Neuroimaging felt metoder ved hjælp af funktionelle nær infrarød spektroskopi (NIRS) Neuroimaging at studere globale børns udvikling: landdistrikter Sahara
Summary
Bærbare neuroimaging tilgange (funktionel nær infrarødspektroskopi) yde forskud til undersøgelsen af hjernen på tidligere utilgængelige områder; her, landdistrikter Côte d’Ivoire. Innovation i metoder og udvikling af kulturelt passende neuroimaging protokoller tillader roman undersøgelse af hjernens udvikling og børns læringsresultater i miljøer med stor fattigdom og modgang.
Abstract
Bærbare neuroimaging tilgange giver nye forskud til undersøgelsen af hjernefunktion og hjernens udvikling med tidligere utilgængelige befolkninger og i fjerntliggende steder. Dette papir viser udviklingen i feltet funktionelle nær infrarødspektroskopi (fNIRS) imaging studier af børns sprog, læsning og kognitive udvikling i landdistrikter landsby omgivelser i Côte d’Ivoire. Innovation i metoder og udvikling af kulturelt passende neuroimaging protokoller tillader en førstegangs kig ind i hjernens udvikling og børns læringsresultater i forsømt miljøer. Dette papir viser protokoller for transport og opsætning af et mobilt laboratorium, diskuterer overvejelser for feltet versus laboratorium neuroimaging, og præsenterer en guide til at udvikle neuroimaging samtykke procedurer og bygning meningsfulde langsigtede samarbejder med lokale regering og videnskab partnere. Bærbare neuroimaging metoder kan bruges til at studere komplekse barn udviklingssammenhænge, herunder virkningerne af betydelig fattigdom og modgang på hjernens udvikling. Protokollen præsenteres her er udviklet til brug i Côte d’Ivoire, verdens primære kilde af kakao, og hvor rapporter om barn arbejdskraft i sektoren for kakao er fælles. Men lidt er kendt om virkningen af børnearbejde på hjernens udvikling og læring. Feltet neuroimaging metoder har potentiale til at give ny indsigt i sådanne uopsættelige spørgsmål, og for børns udvikling globalt.
Introduction
Bærbare fNIRS imaging giver mulighed for at studere hjernefunktion og udvikling uden for laboratoriet, i tidligere utilgængelige indstillinger eller med forsømt populationer. Meget af viden inden for kognitiv neurovidenskab kommer fra imaging studier udført i universitetet eller hospitalet laboratoriet indstillinger, i overvejende vestlige lande. Ved design, dette bidrager til en sjældent-talt-af problemet i forskning: meget af hvad der vides om hjernen er baseret på undersøgelser med deltagerne for hvem laboratorium indstillinger i (det meste) vestlige lande er tilgængelige. Det vil sige, indebærer de fleste neuroradiologisk forskning deltagere, der bor i rimelig nærhed til en neuroimaging laboratory og har både tid og ressourcer for at kunne deltage i en undersøgelse. Som en disciplin, kognitiv neurovidenskab har til formål at forstå hjernen og de faktorer, der former sin udvikling — herunder de kraftfulde effekter af et barns miljø og deres opvækst oplever1,2,3. Metoder, at forhånd field’s kapacitet til at undersøge udviklingen i et fyldigere udvalg af menneskelig erfaring kan dramatisk fremme forståelsen af komplekse forholdet mellem hjernens udvikling og livets oplevelser, som former det.
Dette paper præsenterer en protokol for feltet neuroimaging, som blev udviklet til brug i landdistrikter Sahara i Afrika, specielt sydlige Côte d’Ivoire. Formålet med dette felt neuroimaging research program var at forstå børns læsning udvikling i et miljø med en høj risiko for analfabetisme. Côte d’Ivoire er unge (15-24 år) læse-og skrivefærdigheder 53%, trods 93% grundskolen tilmelding priser4. Côte d’Ivoire er verdens primære kilde af kakao, og der er en anslået 1,3 millioner barn arbejdere i kakao landbrugssektoren5. Men lidt er kendt om virkningen af børnearbejde på hjernens udvikling og læring, specifikt at lære at læse. Anvender de nyeste værktøjer i kognitiv neurovidenskab, dvs bærbare neuroimaging metoder, kan give værdifuld indsigt i børns læringsresultater. For eksempel, kan feltet neuroimaging med fNIRS giver mulighed for identifikation af udviklingsforstyrrelser perioder hvor målrettede uddannelsesprogrammer eller indgreb kan have maksimal indvirkning på børns læringsresultater.
fNIRS neuroimaging er velegnet til felt forskning. Svarende til funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler hjernens hæmodynamiske svar6. FNIRS bruger dog en serie af light emitting optodes og lys detektorer i stedet skaber elektromagnetiske felter. Der er ingen begrænsninger på metal i eller i nærheden af test-område, og ingen elektrisk afskærmning er nødvendigt, som er tilfældet for electroencefalografi (EEG). En afgørende fordel ved fNIRS er dens portabilitet (dvs. nogle systemer kan passe i en kuffert) og brugervenlighed. fNIRS er også let at bruge med børn; barnet sidder komfortabelt i en stol under eksperimentet og fNIRS ordningen tolererer bevægelse godt sammenlignet med fMRI. Sammenlignet med fMRI, fNIRS også indeholder separate foranstaltninger deoxygenated (HbR) og iltet hæmoglobin (HbO) under optagelsen, sammenlignet med fMRI, som giver en kombineret blod ilt niveau tæthed (fed) foranstaltning. fNIRS har overlegen tidsmæssige opløsning til fMRI: prøvetagning priser kan variere mellem ~ 7-15 Hz. fNIRS har god rumlig opløsning: fNIRS’ dybde af optagelse i den menneskelige cortex er mindre end fMRI, måling ca 3-4 cm i dybden, som er velegnet til at studere kortikale funktioner, især hos spædbørn og børn, der har tyndere kranier end voksne3,7,8,9,10.
Dette felt neuroimaging protokol skitserer overvejelser for rejser med og oprette en bærbar neuroimaging laboratory i lav-ressource sammenhænge. Protokollen fremhæver også den væsentlige karakter af meningsfulde, langsigtet samarbejde med lokale videnskab partnere og måder, hvorved denne fremgangsmåde tjener til at opbygge lokale videnskab kapacitet. Neuroimaging protokol for indsamling og analyse af fNIRS hjerne data fra et batteri af sprog, læsning og kognitive opgaver, godtgøres, herunder anbefalinger til oprettelse kulturelt passende informeret samtykke procedurer for imaging forskning. Mens denne protokol er udviklet til kognitiv Udviklingsforskning med grundskolen alderen børn i landdistrikterne Côte d’Ivoire, protokollen er yderst relevant for ethvert felt neuroimaging undersøgelse i udfordrende, lav-ressource miljøer, og kan tilpasses for roman sammenhænge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papir præsenteret et felt neuroimaging protokol egnet til lav-ressource sammenhænge i fjerntliggende steder. Centrale forud for dette felt neuroimaging protokol er første gang muligheden for at studere hjernefunktion og dens udvikling i understudied (eller aldrig-før studerede) sammenhænge. Kritiske trin i denne protokol omfatter rejser med og at oprette et mobilt laboratorium egnet til kvalitet dataindsamling i tropiske klimaer uden elektricitet eller tilgængelige faciliteter. Denne protokol giver en generel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev muliggjort gennem Jacobs Foundation tidlige karriere stipendium til K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). Forfatterne også ønsker at anerkende Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga og Yvette Foto for deres bistand til dataindsamling og felt støtte. En særlig tak til de familier og børn af Moapé, Ananguié, Affery og Becouefin for deres deltagelse i dette forskningsprogram og landsbyer varm gæstfrihed.
Materials
| LIGHTNIRS Main Unit Pack 120V | Shimadzu | 292-34000-42 | Component of the fNIRS system |
| HOLDER ASSY, ALL- CAP | Shimadzu | 594-07618-01 | Component of the fNIRS system |
| LIGHTNIRS connection cable | Shimadzu | 567-10976-11 | fNIRS system component |
| Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets) | Shimadzu | 567-11350-01 | fNIRS system component |
| Dell Latitude Laptop | Shimadzu (from Dell) | 220-97322-00 | Master computer to run fNIRS applications |
| PATRIOT SEU (System Electronics Unit) | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT System component |
| Power Supply | POLHEMUS | 2C0809 | PATRIOT System component |
| Power Supply cord | POLHEMUS | 17500B-BLK | PATRIOT System component |
| RS-232 null modem cable | POLHEMUS | 1C0288 | PATRIOT System component |
| USB cable | POLHEMUS | 1C0289 | PATRIOT System component |
| RX2 Sensor 10' cable | POLHEMUS | 4A0492-20 | PATRIOT System component |
| TX2 Source 10' cable | POLHEMUS | 4A0506-20 | PATRIOT System component |
References
- 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).
- Blair, C., Raver, C. C. Poverty, Stress, and Brain Development: New Directions for Prevention and Intervention. Acad Pediatr. 16 (3 Suppl), S30-S36 (2016).
- 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).
- Statistics, U. I. f. . Côte d’Ivoire. , (2017).
- University, T. . 2013/14 Survey Research on Child Labor in West African Cocoa Growing Areas. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jasper, H. H. Report of the Committee on Methods of Clinical Examination in Electroencephalography. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10 (2), 370-371 (1958).
- 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).
- 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).
- Tak, S., Ye, J. C. Statistical analysis of fNIRS data: A comprehensive review. Neuroimage. 85, Part 1, 72-91 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rosso, A. L., et al. Neuroimaging of an attention demanding dual-task during dynamic postural control. Gait Posture. 57, 193-198 (2017).
- 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).
- Worsley, K. J., Friston, K. J. Analysis of fMRI time-series revisited–again. Neuroimage. 2 (3), 173-181 (1995).
- Friston, K. J., Josephs, O., Rees, G., Turner, R. Nonlinear event-related responses in fMRI. Magn Reson Med. 39 (1), 41-52 (1998).
- Sun, J. Y. Tail Probabilities of the Maxima of Gaussain Random-Fields. The Annals of Probability. 21 (1), 34-71 (1993).
- Sun, J. Y., Loader, C. R. Simultaneous Confidence Bands for Linear-Regression and Smoothing. The Annals of Statistics. 22 (3), 1328-1345 (1994).
- Molfese, P. J., Glen, D., Mesite, L., Pugh, K., Cox, R. . Organization of Human Brain Mapping. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Storrs, C. . Nature News. , (2018).
- Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740 (2014).
- Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).
