Summary
Bärbar neuroradiologiska metoder (funktionell nära infraröd spektroskopi) ge förskott till studiet av hjärnan vid tidigare otillgängliga regioner. här, landsbygdens Elfenbenskusten. Innovation i metoder och utveckling av kulturellt lämpliga neuroimaging protokoll tillåter ny studie av hjärnans utveckling och barns lärandemål i miljöer med stor fattigdom och motgångar.
Abstract
Bärbar neuroradiologiska metoder ger nya framsteg för att studera hjärnans funktion och hjärnans utveckling med tidigare otillgängliga populationer och i avlägsna platser. Detta papper visar utvecklingen av fältet funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) avbildning till studien av barn språk, läsning och kognitiv utveckling i en lantlig by inställning i Elfenbenskusten. Innovation i metoder och utveckling av kulturellt lämpligt neuroimaging protokoll tillåter en första gången titt in i hjärnans utveckling och barns lärandemål i understudied miljöer. Detta papper visar protokoll för att transportera och ställa in ett mobilt laboratorium, diskuterar överväganden för fältet kontra laboratorium neuroimaging, och presenterar en guide för att utveckla neuroimaging samtycker förfaranden och byggnaden meningsfull långsiktig samarbeten med lokala regeringen och science partners. Bärbar hjärnavbildningsmetoder kan användas för att studera komplexa barn utveckling sammanhang, inklusive effekterna av betydande fattigdom och motgångar på hjärnans utveckling. Det protokoll som presenteras här har utvecklats för användning i Elfenbenskusten, världens främsta källan till kakao, och där rapporter om barn arbete inom kakao är vanliga. Men är lite känt om effekterna av barnarbete på hjärnans utveckling och lärande. Fältet hjärnavbildningsmetoder har potential att ge nya insikter i sådana brådskande frågor och barns utveckling globalt.
Introduction
Bärbar fNIRS imaging ger möjlighet att studera hjärnans funktion och utveckling utanför laboratoriet, i tidigare otillgängliga inställningar eller med understudied populationer. Mycket av kunskapen i domänen för kognitiv neurovetenskap kommer från imaging studier i universitet eller sjukhus laboratoriemiljö, i främst västra länderna. Av design, detta bidrar till ett sällan-talat-av problem i forskning: mycket av vad som är känt om hjärnan bygger på studier med deltagare som laboratoriemiljö i (oftast) västerländska länder är tillgänglig. Det vill säga innebär de flesta neuroradiologisk forskning deltagare som bor i rimlig närhet till neuroradiologisk laboratorium och har både tid och resurser som krävs för att delta i en studie. Som disciplin, kognitiv neurovetenskap syftar till att förstå hjärnan och de faktorer som formar dess utveckling — inklusive kraftfulla effekter av ett barns miljö och deras tidiga-liv erfar1,2,3. Metoder som avancerar fältet kapacitet att studera utvecklingen i ett fylligare utbud av mänsklig erfarenhet kan dramatiskt förväg förståelsen av komplexa förhållandet mellan hjärnans utveckling och livserfarenheter som formar den.
Detta dokument presenterar ett protokoll för fältet neuroimaging, som utvecklats för användning i landsbygdens subsahariska Afrika, särskilt södra Elfenbenskusten. Syftet med detta fält neuroradiologisk forskningsprogram var att förstå barns läsning utveckling i en miljö med en högrisk analfabetismen. Elfenbenskustens ungdom (15-24 år) läskunnigheten är 53%, trots 93% grundskola registrering priser4. Elfenbenskusten är världens främsta källa till kakao, och det finns uppskattningsvis 1,3 miljoner barnarbetare i kakao jordbrukssektorn5. Men är lite känt om effekterna av barnarbete på hjärnans utveckling och lärande, särskilt lära sig läsa. Tillämpa de senaste verktygen i kognitiv neurovetenskap, dvs bärbara hjärnavbildningsmetoder, kan ge värdefulla insikter i barns lärandemål. Exempelvis kan fältet neuroimaging med fNIRS tillåta identifiering av nervsystemets perioder som riktade utbildningsprogram eller interventioner kan ha maximal påverkan på barns lärandemål.
fNIRS neuroimaging är väl lämpad för fältforskning. Liknar funktionell magnetresonanstomografi (fMRI), fNIRS mäter hjärnans hemodynamiska responsen6. FNIRS använder dock en serie ljusets emitting optodes och ljus detektorer i stället för att generera elektromagnetiska fält. Det finns inga begränsningar på metall i eller nära området provning och ingen elektrisk skärmning behövs, som i fallet för elektroencefalografi (EEG). En viktig fördel med fNIRS är dess portabilitet (dvs. vissa system kanske passar i en resväska) och användarvänlighet. fNIRS är också lätt att använda med barn; barnet sitter bekvämt i en stol under experimentet och fNIRS systemet tål rörelse väl jämfört fMRI. Jämfört med fMRI, fNIRS erbjuder även separata åtgärder av syrefattigt (HbR) och syresatt hemoglobin (HbO) under inspelning, jämfört fMRI vilket ger en kombinerad blodet syre Nivå densitet (fet) åtgärd. fNIRS har superior temporal upplösning att fMRI: samplingsfrekvenser kan variera mellan ~ 7-15 Hz. fNIRS har bra rumslig upplösning: den fNIRS' djupet av inspelning i mänskliga hjärnbarken är mindre än fMRI, mäter cirka 3 till 4 cm i djup, som är väl lämpad för att studera kortikala funktioner, speciellt med spädbarn och barn som har tunnare skallar än vuxna3,7,8,9,10.
Detta fältet neuroimaging protokoll beskriver överväganden för resor med och ställer in en bärbar neuroimaging laboratorium i resurssnål sammanhang. Protokollet belyser också oumbärliga meningsfull, långsiktiga samarbeten med lokala science partners och sätt som serverar denna strategi att bygga upp lokala vetenskap kapacitet. Neuroimaging protokollet för att samla in och analysera fNIRS hjärnan data från ett batteri av språk, läsning och kognitiva uppgifter, demonstreras inklusive rekommendationer för att skapa kulturellt lämpligt informerat samtycke förfaranden för imaging forskning. Medan detta protokoll är avsedd för kognitiv utvecklingsforskning med åldern lågstadiebarn i landsbygdens Elfenbenskusten, protokollet är mycket relevant för någon neuroimaging fältstudie i utmanande, resurssnål miljöer, och kan anpassas för roman sammanhang.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla metoderna som beskrivs här har godkänts av den institutionella granskning Board (IRB) av University of Delaware.
1. mobila laboratorium Transport och installation
-
Resor med fNIRS utrustning
- FNIRS transportutrustning.
Obs: fNIRS utrustning kan transporteras som kontrolleras-bagage på en större internationella flygbolag, men det är absolut nödvändigt att bekräfta med viss flygbolaget. Utrustning begränsningarna kan variera av ursprung eller destination land. Alternativt kan fNIRS utrustning levereras. - Vet förfarandena för import eller resor med fNIRS utrustning för destinationslandet, och i tillämpliga fall, få lämpliga importera godkännande dokumentation.
- Förbereda för inspektioner.
Obs: Myndigheter (t.ex. Transportation Security Administration) förbehåller sig rätten att inspektera incheckat bagage. Ömtåliga fNIRS fiberoptik kan skadas under inspektioner. Ordna med lämplig dokumentation för att åtfölja all utrustning.
- FNIRS transportutrustning.
-
Väsentliga laboratorieutrustning i fältet
- Förbereda för klimatförhållandena i fältet.
Obs: Temperatur och luftfuktighet villkor i fältet kan variera betydligt från laboratoriemiljö och kan påverka utrustning funktion och livslängd, samt deltagare komfort under experiment. Elektronik i hög luftfuktighet, vanligtvis är över 60%, mer mottagliga för korrosion fukt kan bosätta sig på delar och reagera med metallkomponenter. Luftfuktigheten i ett inomhus-labb (t.ex. inuti en Universitetshuset) är i allmänhet mellan 30-50%. Luftfuktigheten i södra Elfenbenskusten kan vara 80-95%. Ställa in en portabel luftkonditionering enhet med låg wattage krav. - Säkerställa tillräcklig elförsörjning. Eftersom elförsörjning kanske inte tillgängliga i inställningar för landsbygden, eller kan fungera endast periodvis eller med otillräcklig wattal, använda bärbara solgeneratorer till makten små till medelstora medelstora elektronik. Tillgängliggöra en dieselgenerator som reservkraft. Anställa en lokal elektriker som är bekant med elförsörjning utmaningar i landsbygdens sammanhang.
- Bered en lämplig laboratorium struktur med minimal omställningstid såsom ett stort anpassade tält med ogenomskinlig och vattentät tak och väggar.
Obs: Faciliteter (t.ex. klassrum på lokal skola) är osannolikt att vara tillgängliga, eller ge vattentät och tyst testning utrymme.
- Förbereda för klimatförhållandena i fältet.
- Konfigurera det bärbara laboratoriet (figur 1)
- Montera det mobila laboratoriet (t.ex. anpassade tält). Se till att laboratoriet är stor nog att rymma sittplatser för deltagaren vid ett skrivbord, sittgrupp för två praktiker, stimulans presentation dator, fNIRS data collection dator, fNIRS bärbar enhet, tredimensionella (3D) digitizer och bärbar luftkonditioneringen.
Figur 1. Scheman. (A) Schematisk bild av laboratoriet setup. (B) förbereda deltagaren för datainsamling. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. lokala forskargrupper och Science Partners
- Investera i bildandet av vetenskapliga samarbeten och ger möjligheter inom ramen för forskning till lokala forskare.
- Etablera partnerskap med lokala vetenskapliga institutioner för social integrering. Få erkännande från jämnåriga på lokal nivå är viktigt att kommunicera eventuell forskning att hitta i regionen.
- Samråda med berörda lokala myndigheter innan någon forskningsverksamhet att få tillstånd och licens för att driva. Bekanta med etiska prövningsförfaranden i mållandet, och göra lämpliga Logi om ingen formell vetenskaplig granskning förfarande.
Obs: till exempel direkt kommunikation med och godkännande från företrädare i ministeriet för högre utbildning och forskning (eller jämförbara regeringsorgan) kan göras i stället för ett förfarande för etikprövning.
3. informerat samtycke och barnets samtycke
- Utveckla ett tillståndsförfarande som är kulturellt lämpligt och säkerställer att deltagare, deras familjer och samhällen informeras om forskning och deras beslut att delta i studien.
- Granska lokala sedvänjor och historia i typiska protokoll utveckling och inkluderar medlemmar av gruppen som forskningen behöver utföras.
- Se till att få ett tydligt samtycke från lokala gruppledaren (t.ex. byn chief, byäldste, etc.) innan du fortsätter med forskning.
Obs: Detta kan uttryckas genom en fäderneärvda benediction eller på något annat sätt som är typiska för gemenskapen. Efter samtycke från byn chefen, kan kulturella seder inkludera de hälla vin på jorden och ber förfäder att godkänna och välsigna forskningsverksamheten.
- Se till att få ett tydligt samtycke från lokala gruppledaren (t.ex. byn chief, byäldste, etc.) innan du fortsätter med forskning.
- På en mer formell nivå, söka samtycke från förälder och pedagog grupper som ansvarar för att beslut om barns deltagande i godkända skolaktiviteter. Till exempel gruppen föräldramöte ('Comité de Gestion d'Ecoles - COGES' i Elfenbenskusten) är en viktig aktör i nationella primära utbildningssystemet som består av ledamöter utsedda av elevens föräldrar att försvara sina intressen i beslutsfattandet och i alla andra aspekter relaterade till utbildningen av deras barn.
- Godkänna all forskningsverksamhet av lokala myndigheter, exempelvis ivorianska ministeriet för utbildning eller ministeriet för högre utbildning och forskning. Det land som projektet kommer att ta plats i kanske inte har ett formellt förfarande för etisk godkännande genom en IRK. Kontrollera bestämmelser för att säkerställa att korrekta protokollen för etisk godkännande för forskning följs.
Obs: Tiden för att erhålla godkännande, Elfenbenskusten hade en formell IRB granskningsprocessen. I stället för detta fortsatte forskargruppen genom att förbereda dokumentationen besläktad med en IRK-ansökan att förelägga undervisningsministeriet. Flera möten arrangerades med undervisningsministeriet, ministeriet för högre utbildning, och forskning tjänstemän där forskarteamet presenterade den föreslagna forskningen planerar att alla tjänstemän, följt av Gruppdiskussion och fråga och svarsomgångar. Etiskt godkännande erhölls direkt från undervisningsministeriet i form av ett undertecknat dokument som beviljande av tillstånd att bedriva forskning med barn på specifika skolor. Denna studie fick etiskt godkännande från University of Delaware IRB. - Förklara syftet forskning i enkla ord för deltagande barn i ett barn samtyckesförfarandet. Lokalsamhället får värdesätter ett barns lydnad, i vilket fall ett barn kan samtycke att delta eller fortsätta delta i en studie trots deras ovilja att göra det på grund av kulturella förväntningar. Se till att samtyckesförfarandet noggrant meddelar frivilligt deltagande i forskningen.
- Tydligt definiera hur forskningen kommer att gynna deltagarna och om de får ersättning för sitt deltagande i forskningen. Se till att ersättningen är lämpligt både kulturellt och för deltagarna.
- Genomföra alla tillstånd och samtycke förfaranden på deltagaren av en utbildad medlem av forskargruppen som är också medlem av språk och kulturella gruppen lokala eller föredragna språk.
4. fNIRS hårbotten placering och mätning
-
Samlande huvud mätningar
- Direkt deltagaren att sitta på en stol, och förklara processen förväntas under huvudet mätning.
- Med hjälp av en standard måttband, mäta avståndet mellan: (1) nasion och inion runt huvudet, (2) nasion och inion över toppen av huvudet genom mittlinjen centrala (Cz)11, och (3) avståndet mellan vänster och höger öra tragus över toppen av huvudet genom Cz.
-
Placering av fNIRS locket och optodes på deltagarens huvud 3 , 8 , 9 , 12
- Placera fNIRS optode hållare korken på deltagarens huvud, att anpassa den gemensamma jordbrukspolitiken till internationella 10-20 systemet för hårbotten platser11. Se till att den gemensamma jordbrukspolitik ståndpunkten är identiska för alla deltagare. Justera punkter på den gemensamma jordbrukspolitiken (t.ex. sondhållare) med hårbotten positioner.
Obs: centrera till exempel framsidan av den gemensamma jordbrukspolitiken på huvudet till frontopolar (FP) position. Denna position motsvarar 10% av den nasion-inion över topp avstånd dorsala nasion position. - Säkerställa den gemensamma jordbrukspolitiken med en rem och deltagaren är bekväma.
- Placera fNIRS optode hållare korken på deltagarens huvud, att anpassa den gemensamma jordbrukspolitiken till internationella 10-20 systemet för hårbotten platser11. Se till att den gemensamma jordbrukspolitik ståndpunkten är identiska för alla deltagare. Justera punkter på den gemensamma jordbrukspolitiken (t.ex. sondhållare) med hårbotten positioner.
-
3D digitizer mätning
- När locket är i position, instruera deltagaren att sitta stilla i position för att erhålla en 3D digitizer mätning av nyckeln 10-20 system hårbotten positioner11 och varje optode plats innehavaren.
- Ordna 3D digitizer utrustningen. Förlägga en sensor på deltagaren 's huvud på Cz och fästas ordentligt (dvs. använda en elastisk eller hår tillbehör), och placera andra block sensorn bakom deltagaren. Låt deltagaren att sitta i en stol med ryggen till en tabell. Placera andra sensorn på bordet direkt bakom deltagarens chef. Se till att varken sensor flytta under kursen för att få 3D digitizer mätningen.
- Öppna den Brainstorm software13 på data collection datorn. Kontrollera systemets 3D digitizer är i kommunikation med Brainstorm programvaran genom lämplig COM port.
- Flytta 3D digitizer pennan till varje sondens läge och över nyckeln 10-20 system positioner (nasion, inion, vänster öra, höger öra, Cz). På varje plats, Hämta positionsdata genom funktionen Brainstorm på data collection datorn.
-
Placera ljus avger optodes och detektorer i hårbotten
- Efter 3D digitizer uppgifterna samlas in, direkt deltagaren ska sitta bekvämt framför stimulans presentation datorn.
- Med hjälp av fNIRS inbyggda programvara, Välj den sonden arrangemang som motsvarar till experiment design. fNIRS sonder kan placeras för att täcka hela huvudet (dvs full head täckning), eller alternativt en matris kan placeras över allmänna regioner av intresse. Detta protokoll används exempelvis en 10 x 3 sond array (30 sonder ordnade i 3 rader av 10 sonder varje). Denna sond arrangemang var lämpad att maximally overlay vänster hjärnhalva språkområden och deras högra hjärnhalvan homologer, samt frontalloben (figur 2).
- Se till att varje sond (sändare och detektor) är numrerade och numreringssystemet motsvarar sonden arrangemang karta.
- Inbyggd programvara som en guide, med hjälp av optode kartan i fNIRS och placera varje optode i den lämpliga optode öppna på locket. Optode kartan visar platsen för varje optode i matrisen (t.ex. 10 x 3).
- Flytta något hår ur vägen för att säkerställa direktkontakt mellan spetsen på optode och deltagarens hårbotten.
- Efter alla optodes är i position, Kontrollera signalkvaliteten använder fNIRS systemets inbyggda programvara.
- Justera enskilda sonder som behövs tills tillräcklig signalkvalitet uppnås. När alla optodes' signal kvalitetskontroller har gått ut, fortsätta med experimentella uppgifter.
5. experimentella uppgifter
- Utforma varje neuroimaging uppgift med lämpligt antal prövningar och villkor i linje med mål som forskning. Förstå att neuroradiologisk uppgifter varierar beroende på syftet forskning. Exempelvis tre uppgifter användes i detta protokoll: (1) ett språk bearbetning och läsa uppgift, (2) en rhyme dom uppgift och (3) en kognitiv flexibilitet uppgift.
Obs: Förfarandet (och representativa resultat) av RIM dom uppgiften markeras. - Placera buller-cancelling hörlurarna på deltagarens huvud, att vara uppmärksam för att inte störa fNIRS sond placering. Se till att hörlurarna kommer att leverera auditiv tal stimuli till deltagaren, samt blockera alla omgivningsljud.
Observera: Laboratorietester vanligtvis sker i ett sund försvagat rum. Fältprovning av laboratorium ger inte samma grad av kontroll av buller, och buller-cancelling hörlurarna kan säkerställa tyst provningsvillkoren för alla deltagare. - Instruera deltagaren att möta datorskärmen och fixera på korset i mitten av skärmen och förbli fortfarande under experimentet. Presentera alla experimentella aktiviteter på en datorskärm.
-
Rhyme dom uppgift
- Instruera deltagaren att lyssna på de ordpar presenteras fonetiskt genom hörlurar. Be deltagaren att indikera huruvida ordpar rimmade eller inte (t.ex. 'katt'-'hatten' eller 'katt'-'log ') med ett knapp tryck på tangentbordet.
- I det här exemplet använder du en händelse relaterade design. Låt deltagarna komplett 12 icke-rimmad och 12 rimmade prövningar åtskilda av ryckte mellan stimulus intervaller på mellan 8 och 17 s.
Obs: Uppgifter bör skapas på ett sätt som är lämpligt för deltagaren. I studien refereras här, utredde forskare språk, kognitiv, och läsa utvecklingen hos barn som var mycket dålig läsare. Läsningen neuroimaging uppgift utvecklade med ord som skulle vara lämpligt för ett barn med minimal läsförmåga. Samt, valdes barn för neuroradiologisk paradigm baserat på noter som erhållits på en läsning bedömning.
- Dim ljus och börja spela in deltagaren på den inbyggda video-kameran.
- Börja fNIRS data inspelning på fNIRS kommandot datorn och inleda aktiviteter på stimulans presentation datorn.
- Övervaka deltagare prestanda under alla aktiviteter. Ge pauser mellan uppgifter och körningar.
- Kontrollera att utlösa från experimentell stimuli presentation datorn tas emot av fNIRS kommandot datorn.
- I slutet av alla uppgifter, stoppa insamlingen av video och fNIRS data.
6. efter experimentell uppgift mätningar
- Ta bort varje optode från optode innehavaren locket.
- Utan att störa positionen för optode innehavaren locket på deltagarens chef, direkt deltagaren att sitta i en position att få en andra 3D digitizer-mätningen.
- Upprepa på 3D digitizer mätning som i fNIRS hårbotten placering och mätning avsnitt 4 för att säkerställa att eventuella störningar till hårbotten sondens position under experimentet kan upptäckas genom att jämföra de två position filerna.
- Ta av optode innehavaren locket från deltagarens chef.
- Vid slutet av experimentet, ge deltagarna en liten present (t.ex. böcker och skolmaterial) och bekräftelser av forskargruppen för deras deltagande.
7. planera för att sprida Data
- Dela forskningsresultaten med community-medlemmar och berörda lokala myndigheter för deras eventuella översättning till politik för utredas frågan.
Obs: Deltagarna får inte direkt från experimentet. - Göra planer för uppföljningsbesök till deltagande samhällen. Förbereda rapporter och verktyg som lokala pedagoger kan använda. Exempelvis görs någon skapade i lokala språk bedömningar tillgängliga till skolan tjänstemän i regionen. Förbereda medlemmarna i forskargruppen som talar det lokala språket att träffa ledare att kommunicera studie resultaten.
- Göra upp planer att publicera studie resultat i regionala akademiska tidskrifter och i språket i regionen, om tillämpligt. Exempelvis bör studie resultaten spridas på franska om forskning utfördes i fransktalande länder.
- Göra planer på att träffa och leverera rapporter av studien resultaten till regeringen grenen som beviljat godkännande för forskningsprogrammet.
8. Säkerhetskopiera Data
- Se till att data kan exporteras och backas upp till flera bärbara hårddiskar, eftersom Internet för online datalagring är osannolikt att vara tillgängliga. Överföra data till online datalagring som tillräcklig Internetanslutning är tillgänglig.
9. dataanalys
Obs: Flera data analys paket finns för fNIRS14. Statistiska parametriska mappning för nära-infraröd spektroskopi (NIRS-SPM)15 , Homer216 (utbredda) och den fNIRS verktygslåda 17,18 (nya och tillträdande popularitet) används för fNIRS dataanalys. Detta protokoll recensioner data analysmetoder med NIRS-SPM, men det är att bedömning av forskaren att välja lämpligaste metoden för analys.
- Analysera data från fNIRS systemet med NIRS-SPM, Version 415,19. Denna verktygslåda för neuroradiologisk suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analyserar NIRS data med en generell linjär modell baserat analys strategi och möjliggör skapandet av aktivering kartor med super-upplösning localization.
-
Datakonvertering till HbO och HbR
- Använda modifierade öl-Lambert ekvationen (med NIRS-SPM) för att konvertera värden för optisk densitet koncentration till förändringar i HbO och HbR svar.
-
Data förbehandling
- Använda något av flera alternativ som finns för förbearbetning fNIRS data.
Obs: Huppert o.a. 17 föreslå mycket rigorösa metoder för olika källor till buller16. Dessa inkluderar egenvektor-baserade minskning av rörelse artefakter, bandpass filtreringstekniker och egenvektor-baserade minskning av rumsliga kovariansen för fysiologiska störningar i data (t.ex., andning, blodtryck, puls). De delar också en grundlig kommentar om bullerkällor i fNIRS forskning och konsekvenserna för statistisk analys. Den fNIRS forskaren måste undersöka förbehandling program som är lämpligast för en viss undersökning. Nedan, en analys strategi modellerad efter Worsely och Friston20 och Jang et al. 19 presenteras. - Bryts ner förändringar i HbO och HbR koncentrationer med en Wavelet-minst Beskrivning Längd (MDL) detrending algoritm för att ta bort globala trender som följer av andning, blodtryck variation, vasomotion eller deltagare rörelse artefakter och att förbättra signal-brus-förhållande19.
- Tillämpa ett lågpassfilter med formen av funktionen hemodynamiska responsen till data och användning av Worsely och Friston20 precoloring metoden för att avlägsna temporal korrelationer.
- Använda något av flera alternativ som finns för förbearbetning fNIRS data.
-
Modell generationen och statistisk analys
- Skapa modeller för HbO och HbR innehållande experimentell regressors convolved med motsvarande hemodynamiska responsen funktion med tiden derivat21.
Obs: Funktionen hemodynamiska responsen kan ha större variation i högre kortikala regioner och över deltagarna. Dessa typer av variabilitet kan rymmas i analysmodeller genom att utöka HRF att omfatta tidsmässiga derivat. Använd en temporal derivatan till modell skillnader i tiden till topp hemodynamiska responsen21. - Användning NIRS-SPM att skapa modeller för HbO och HbR med motsatta polaritet så att en betydande modell passar för HbO visar ökad koncentration och för HbR minskade koncentrationen5,18.
- Ställa in experimentellt relevanta t-test eller F-testa kontraster att testa effekten av en (eller flera) regressors (ges matrisen design) på modulering av den fNIRS tidsseriedata.
- Skapa modeller för HbO och HbR innehållande experimentell regressors convolved med motsvarande hemodynamiska responsen funktion med tiden derivat21.
-
Visualisera resultat
- Utföra rumsliga registrering av NIRS kanaler till Montreal neurologiska Institutet (MNI) utrymme med hjälp av data från en 3D digitizer.
- Använda registrerade fNIRS data för att skapa aktivering kartor av HbO, HbR och totala hemoglobin (THb) baserat på den allmänna linjära modellen och solens tube formeln korrigering22,23.
- Ladda aktivering kartor på en lämpliga hjärnan mall. Till exempel ger nyligen Haskins Pediatric Brain Atlas en standardiserad mall för barn mellan 6-12 års ålder24.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sonden positionsdata erhålls genom 3D digitizer (figur 2) kan visualiseras på en standard hjärnan mall. Registrera fNIRS kanaler till MNI utrymme med NIRS-SPMS fristående registrering funktion25. Spatial registreringsfunktionen genererar MNI koordinater, anatomiska etiketter och Brodmann områden maximally representeras av varje kanal.
Figur 2. Datainsamling. (A) placering av fNIRS locket på deltagarens chef och insamling av positionsdata med 3D digitizer. (B) internationella 10-20 system användas för att styra placeringen av den gemensamma jordbrukspolitiken på deltagarens huvud. (C) geografisk lokalisering algoritm plotting x, y, z samordna data på mallen MNI hjärnan. Bilden genererade under fristående NIRS registrering med hjälp av 3D digitizer data i NIRS-SPM15,19,25. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Sonden positionsdata kan också visualiseras över cortex yta mall eller anatomiska MRI mall med Brainstorm programvara (figur 3).
Figur 3. fNIRS sonder. fNIRS sonder visualiseras på (A) ytan av cortex och (B) mallen MNI anatomiska MRI. Vänster, presenteras dorsala och rätt. Bilder som skapas med hjälp av Brainstorm software13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Här visas representativa uppgifter från Rim dom uppgiften (figur 4). Deltagare slutfört två identiskt-strukturerade serier av denna uppgift. Varje körning innehöll 13 prövningar; rimmad och icke-rimmade prövningar beställdes slumpmässigt.
Figur 4. Uppgift design. Rhyme dom uppgift systemet visas. Deltagarna tittade kontinuerligt på en fixering cross lyssnar regelbundet på franska rimmad eller icke-rimmade ordpar. Uppgiften slutfördes i två körningar, varje består av 13 studier. 13 rimmad och 13 icke-rimmade prövningar presenterades slumpmässigt. Varje rättegång varade 3 s; 1 s per ord med 1 s ISI. Ryckte presentation av viloperioder mellan prövningar, som varade 8-17 s. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
3D-positionsdata och experimentell design data kombinerades med fNIRS tidsserieuppgifter (figur 5) för analys för att kartlägga experiment-relaterade betydande neural aktivering mönster på en standard hjärnan mall (figur 6). Representativa fristående data och resultaten visas i figur 5 och figur 6.
Figur 5. Representativa tidsserier uppgifter från en fNIRS kanal. (A) tidsserier rådata motsvarande hela aktiviteten längd (rhyme dom uppgift; första körningen), inte normaliserats. (B) filtreras tidsserier data med wavelet detrending. Rimmad och icke-rimmade prövningar indikeras med fast och streckade rutan-bil, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Detta ämne visade större aktivering i den vänstra hjärnhalvan Superior Temporal Gyrus (STG) under rimmad prövningar jämfört med resten (baseline fixering cross). I genomsnitt HbO och HbR Svaren för rimmad prövningar visar en kanonisk hemodynamiska responsen: ökande HbO koncentrationer och motsvarande minskar HbR koncentrationer efter stimulans presentation.
Figur 6. Representativa fristående resultat. (A), större aktivering observeras för rimmad prövningar jämfört med baseline (fixering kors) i den vänstra hjärnhalvan, överliggande den bakre delen av superior temporal gyrus (STG). Bilden genereras under NIRS resultat steg använder NIRS-SPM15,19,25. (B) i genomsnitt evenemangsrelaterade vågformer för HbO (röd) och HbR (blå) under rimmad prövningar (rimmade ord par stimuli). Bilden genereras med hjälp av Xu Cui's plot funktionen medel26. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Fristående resultat skiljde sig mellan deltagarna (se figur 7). Denna individuella variationen kan återspegla underliggande funktionella skillnader eller utvecklingsmässiga skillnader i organisationen av specifika hjärnans nätverk. Exempelvis omfattas 1 visade större aktivering i regionen vänster sämre frontal gyrus under icke-rimmade kontra rimmade prövningar; medan föremål 2 visade större aktivering i regionen vänster STG under samma experimentella kontrast (icke-rimmade kontra rimmad prövningar).
Figur 7. Representativa fristående resultat från två olika deltagare för identiska kontrast. Större aktivering för icke-rimmade kontra rimmad prövningar i vänster hjärnhalva visas i både A och B. (A) ämnet 1 visade större aktivering i vänster sämre frontal gyrus. (B) ämnet 2 visade större aktivering vänster superior temporal gyrus. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta paper presenterat ett fält neuroimaging protokoll lämplig för resurssnål sammanhang på fjärrplatser. Den viktiga framsteg i detta fält neuroimaging protokoll är första gången möjligheten att studera hjärnans funktion och dess utveckling i understudied (eller aldrig-innan studerade) sammanhang. Kritiska steg i detta protokoll inkluderar resor med och ställa in ett mobilt laboratorium passar kvalitet datainsamling i tropiska klimat utan el eller tillgängliga faciliteter. Detta protokoll ger en generell guide att bilda starka partnerskap med lokala vetenskapliga, pedagogiska, och statliga institutioner, och vi belysa den ömsesidiga kunskapsöverföringen som uppstår när framgångsrika långsiktiga partnerskap bildas mellan lokala och besökande forskare. Riktlinjer för utvecklingen av kulturellt-lämpligt informerat samtycke förfaranden och testprotokoll diskuteras i syfte att införliva flera kulturella perspektiv i forskningsmetoder. Slutligen ger detta protokoll detaljerade steg för fältet datainsamling och dataanalys.
Lokala vetenskap engagemang och möjligheter för kapacitetsuppbyggnad:
En av de viktigaste utmaningarna som lokala, särskilt junior, forskare i Elfenbenskusten ställs inför när de slutför sina studier är avsaknaden av möjlighet för praktisk erfarenhet med erfarna forskare mentorer eller internationella kollaboratörer. För detta ändamål bör forskare göra alla ansträngningar för att upprätta ett robust samarbete med lokala forskare från relevanta disciplinära bakgrunder och inkluderar praktikanter på alla nivåer (grundutbildning, forskarutbildning, postdoc). Praktikanter kan utnyttja de insikter som vunnits från denna erfarenhet att arbeta självständigt och ytterligare forskning. Denna erfarenhet kan också vara en språngbräda till bygga upp sin kapacitet som forskare och utveckla sin konkurrenskraft på internationell nivå skriftligen forskningsförslag och papper och ansöker om bidrag. En forskargrupp som exklusive lokala forskare kan ha en lägre chans att lyckas som lokala forskare bäst känner till de lokala sociala och kulturella värden och system, de lokala språken talas förutom de geografiska kunskapen om området. Deras bidrag är därför extremt viktigt förstå de lokala verkligheterna och utforma kulturellt-lämpligt protokoll för framgångsrika forskningsprojekten.
Kulturellt lämpliga forskningsmetoder:
Utvecklingen av informerat samtycke protokoll att bedriva forskning i landsbygden inställningar specifikt i Elfenbenskusten är kritisk och misslyckandet med att anta den lämpliga metoden kan hämma ett framgångsrikt genomförande av forskningen som trots välmenande och vetenskapligt robust27,28,29,30,31. Generellt i landsbygden inställningar i Elfenbenskusten, kan frågar en bybo att läsa ett medgivande och underteckna det bryta något förtroende mellan forskaren och deltagaren. I själva verket kan upplevda formaliteten i proceduren Skapa ett psykologiskt avstånd och en känsla av otrygghet i deltagarens sinne. Detta kan resultera i en klar eller outtalade ovilja att samarbeta. Denna attityd kan förklaras av många faktorer inklusive en lång historia av muntlig tradition där kommunikation är mer muntligt än skriftligt och hög analfabetism som kan hittas i målet samhällen. Samhällen på landsbygden inställningar lita på deras chef och lita på hans beslutsfattande makt. Därför omfattar det protokollet som presenteras samtycke av chefen av byn på gemenskapsnivå. Detta är utan tvekan mer kulturellt viktigare än enskilda samtycke. Dessutom deltagare och community-medlemmar kan ha haft begränsad eller ingen exponering till neuroradiologisk teknik eller datorer. Forskare måste därför beakta att den PIC-förfarandet och instruktioner kan missförstås. Funktionen av det fNIRS systemet bör meddelas i lekmanna termer och lämpligt språk lättförståelig av barn deltagare och medlemmar som kan ha haft mycket begränsad exponering till teknik. Dessa överväganden kan starkt påverka komfort och förtroende av alla community-medlemmar som är involverade i ett fält neuroimaging forskningsprojekt.
Det protokoll som presenteras här betonade också vikten av att dela forskningsresultat med community-medlemmar och regeringen partners. Partnerskapen bygger på fortsatt dialog stöd i den slutliga översättningen av forskningsresultat till politik. Det är absolut nödvändigt att ordna post datafält samlingen besök för att sprida forskningsresultat och leverera rapporter och, eventuellt, dela några verktyg som resulterade från studien (t.ex. bedömningar på lokala språk). Deltagande samhällen på landsbygden inställningar kan aldrig annars får information om studien avslutad och resultaten med tanke på avsaknad av internet-tjänst och/eller datorer. Jämväl, forskare i landet kan ha begränsad tillgång till akademisk tidskrift abonnemang och dålig internet-anslutning på regionala universiteten. Publicerade resultat bör delas i en regionala forum, och görs tillgängliga i ett tillgängligt språk.
Begränsningar och potentiella utmaningar:
Detta fältet neuroimaging protokoll bör ändras för att passa de planera data collection platserna. Det protokoll som presenteras här har utvecklats för forskning med grundskola åldern barn i landsbygdens Elfenbenskusten. De metoder som beskrivs här kan dock inte vara lämplig, särskilt med avseende på informerat samtycke förfaranden, i andra länder eller även andra regioner i Elfenbenskusten. Forskare som syftar till att genomföra fältet neuroimaging måste först noggrant forskning lokala sedvänjor och införliva lokala perspektiv studiedesign. Därför måste en forskargrupp som arbetar på studiedesigner omfatta medlemmar från de lokala kulturella grupperna.
Fältet neuroimaging har begränsning i jämförelse med laborativa metoder. Ännu viktigare, minskas kontroll av testmiljön avsevärt i fältet. Fältet neuroimaging forskare bör planera utökade data collection resor. Tropiskt regnar, risk att smittas av tropiska sjukdomar, civila slår och politiska oroligheter kan märkbart påverka forskningsplaner. Forskare måste säkerställa säkerhetsnivåer i regionen är tillräckliga och övervaka uppdateringar till alla situationer som kan påverka säkerhetsnivåer. Kontinuerlig kommunikation mellan gruppmedlemmar, särskilt med avseende på säkerhetsnivåer, kan minska potentiella risker.
Framtida tillämpningar och betydelse för befintliga metoder:
Användningen av detta fält neuroimaging metod kan tillämpas på utvärdering av tidiga risk om spädbarns och barns utveckling i global hälsa inställningar. Forskare har börjat använda denna metod för att studera barns utveckling i landsbygdens Gambia och en stads slum i Bangladesh32. I en urban slumområde i Dhaka använder forskare fNIRS för att undersöka hur faktorer såsom kost och sanitet bidrar till tillväxt och hjärnans utveckling33. I landsbygdens Gambia, har forskare använt fNIRS att studera kognitiva funktion hos spädbarn, och har visat att fNIRS är en livskraftig avbildningsverktyg i resursfattiga inställningar34,35. Sådant arbete lovar att avslöja nya insikter i utvecklingen av barn i utvecklingsländerna, som drabbas oproportionerligt av undernäring och dålig sanitet. Bärbar neuroradiologisk teknik fortsätter att bli mer tillgängliga och tillämpliga för forskning i resurssnål miljöer, vilket belyser behovet av rigorösa metoder för fältet neuroimaging.
Slutsats:
Bärbar neuroimaging system med kapacitet att funktionen på batteri-levererade strömmen har nyligen blivit tillgängliga. Dessa tekniker är relativt ny, ger förskott till batterisystem ständiga förbättringar. Olika samhällen av internationella forskare utveckla forskningsprogram använder dessa verktyg kommer att utan tvekan optimera mobila laboratorium inställningar för att ge ökad kontroll av testmiljön. Meningsfulla förlovning mellan internationella och lokala forskare och lokala samhällen kan säkerställa att medlemmar i studien populationer har aktiva roller i utvecklingen av forskningsprogram och föreställer intresserar av sina samhällen. Endast sådana samarbetsinriktad och integrerad forskarlag skulle vara väl positionerat för att tillämpa fältet neuroradiologiska metoder för att studera alla mänskliga hjärnans utveckling och avslöja både teoretiskt och praktiskt-relevant information som syftar till att förstå mest brådskande barn utvecklingsfrågor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Denna forskning möjliggjordes genom Jacobs Foundation tidiga karriär stipendiet till K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). Författarna vill även uppmärksamma Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga och Yvette Foto för deras hjälp i datainsamling och fältet support. Speciellt tack till de familjer och barn i Moapé, Ananguié, Affery och Becouefin för deras deltagande i detta forskningsprogram och byarna varm gästfrihet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| LIGHTNIRS Main Unit Pack 120V | Shimadzu | 292-34000-42 | Component of the fNIRS system |
| HOLDER ASSY, ALL- CAP | Shimadzu | 594-07618-01 | Component of the fNIRS system |
| LIGHTNIRS connection cable | Shimadzu | 567-10976-11 | fNIRS system component |
| Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets) | Shimadzu | 567-11350-01 | fNIRS system component |
| Dell Latitude Laptop | Shimadzu (from Dell) | 220-97322-00 | Master computer to run fNIRS applications |
| PATRIOT SEU (System Electronics Unit) | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT System component |
| Power Supply | POLHEMUS | 2C0809 | PATRIOT System component |
| Power Supply cord | POLHEMUS | 17500B-BLK | PATRIOT System component |
| RS-232 null modem cable | POLHEMUS | 1C0288 | PATRIOT System component |
| USB cable | POLHEMUS | 1C0289 | PATRIOT System component |
| RX2 Sensor 10' cable | POLHEMUS | 4A0492-20 | PATRIOT System component |
| TX2 Source 10' cable | POLHEMUS | 4A0506-20 | PATRIOT System component |
References
- 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. , School of Public Health and Tropical Medicine. (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 (0), 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. , Honolulu Hawaii. (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).
- Cui, X. Handy programs to visualize NIRS data (6): plotAverage. , Available from: http://www.alivelearn.net/?p=1533 (2013).
- 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. , Nature Publishing Group. (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).
