klitzman, R., Levin, B., Cheng, J., Ranney, M. L. Problems in comprehension of informed consent in rural and peri-urban Mali, West Africa. Clinical Trials. 3, (2006).
  28. Leach, A. An evaluation of the informed consent procedure used during a trial of a Haemophilus influenzae type B conjugate vaccine undertaken in The Gambia, West Africa. Soc Sci Med. 48, (1999).
  29. Molyneux, C. S., Peshu, N., Marsh, K. Understanding of informed consent in a low-income setting: three case studies from the Kenyan Coast. Soc Sci Med. 59, (2004).
  30. Oduro, A. R. Understanding and retention of the informed consent process among parents in rural northern Ghana. BMC Med Ethics. 9, (1), 1-9 (2008).
  31. Tindana, P. O., Kass, N., Akweongo, P. The Informed Consent Process in a Rural African Setting:: A Case Study of the Kassena-Nankana District of Northern Ghana. IRB. 28, (3), 1-6 (2006).
  32. Lloyd-Fox, S., et al. fNIRS in Africa & Asia: an Objective Measure of Cognitive Development for Global Health Settings. The FASEB Journal. 30, (1 Supplement), (2016).
  33. Storrs, C. Nature News. Nature Publishing Group. (2018).
  34. Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740 (2014).
  35. Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).
Neuroimaging feltet metoder å bruke funksjonell nær infrarødspektroskopi (NIRS) Neuroimaging å studere globale barns utvikling: landlige Sahara
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter