Neuroscience

Neuroimaging veld methoden met behulp van functionele in de buurt van infrarood spectroscopie (NIRS) Neuroimaging te bestuderen van Global Child Development: landelijke sub-Sahara Afrika

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/57165

¹Linguistics and Cognitive Science Department, University of Delaware, ²Haskins Laboratories, ³Centre de Recherche et d'Action pour la Paix

Summary

Draagbare neuroimaging benaderingen (functionele in de buurt van infraroodspectroscopie) verstrekken voorschotten aan de studie van de hersenen in eerder ontoegankelijke gebieden; hier, landelijke Ivoorkust. Innovatie in methoden en ontwikkeling van neuroimaging cultureel aangepaste protocollen toestaat nieuwe studie van de ontwikkeling van de hersenen en kinderen van leerresultaten in omgevingen met aanzienlijke armoede en tegenspoed.

Abstract

Draagbare neuroimaging benaderingen bieden nieuwe voorschotten aan de studie van hersenfunctie en ontwikkeling van de hersenen met een bevolking die eerder ontoegankelijk en op externe locaties. Deze paper toont de ontwikkeling van veld, functionele beeldvorming-in de buurt van infraroodspectroscopie (fNIRS) aan de studie van kind taal, lezen, en cognitieve ontwikkeling in een landelijk dorp instelling van Ivoorkust. Innovatie in de methodes en de ontwikkeling van cultureel passend neuroimaging protocollen toestaan een eerste blik in de ontwikkeling van de hersenen en kinderen van leerresultaten in understudied omgevingen. Deze paper toont protocollen voor het vervoer en opzetten van een mobiel laboratorium, overwegingen voor veld versus laboratorium neuroimaging bespreekt en presenteert een gids voor de ontwikkeling van neuroimaging toestemming procedures en zinvolle gebouw op lange termijn samenwerkingen met lokale partners van de regering en de wetenschap. Draagbare neuroimaging methoden kunnen worden gebruikt om studiecontexten complexe kind ontwikkeling, inclusief de invloed van aanzienlijke armoede en tegenspoed op de hersenontwikkeling. Het protocol hier gepresenteerd is ontwikkeld voor gebruik in Ivoorkust,'s werelds belangrijkste bron van cacao, en waar rapporten van kind arbeid in de cacaosector zijn gemeenschappelijk. Nog, er is weinig bekend over de gevolgen van kinderarbeid op de ontwikkeling van de hersenen en leren. Veld neuroimaging methoden hebben het potentieel om het opleveren van nieuwe inzichten in deze dringende kwesties, en de ontwikkeling van kinderen wereldwijd.

Introduction

Draagbare fNIRS imaging biedt u de mogelijkheid te bestuderen van de hersenfunctie en ontwikkeling buiten het laboratorium, in eerder ontoegankelijk instellingen of met understudied populaties. Veel van de kennis in het domein van de cognitieve neurowetenschappen komt uit imaging onderzoeken in universiteit of ziekenhuis laboratorium instellingen in voornamelijk westerse landen. Door ontwerp, dit draagt bij aan een probleem zelden-gesproken-of in het onderzoek: veel van wat is bekend over de hersenen is gebaseerd op studies met deelnemers voor wie laboratorium instellingen in (meestal) de landen van de westelijke toegankelijk zijn. Dat wil zeggen omvat de meeste neuroimaging onderzoek deelnemers die wonen in de nabijheid van de redelijke naar een laboratorium neuroimaging en heb de tijd en de middelen die nodig zijn om deel te nemen in een studie. Als een discipline, cognitieve neurowetenschappen is gericht op het begrijpen van de hersenen en de factoren die de ontwikkeling vorm — waaronder de krachtige effecten van de woonomgeving van het kind en het hun vroege-leven ervaringen¹^,²^,³. Methoden die verder van het veld capaciteit te bestuderen van de ontwikkeling in een vollediger bereik van de menselijke ervaring kunnen dramatisch het begrip van de complexe relatie tussen de ontwikkeling van de hersenen en de levenservaringen die vorm het verder.

Dit document stelt een protocol voor het veld neuroimaging, die werd ontwikkeld voor gebruik in landelijke sub-Sahara Afrika, specifiek zuidelijke Côte d'Ivoire. Het doel van dit onderzoeksprogramma van veld neuroimaging was om te begrijpen van de ontwikkeling van kinderen lezen in een omgeving met een hoog risico van analfabetisme. Ivoorkust van bedraagt jongeren (15-24 jaar) geletterdheid 53%, ondanks 93% lagere school inschrijving tarieven⁴. Ivoorkust is's werelds belangrijkste bron van cacao, en er zijn naar schatting 1.3 miljoen arbeiders van het kind in de cacao agrarische sector-⁵. Nog, er is weinig bekend over de gevolgen van kinderarbeid op ontwikkeling van de hersenen en leren, speciaal leren lezen. Toepassing van de meest recente hulpprogramma's cognitive Neuroscience, d.w.z., draagbare neuroimaging methoden, kan waardevolle inzichten in Kinder leerresultaten opleveren. Veld neuroimaging met fNIRS kunnen bijvoorbeeld de identificatie van neurologische periodes gedurende welke gericht educatieve programma's of interventies maximale gevolgen kunnen hebben voor kinderen leerresultaten.

fNIRS neuroimaging is goed geschikt voor veldonderzoek. Gelijkaardig aan functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), fNIRS meet⁶hemodynamische reactie van de hersenen. Echter fNIRS maakt gebruik van een reeks van licht dat optodes en licht detectoren in plaats van het genereren van elektromagnetische velden. Er zijn geen beperkingen op metaal in of dichtbij de testen gebied, en geen elektrische afscherming nodig is, zoals in het geval voor elektro-encefalografie (EEG). Een belangrijk voordeel van fNIRS is zijn draagbaarheid (dat wil zeggen, sommige systemen in een koffer passen kunnen) en gebruiksgemak. fNIRS is ook makkelijk te gebruiken met kinderen; het kind zit comfortabel in een stoel tijdens het experiment en het fNIRS systeem tolereert beweging goed ten opzichte van fMRI. Vergeleken met fMRI, fNIRS biedt ook afzonderlijke maatregelen van gedeoxygeneerd (HbR) en zuurstofrijk hemoglobine (HbO) tijdens het opnemen, in vergelijking met fMRI die een gecombineerde bloed zuurstof niveau dichtheid (BOLD) maatregel levert. fNIRS heeft superieure temporele resolutie aan fMRI: bemonsteringsfrequentie kan variëren tussen ~ 7-15 Hz. fNIRS heeft goede ruimtelijke resolutie: de fNIRS diepte van opname in de menselijke cortex is minder dan fMRI, meten van ongeveer 3 tot 4 cm diepte, die goed geschikt voor de studie is corticale functies, vooral met baby's en kinderen hebben een dunnere schedels dan volwassenen³^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰.

Dit veld neuroimaging protocol schetst overwegingen voor reizen met en het opzetten van een draagbare neuroimaging laboratorium in lage-resource contexten. Het protocol heeft ook gewezen op het essentiële karakter van betekenisvolle en langdurige samenwerkingen met lokale wetenschap partners en manieren waarop deze benadering dient om de capaciteitsopbouw van de lokale wetenschap. Het neuroimaging protocol voor het verzamelen en analyseren van fNIRS gegevens van de hersenen van een batterij van taal, lezen en cognitieve taken, wordt aangetoond met inbegrip van aanbevelingen voor het maken van cultureel passend geïnformeerde toestemming procedures voor imaging-onderzoek. Terwijl dit protocol is bedoeld voor onderzoek van de cognitieve ontwikkeling met basisschool leeftijd kinderen in landelijke Ivoorkust, het protocol is zeer relevant voor elk veld neuroimaging studie in uitdagende, lage-resource omgevingen, en kan worden aangepast voor roman contexten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle methoden die hier worden beschreven zijn goedgekeurd door de institutionele Review Board (IRB) van de Universiteit van Delaware.

1. mobiel laboratorium vervoer en Setup

Reizen met de fNIRS apparatuur
1. FNIRS van transportmiddelen.
  Opmerking: fNIRS apparatuur kan worden vervoerd als gecontroleerd-bagage op een grote internationale luchtvaartmaatschappij, maar het is absoluut noodzakelijk om te bevestigen met de bepaalde luchtvaartmaatschappij. Beperkingen van de apparatuur kunnen variëren per land van oorsprong of bestemming. U kunt ook kan fNIRS apparatuur worden verzonden.
2. Kent de procedures voor het importeren of reizen met fNIRS apparatuur voor het land van bestemming, en indien van toepassing, krijgen juiste import goedkeuring documentatie.
3. Voorbereiding van inspecties.
  Opmerking: Autoriteiten (bijvoorbeeld Transportation Security Administration) behouden zich het recht op inzage van de ingecheckte bagage. Kwetsbare fNIRS glasvezel mogelijk beschadigd tijdens inspecties. Zorgen voor adequate documentatie ter begeleiding van alle apparatuur.
Essentiële laboratoriumapparatuur in het veld
1. Voorbereiden op klimatologische omstandigheden in het veld.
  Opmerking: Voorwaarden van temperatuur en vochtigheid in het veld kunnen aanzienlijk variëren van laboratorium instelling en functie van de apparatuur en lange levensduur, evenals deelnemer comfort tijdens experimenten kunnen beïnvloeden. Elektronica die in hoge vochtigheid voorwaarden, over het algemeen zijn boven 60%, meer vatbaar voor corrosie als vocht kan op delen vestigen en met metalen onderdelen reageren. Luchtvochtigheid in een overdekt lab (bijvoorbeeld in een universiteitsgebouw) zijn over het algemeen tussen de 30-50%. Vochtigheid in de zuidelijke Côte d'Ivoire kunnen 80-95%. Instellen van een draagbare airconditioning unit met laag vermogen eisen.
2. Zorgen voor voldoende voeding. Aangezien elektrische voeding mogelijk niet beschikbaar op het platteland, of alleen met tussenpozen of met onvoldoende vermogen kan functioneren, formaat gebruik draagbare zonne-generatoren aan de macht van kleine tot middelgrote elektronica. Ter beschikking van een diesel aggregaat als reservemacht. Dienst van een lokale elektricien die vertrouwd met elektrische voeding uitdagingen in landelijke contexten is.
3. Voorbereiding van een geschikt laboratorium structuur met minimale setup tijd zoals een grote aangepaste tent met ondoorzichtig en waterdicht dak en muren.
  Opmerking: Voorzieningen (bijvoorbeeld klas op lokale school) zijn waarschijnlijk beschikbaar zijn, of waterdicht en rustige ruimte testen.
Instellen van de draagbare laboratorium (Figuur 1)
1. Monteer de mobiel laboratorium (bijvoorbeeld aangepaste tent). Zorgen dat het laboratorium groot genoeg is voor zitplaatsen voor de deelnemer aan een bureau, zitje voor twee onderzoekers, stimulans presentatie computer, fNIRS gegevens collectie computer, draagbare eenheid fNIRS, driedimensionale (3D) digitizer en portable airconditioner.

Figuur 1. Schema. (A) schema van laboratorium setup. (B) opstellen van de deelnemer voor gegevensverzameling. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

2. plaatselijke onderzoeksteams en Science Partners

Investeren in de vorming van wetenschappelijke samenwerkingen en kansen binnen het kaderprogramma voor onderzoek aan lokale onderzoekers.
Partnerschap met plaatselijke wetenschappelijke instellingen met het oog op inclusivity opzetten. Verkrijgen van de erkenning van collega's op lokaal niveau is belangrijk om te communiceren uiteindelijke onderzoek vinden in de regio.
Relevante plaatselijke autoriteiten te raadplegen alvorens om het even welk onderzoeksactiviteiten te ontvangen vergunning en licentie om te opereren. Vertrouwd met ethische beroepsprocedures in het doelland en passende accommodaties maken als geen formele wetenschappelijke toetsingsprocedure aanwezig is.
Opmerking: bijvoorbeeld, directe communicatie met en goedkeuring van de vertegenwoordigers in het ministerie van hoger onderwijs en onderzoek (of vergelijkbare overheidsorgaan) kunnen worden gedaan in plaats van een ethische evaluatieprocedure.

3. geïnformeerde toestemming en instemming van het kind

Ontwikkelen van een vergunningsprocedure die cultureel passend is en zorgt ervoor dat de deelnemers, hun families en Gemeenschappen worden geïnformeerd over onderzoek en hun beslissing om te participeren in de studie.
Bekijk lokale douane en geschiedenis in typische protocol ontwikkeling en zijn leden van de groep waarmee onderzoek moet worden uitgevoerd.
1. Zorg ervoor dat een duidelijke toestemming te verkrijgen van lokale leader(s) (bijvoorbeeld dorp chief, Gemeenschap oudsten, enz.) voordat u verdergaat met onderzoek.
  Opmerking: Dit kan worden uitgedrukt door een voorouderlijke benediction of op enige andere wijze die typerend is voor de Gemeenschap. Na toestemming van de chief dorp, kan culturele gewoontes omvatten het gieten van wijn op de aarde en vraagt de voorouders goed te keuren en zegenen van de onderzoeksactiviteiten.
Op een formeler niveau, proberen de toestemming van de ouder en opvoeder groepen die verantwoordelijk zijn voor het besluit inzake een children's deelname aan schoolactiviteiten goedgekeurd. Bijvoorbeeld, de ouder-leerkracht Groep ('Comité de Gestion d'Ecoles - COGES' in Ivoorkust) is een belangrijke stakeholder in de nationale primaire educatieve systeem dat bestaat uit de leden benoemd door de ouders van de student te verdedigen van hun belangen in de besluitvorming en in alle andere aspecten in verband met de opvoeding van hun kinderen.
Goedkeuren van alle onderzoeksactiviteiten door plaatselijke autoriteiten, bijvoorbeeld het Ivoriaanse ministerie van onderwijs of het ministerie van hoger onderwijs en onderzoek. Het land dat het project vindt plaats in wellicht niet een formele procedure voor ethische goedkeuring door een IRB. Controleer regelgeving om ervoor te zorgen dat de juiste protocollen voor het verkrijgen van ethische goedkeuring voor onderzoek worden gevolgd.
Opmerking: Op het moment van goedkeuring, Ivoorkust beschikte niet over een formele IRB beoordelingsproces. In plaats van dit ging het onderzoeksteam door het opstellen van documentatie verwant aan een toepassing van de IRB te leggen aan het ministerie van onderwijs. Meerdere vergaderingen werden georganiseerd met het ministerie van onderwijs, ministerie van hoger onderwijs, en onderzoek ambtenaren waar het onderzoeksteam het voorgestelde onderzoek presenteerde plan om alle ambtenaren, gevolgd door groepsdiscussie en vraag en antwoord sessies. Ethische goedkeuring was verkregen vanuit het ministerie van onderwijs in de vorm van een ondertekend document waarbij machtiging wordt verleend aan het onderzoek met kinderen op specifieke scholen. Deze studie ethische goedkeuring gekregen van de Universiteit van Delaware IRB.
Het doel van het onderzoek in eenvoudige woorden aan deelnemende kinderen in een instemmingsprocedure kind uitleggen. De lokale gemeenschap kan waarderen van een kind gehoorzaamheid, in die geval een kind te nemen of te blijven deelnemen aan een studie ondanks hun onwil om te doen vanwege de culturele verwachtingen kan instemmen. Zorg ervoor dat de instemmingsprocedure zorgvuldig vrijwillige deelname aan het onderzoek communiceert.
Bepaal duidelijk hoe het onderzoek de deelnemers zullen profiteren en als zij een vergoeding voor hun deelname aan het onderzoek ontvangen zal. Zorgen de compensatie geschikt zowel cultureel als voor de deelnemers.
Voeren van alle toestemming en instemming procedures in de taal van het lokale of voorkeur van de deelnemer door een opgeleide lid van het onderzoeksteam die ook lid is van de taal en de culturele groep.

4. de fNIRS de plaatsing van de hoofdhuid en meting

Hoofd metingen verzamelen
1. Direct van de deelnemer om te zitten op een stoel, en uitleggen van het proces naar verwachting tijdens hoofd meting.
2. Met behulp van een standaard meetlint, meet de afstanden tussen: (1) de nasion en inion rond het hoofd, (2) de nasion en inion over bovenkant van het hoofd door de middellijn centrale (Cz)¹¹, en (3) de afstand tussen de linker en rechter oor-tragus over de bovenkant van het hoofd door Cz.
Plaatsing van het GLB van de fNIRS en de optodes op de kop van de deelnemer ³ ^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹²
1. Plaats het GLB fNIRS optode houder aan de deelnemer hoofd, aanpassing van het GLB aan de internationale 10-20 systeem voor hoofdhuid locaties¹¹. Ervoor zorgen dat de positie van het GLB identiek voor alle deelnemers is. Hiermee lijnt u punten op het GLB (bijvoorbeeld sonde houder) met de standpunten van de hoofdhuid.
  Opmerking: Centreer bijvoorbeeld de voorzijde van het GLB op het hoofd naar de positie van de frontopolar (FP). Dit standpunt komt overeen met 10% van de nasion-inion over top afstand dorsale nasion standpunt.
2. Beveilig het GLB met een riem en zorgen dat de deelnemer is comfortabel.
3D digitizer meting
1. Zodra het GLB in positie, instrueren van de deelnemer is te zitten nog steeds in de positie voor het verkrijgen van een 3D digitizer meting van de sleutel 10-20 systeem hoofdhuid posities¹¹ en elke houder van de plaats optode.
2. Schik de 3D digitizer apparatuur. Plaats een sensor op de deelnemer het hoofd bij Cz en aangebrachte veilig (dat wil zeggen, met behulp van een elastische of haar accessoire), en de tweede blok sensor achter de deelnemer plaatst. Laat de deelnemer plaatsnemen in een stoel met hun rug naar een tabel. Plaats de tweede sensor op de tafel direct achter het hoofd van de deelnemer. Zorgen dat noch sensor beweging in de loop van het verkrijgen van de 3D digitizer meting.
3. Open de Brainstorm software¹³ op de computer van gegevens verzameling. Zorg ervoor dat het systeem van 3D digitizer is in de communicatie met de Brainstorm software via de juiste COM-poort.
4. Verplaats de 3D digitizer stylus naar elke locatie van de sonde en over de sleutel 10-20 systeem posities (nasion inion, linker oor, rechter oor, Cz). Op elke locatie, positiegegevens verkrijgen via de Brainstorm-functie op de computer van gegevens verzameling.
Plaatsen van licht emitterende optodes en detectoren op de hoofdhuid
1. Nadat de 3D digitizer gegevens zijn verzameld, rechtstreeks de deelnemer comfortabel zitten achter de computer van de presentatie stimulans.
2. Met behulp van de ingebouwde software van de fNIRS, de rangschikking van de sonde die correspondeert met de proefopzet te selecteren. fNIRS sondes kunnen geplaatst worden ter dekking van de gehele kop (dat wil zeggen, volledige hoofd dekking), of als alternatief, een matrix kan worden geplaatst over algemene gebieden van belang. Dit protocol gebruikt bijvoorbeeld een matrix van 10 x 3 sonde (30 sondes gerangschikt in 3 rijen van elk 10 sondes). Deze sonde regeling werd geplaatst om maximaal overlay linker hemisfeer taalgebieden en hun rechter hersenhelft homologen, evenals de frontale kwab (Figuur 2).
3. Ervoor zorgen dat elke sonde (emitter en detector) is genummerd en het nummeringssysteem correspondeert met de sonde regeling kaart.
4. De kaart van de optode in de fNIRS ingebouwde software als een gids, plaats met elke optode in de juiste optode te openen op het GLB. De kaart van de optode geeft de locatie van elke optode in de matrix (bijvoorbeeld 10 x 3).
5. Verplaats geen haar uit de weg om rechtstreeks contact tussen het uiteinde van de optode en de deelnemer de hoofdhuid.
6. Nadat alle optodes in positie zijn, controleren met behulp van de ingebouwde systeemsoftware fNIRS signaalkwaliteit.
7. Pas individuele sondes als dit nodig is, totdat voldoende signaalkwaliteit wordt bereikt. Zodra alle optodes signaal kwaliteitscontroles verstreken zijn, gaat u verder met experimentele taken.

5. experimentele taken

Het ontwerp van elke neuroimaging taak met het juiste aantal proeven en de voorwaarden in overeenstemming met de doelstellingen van het onderzoek. Begrijpen dat de neuroimaging taken afhankelijk van de doelstellingen van het onderzoek variëren zal. Bijvoorbeeld drie taken in dit protocol werden gebruikt: (1) een taal verwerking en lezen taak, (2) een taak van de arrest rijm en (3) een cognitieve flexibiliteit taak.
Opmerking: De procedure (en representatieve resultaten) van het rijm arrest taak worden gemarkeerd.
Lawaai-annulerende hoofdtelefoons op de deelnemer hoofd, bewust niet te bemoeien met de plaatsing van de sonde van de fNIRS plaatsen. Zorg ervoor dat de koptelefoon zal leveren auditieve toespraak prikkels aan de deelnemer, evenals een omringend lawaai te blokkeren.
Opmerking: Laboratoriumtests doorgaans vindt plaats in een goede verzwakte zaal. Veld laboratoriumtests voorziet niet in dezelfde mate van beheersing van geluidhinder en lawaai-annulerende hoofdtelefoons kunnen zorgen voor rustige testen voorwaarden voor alle deelnemers.
Instrueer de deelnemer om gezicht van de computermonitor en fixeren aan het Kruis in het midden van het scherm, en blijven nog tijdens het experiment. Presenteren alle experimentele taken op een computerscherm.
Rijm arrest taak
1. Instrueer de deelnemer om te luisteren naar de woordparen auditief aangeboden via de koptelefoon. Vraag de deelnemer om aan te geven of woordparen rijm of niet (bijvoorbeeld 'kat'-'hoed' of 'cat'-'log ') met een knop op het toetsenbord op drukken.
2. In dit voorbeeld wordt een gebeurtenis gebruiken gerelateerde ontwerp. Laat de deelnemers volledige 12 niet-rijmende en 12 rijmende proeven gescheiden door jittered tussen stimulus intervallen van tussen 8 en 17 s.
  Opmerking: Taken moeten worden gemaakt op een wijze die geschikt is voor de deelnemer. In de studie die hier verwezen, onderzochten de onderzoekers cognitieve, taal en lezen ontwikkeling bij kinderen die zeer slechte lezers waren. De lezing neuroimaging taak ontwikkeld met woorden die geschikt is voor een kind met minimale geletterdheid vaardigheden zou worden. Ook werden kinderen geselecteerd voor de neuroimaging paradigma gebaseerd op scores verkregen op een beoordeling van de lezing.
Dim de lichten en beginnen met het opnemen van de deelnemer op de ingebouwde videocamera.
FNIRS gegevens opnemen op de computer van de opdracht fNIRS beginnen, en taken op de computer van de stimulus presentatie beginnen.
Deelnemer prestaties gedurende alle taken controleren. Bieden pauzes tussen taken en loopt.
Ervoor zorgen dat triggering van de experimentele stimuli presentatie computer wordt ontvangen door de computer van de opdracht fNIRS.
Aan het einde van alle taken, stoppen met het verzamelen van gegevens voor video- en fNIRS.

6. na experimentele taak metingen

Elke optode uit het optode houder GLB verwijderen.
Direct zonder het verstoren van de positie van het GLB houder optode op de kop van de deelnemer, de deelnemer om te zitten in een positie te verkrijgen van een tweede meting van de 3D digitizer.
Herhaal de meting van de 3D digitizer zoals in de fNIRS de plaatsing van de hoofdhuid en meting sectie 4 om ervoor te zorgen dat eventuele verstoringen met betrekking tot de positie van de sonde hoofdhuid tijdens het experiment kunnen worden gedetecteerd door het vergelijken van de twee bestanden.
Verwijder de dop van de houder optode van hoofd van de deelnemer.
Aan het einde van het experiment, voorzien van deelnemers een klein cadeautje (bijvoorbeeld boeken en school supplies) en de bevestigingen van het onderzoeksteam voor hun deelname.

7. plan voor de verspreiding van gegevens

De onderzoeksresultaten delen met leden van de Gemeenschap en de bevoegde plaatselijke autoriteiten voor hun uiteindelijke traduction beleid de onderzochte aanpak.
Opmerking: Deelnemers kunnen niet rechtstreeks profiteren van het experiment.
Plannen maken voor follow-up bezoeken aan de deelnemende Gemeenschappen. Rapporten en hulpprogramma's waarmee lokale opvoeders kunt voorbereiden. Bijvoorbeeld, een beoordeling gemaakt in lokale talen moeten worden ter beschikking gesteld schoolambtenaren in de regio. De leden van het onderzoeksteam die de lokale taal om te voldoen aan de leiders van de Gemeenschap spreken te communiceren van de bevindingen van de studie voor te bereiden.
Plannen maken om studie bevindingen publiceren in regionale wetenschappelijke tijdschriften en in de taal van de regio, indien van toepassing. Bijvoorbeeld, is dat de bevindingen van de studie moeten worden verspreid in het Frans als onderzoek werd uitgevoerd in Franstalige landen.
Plannen maken om te voldoen aan en verslagen van de bevindingen van de studie te leveren aan de tak van de regering die erkend voor de research program.

8. de back-upgegevens

Ervoor zorgen dat de gegevens zijn geëxporteerd en back-up naar meerdere draagbare harde schijven, zoals toegang tot internet voor online gegevensopslag is waarschijnlijk niet beschikbaar. De gegevens overbrengen naar online gegevensopslag als voldoende internetverbinding beschikbaar is.

9. de gegevensanalyse

Opmerking: Er bestaan meerdere gegevens analyse packages voor fNIRS¹⁴. Statistische parametrische Mapping voor nabij-infrarood spectroscopie (NIRS-SPM)¹⁵ , Homer2¹⁶ (gebruikte), en de fNIRS toolbox ¹⁷^,¹⁸ (nieuwe en wint populariteit) worden gebruikt voor de analyse van de gegevens van de fNIRS. Dit protocol overzichten analysemethoden van gegevens met behulp van NIRS-SPM, maar het is aan het oordeel van de onderzoeker te selecteren van de geprefereerde methode voor analyse.

Analyseren van gegevens uit het systeem van de fNIRS met NIRS-SPM, versie 4¹⁵^,¹⁹. Deze toolbox voor de neuroimaging suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analyseert NIRS gegevens met een algemeen lineaire model gebaseerd analyse aanpak en voorziet in de oprichting van activering maps met super resolutie localisatie.
Gegevensconversie naar HbO en HbR
1. Gebruik de gemodificeerde vergelijking van Lambert-Beer (met NIRS-SPM) optische dichtheid waarden converteren naar concentratie veranderingen in HbO en HbR reactie.
Gegevens voorbewerken
1. Gebruik een van de meerdere opties die bestaan voor het voorbewerken van fNIRS gegevens.
  Opmerking: Huppert et al. ¹⁷ voorstellen zeer strenge methoden voor de verschillende bronnen van lawaai¹⁶. Deze omvatten eigenvector gebaseerde vermindering van beweging artefacten, bandpass filtertechnieken en eigenvector gebaseerde vermindering van ruimtelijke COVARIANTIE voor fysiologische inmenging in gegevens (bijvoorbeeld, ademhaling, bloeddruk, hartslag). Zij delen ook een grondige commentaar op bronnen van lawaai in fNIRS onderzoek en de gevolgen voor de statistische analyse. De fNIRS-onderzoeker moet onderzoeken pre-processing toepassingen die meest geschikt voor een bepaalde studie zijn. Hieronder een benadering vanuit de analyse gemodelleerd naar Worsely en Friston²⁰ en Jang et al. ¹⁹ wordt gepresenteerd.
2. Ontleden van veranderingen in het HbO en HbR concentraties een Wavelet-Minimum Description Length (MDL) detrending algoritme gebruikt om de wereldwijde trends als gevolg van ademhaling, bloeddruk variatie, vasomotion of deelnemer bewegingsartefacten en te verwijderen verbeteren van de signaal-/ ruisverhouding¹⁹.
3. Een low-pass filter met de vorm van de functie van hemodynamische reactie van toepassing op de gegevens en gebruik de Worsely en Friston²⁰ precoloring methode om te verwijderen van de temporele correlaties.
Model generatie en statistische analyse
1. Modellen voor HbO en HbR met experimentele regressors convolved met de overeenkomstige hemodynamische reactie-functie met tijd derivaten²¹genereren.
  Opmerking: De hemodynamische reactie-functie kan hebben grotere variabiliteit in hogere corticale gebieden en over deelnemers. Deze soorten variabiliteit kunnen worden ondergebracht in de analyse modellen door de HRF tot tijdelijke derivaten uit te vouwen. Gebruik een temporele derivaat tot model verschillen in de tijd om hemodynamische reactie²¹hoogtepunt te bereiken.
2. Gebruik NIRS-SPM om te creëren de modellen voor HbO en HbR met tegengestelde polariteit, zodat een aanzienlijke model geschikt voor HbO geeft aan verhoogde concentratie HbR afgenomen concentratie⁵^,¹⁸.
3. Instellen van experimenteel relevante t-test of F-test contrasten te testen voor het effect van één (of meerdere) regressors (gegeven de ontwerp-matrix) op de modulatie van de tijdreeksen van fNIRS.
Visualiseren van de resultaten
1. Uitvoeren van ruimtelijke registratie van NIRS kanalen aan de Montreal neurologische Instituut (MNI) ruimte met behulp van gegevens uit een 3D digitizer.
2. Geregistreerde fNIRS gegevens gebruiken om activering kaarten van HbO, HbR en totale hemoglobine (THb) op basis van het algemeen lineair model en Sun's buis formule correctie²²^,²³te maken.
3. Activering kaarten op een passende hersenen sjabloon laden. Bijvoorbeeld, biedt de recente Haskins Pediatric hersenen Atlas een gestandaardiseerde sjabloon voor kinderen tussen 6-12 jaar leeftijd²⁴.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Positiegegevens van de sonde verkregen door de 3D digitizer (Figuur 2) kunnen worden gevisualiseerd op een standaard hersenen sjabloon. Registreer fNIRS kanalen tot de MNI ruimte met NIRS-SPM zelfstandige registratie functie²⁵. De ruimtelijke registratie-functie genereert MNI coördinaten, anatomische labels en gebieden van Brodmann maximaal vertegenwoordigd door elk kanaal.

Figuur 2. Gegevensverzameling. (A) plaatsing van de dop van de fNIRS op het hoofd en de verzameling van gegevens over posities met behulp van de 3D digitizer van de deelnemer. (B) International 10-20 systeem gebruikt bij plaatsing van het GLB op de kop van de deelnemer. (C) ruimtelijke lokalisatie algoritme plotting x, y, z coördinaat gegevens over de MNI hersenen sjabloon. De afbeelding gegenereerd tijdens de zelfstandige NIRS registratie 3D digitizer gegevens met NIRS-SPM¹⁵^,¹⁹^,²⁵. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Positiegegevens van de sonde kan ook worden gevisualiseerd over cortex oppervlakte of anatomische MRI sjabloon Brainstorm softwarematig (Figuur 3).

Figuur 3. fNIRS sondes. fNIRS sondes gevisualiseerd op (A) de oppervlakte van de cortex en (B) de MNI anatomische MRI sjabloon. Verliet worden dorsale en juiste weergaven gepresenteerd. Afbeeldingen gegenereerd met behulp van Brainstorm software¹³. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Hier, representatieve gegevens uit de rijm arrest taak staan (Figuur 4). Deelnemers voltooid twee identieke-gestructureerde runs van deze taak. Elke serie bevat 13 proeven; rijm en niet-rijmende proeven werden willekeurig besteld.

Figuur 4. Taak ontwerp. Het rijmschema arrest taak wordt weergegeven. Deelnemers voortdurend bekeken een fixatie Kruis terwijl u periodiek luistert naar Franse rijmende of niet-rijmende woordparen. De taak is voltooid in twee runs, elk bestaat uit 13 proeven. 13 rijmende en 13 niet-rijmende proeven werden willekeurig gepresenteerd. Elk proces duurde 3 s; 1 s per woord met een 1 s ISI. Presentatie van de rusttijden tussen proeven, die duurde van 8-17 s. jittered Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De 3D positiegegevens en de proefopzet gegevens werden gecombineerd met fNIRS tijdreeksen gegevens (Figuur 5) p.a. om kaart experiment-gerelateerde aanzienlijke neurale activering patronen op een standaard hersenen sjabloon (Figuur 6). Representatieve één onderwerp gegevens en resultaten worden weergegeven in Figuur 5 en Figuur 6.

Figuur 5. Representatieve tijdreeksen gegevens uit één kanaal van fNIRS. (A) Raw-tijdreeksen gegevens overeenstemmen met de gehele taak lengte (rijm arrest taak; eerste run), niet genormaliseerd. (B) gefilterd tijdreeksen gegevens met behulp van wavelet detrending. Rijm en niet-rijmende proeven worden aangeduid met solide en onderbroken vak-auto, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Dit onderwerp bleek meer activering in de linker hemisfeer Superior temporele Gyrus (STG) tijdens rijmende trials vergeleken met rest (basislijn fixatie Kruis). Gemiddelde HbO en HbR Responsie voor rijmende proeven tonen een canonieke hemodynamische reactie: toenemende concentraties van HbO en overeenkomstige PM10 HbR na stimulans presentatie.

Figuur 6. Representatieve single-onderwerp resultaten. (A) meer activering wordt waargenomen voor proeven ten opzichte van de basislijn (fixatie Kruis) in de linker hemisfeer, rijmende bedekken het achterste gedeelte van de superieure temporele gyrus (STG). Afbeelding gegenereerd tijdens NIRS resultaten stappen met behulp van NIRS-SPM¹⁵^,¹⁹^,²⁵. (B) gemiddeld evenement-gerelateerde golfvormen voor HbO (rood) en HbR (blauw) tijdens rijmende proeven (rijmende woord paar prikkels). Afbeelding gegenereerd met behulp van Xu Cui van perceel functie gemiddelde²⁶. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Single-onderwerp resultaten verschilden tussen deelnemers (Zie Figuur 7). Deze individuele variatie kan duiden op onderliggende functionele verschillen of developmental verschillen in de organisatie van specifieke hersenen netwerken. Bijvoorbeeld subject 1 bleek meer activering in de linker inferieur frontale gyrus regio tijdens niet-rijmende versus rijmende proeven; Overwegende dat onderwerp 2 bleek meer activering in de linker STG regio tijdens het dezelfde experimentele contrast (niet-rijmende versus rijmende proeven).

Figuur 7. Representatieve single-onderwerp voortvloeit uit twee verschillende deelnemers voor identieke contrast. Meer activering voor niet-rijmende versus rijmende proeven in de linker hemisfeer wordt weergegeven in zowel A en B. (A) onderwerp 1 bleek meer activering in de linker inferieur frontale gyrus. (B) onderwerp 2 bleek meer activering de linker superieure temporele gyrus. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deze paper gepresenteerd een veld neuroimaging protocol geschikt voor lage-resource contexten op externe locaties. De belangrijkste vooruitgang van dit veld neuroimaging protocol is de eerst mogelijkheid te bestuderen van de hersenfunctie en haar ontwikkeling in understudied (of nooit-vóór studeerde) contexten. Kritische stappen in dit protocol opnemen met reizen en het opzetten van een mobiel laboratorium geschikt voor het verzamelen van de gegevens van de kwaliteit in tropische klimaten zonder elektriciteit of beschikbare faciliteiten. Dit protocol biedt een algemene handleiding tot de vorming van sterke partnerships met lokale wetenschappelijke, onderwijs- en overheidsinstellingen, en we benadrukken de wederzijdse kennisoverdracht dat zich voordoet wanneer de succesvolle lange-termijn partnerschappen worden gevormd tussen lokale en bezoekende wetenschappers. Richtsnoeren voor de ontwikkeling van cultureel aangepaste geïnformeerde toestemming procedures en testprotocollen worden besproken met het oog op de integratie van meerdere culturele perspectieven in onderzoeksmethoden. Tot slot, dit protocol voorziet in gedetailleerde stappen veld gegevensverzameling en gegevensanalyse.

Lokale wetenschap betrokkenheid en kansen voor capaciteitsopbouw:

Een van de belangrijkste uitdagingen waarmee lokale, met name junior, onderzoekers in Ivoorkust zijn als zij hun studie voltooid is het gebrek aan kansen voor van de hands-on onderzoekervaring met ervaren onderzoeker mentoren en/of internationale medewerkers. Voor dit doel, moeten onderzoekers alle inspanningen om een robuuste samenwerking met lokale onderzoekers uit relevante disciplinaire achtergronden, en bevatten stagiairs op alle niveaus (undergraduate, afgestudeerd, postdoctoraal). Stagiairs kunnen hefboomwerking de inzichten opgedaan uit deze ervaring om zelfstandig werken en verder onderzoek. Ook kan deze ervaring een opstapje naar hun capaciteiten als onderzoekers bouwen en ontwikkelen van hun concurrentiepositie op internationaal niveau in onderzoeksvoorstellen en papers schrijven en het aanvragen van subsidies. Een onderzoeksteam met uitzondering van lokale onderzoekers hebben soms een verminderde kans op succes lokale onderzoekers zullen best weten de lokale sociale en culturele waarden en systemen, de lokale talen naast de geografische kennis van het gebied. Hun bijdrage is daarom uiterst belangrijk in het begrip van de lokale realiteit en ontwerpen van cultureel aangepaste protocollen voor de succesvolle onderzoeksprojecten.

Cultureel aangepaste onderzoeksmethoden:

De ontwikkeling van geïnformeerde toestemming protocollen bij het onderzoek op het platteland specifiek in Ivoorkust is van cruciaal belang en niet de juiste aanpak kan remmen de succesvolle verwezenlijking van het onderzoek hoewel goedbedoeld en wetenschappelijk robuuste²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰^,³¹. In het algemeen, op het platteland in Ivoorkust, vraagt een dorpsbewoner om te lezen een toestemmingsformulier en ondertekenen kan breken alle vertrouwen opbouwen tussen de onderzoeker en de deelnemer. In feite, kunt de waargenomen formaliteit van deze procedure een psychologische afstand en een gevoel van onveiligheid in de geest van de deelnemer. Dit kan resulteren in een duidelijke of onuitgesproken onwil om samen te werken. Deze houding kan worden verklaard door vele factoren, met inbegrip van een lange geschiedenis van mondelinge traditie waarbij communicatie meer mondelinge is dan geschreven en de hoge tarieven van analfabetisme die worden in gemeenschappen van de doelgroep gevonden kan. Gemeenschappen op het platteland vertrouwen hun leider en vertrouwen op zijn beslissingsbevoegdheid. Daarom, in het protocol gepresenteerd is de toestemming van het hoofd van het dorp op communautair niveau. Dit is aantoonbaar meer cultureel belangrijk dan individuele toestemming. Bovendien, deelnemers en leden van de Gemeenschap kunnen hebben beperkte of geen blootstelling aan neuroimaging technologie of computers. Daarom moeten onderzoekers om rekening te houden dat de procedure van geïnformeerde toestemming, en instructies, kunnen worden begrepen. De functie van het fNIRS-systeem moet worden meegedeeld in leken termen en passende gemakkelijk te begrijpen taal deelnemers aan het kind en de leden van de Gemeenschap die zeer hebben kunnen beperkte blootstelling aan technologie. Deze overwegingen kunnen sterk beïnvloeden het comfort en het vertrouwen van alle leden van de Gemeenschap betrokken bij een onderzoeksproject van veld neuroimaging.

Het protocol gepresenteerd hier ook het belang onderstreept van onderzoeksresultaten delen met leden van de Gemeenschap en de regering partners. Partnerschappen gebouwd op steun van de voortzetting van de dialoog in de uiteindelijke vertaling van de bevindingen van het onderzoek in beleid. Het is noodzakelijk te regelen post collectie gegevensveld bezoeken om verspreiding van de onderzoeksresultaten en verslagen leveren en, eventueel, delen alle hulpprogramma's die het gevolg is van de studie (bijv . de evaluaties in lokale talen). Deelnemende gemeenschappen op het platteland kunnen nooit anders informatie ontvangen over voltooiing van de studie en de bevindingen gezien het gebrek aan internetservice en/of computers. Evenzo kunnen de onderzoekers in het land hebben beperkte toegang tot wetenschappelijk tijdschriftabonnementen en slechte internetconnectiviteit aan regionale universiteiten. Gepubliceerde resultaten moeten worden gedeeld in een regionaal forum, en in een toegankelijke taal ter beschikking gesteld.

Beperkingen en potentiële uitdagingen:

Dit veld neuroimaging protocol moet worden gewijzigd om aan te passen van de geplande data collectie sites. Het protocol hier gepresenteerd is ontwikkeld voor onderzoek met basisschool leeftijd kinderen in landelijke Ivoorkust. Echter, de hier geschetste methoden mogelijk niet geschikt, specifiek met betrekking tot de procedures van de geïnformeerde toestemming, in andere landen of zelfs andere regio's van Ivoorkust. Onderzoekers die streven naar het veld neuroimaging voeren moeten eerst zorgvuldig onderzoek lokale douane en nemen lokale perspectieven naar studie ontwerp. Daarom moet een onderzoeksteam bezig met studie ontwerpen leden van de lokale culturele groepen bevatten.

Veld neuroimaging heeft beperking in vergelijking met de laboratoriumtechnieken. Nog belangrijker is, is controle van de testomgeving aanzienlijk verminderd in het veld. Veld neuroimaging onderzoekers moeten uitgebreide gegevens collectie reizen plannen. Tropische regent, risico van tropische ziekten, civiele stakingen en politieke onrust kan beduidend beïnvloeden onderzoeksplannen. Onderzoekers moeten zorgen voor beveiligingsniveaus in de regio zijn voldoende en controleren op updates voor geen situaties zijn waardoor beveiligingsniveaus kunnen beïnvloeden. Continu communicatie tussen teamleden, specifiek met betrekking tot beveiligingsniveaus, kan potentiële risico's te verminderen.

Toekomstige toepassingen en relevantie voor bestaande methoden:

Het gebruik van dit veld neuroimaging methode kan worden toegepast bij de evaluatie van de impact van vroege risico op ontwikkeling van de baby en kind in de wereldgezondheid instellingen. Onderzoekers zijn begonnen met behulp van deze aanpak om de ontwikkeling van het kind in landelijke Gambia en een stedelijke sloppenwijk in Bangladesh³²te studeren. In een stedelijke sloppenwijk in Dhaka, zijn onderzoekers met behulp van fNIRS te onderzoeken hoe factoren, zoals voeding en hygiëne bijdragen aan groei en hersenen ontwikkeling³³. In landelijke Gambia, hebben onderzoekers maakten gebruik van fNIRS om te bestuderen van de cognitieve functie van zuigelingen, en hebben aangetoond dat fNIRS is een levensvatbare imaging tool in resource-poor settings³⁴^,³⁵. Dergelijk werk belooft te onthullen nieuwe inzichten in de ontwikkeling van kinderen in de ontwikkelingslanden, die onevenredig worden door ondervoeding en slechte sanitaire voorzieningen getroffen. Draagbare neuroimaging technologieën blijven tot meer toegankelijk en toepasbaar voor onderzoek in lage-resource omgevingen, aldus gewezen op de noodzaak voor strenge methods for veld neuroimaging.

Conclusie:

Draagbare neuroimaging systemen met de mogelijkheid om de functie op batterij geleverde vermogen zijn recent beschikbaar gekomen. Als deze technieken relatief nieuw zijn, zal voorschotten aan accu-systemen bieden voortdurende verbeteringen. Cultuurgemeenschappen van internationale wetenschappers ontwikkelen van onderzoeksprogramma's met behulp van deze hulpprogramma's zal ongetwijfeld optimaliseren voor mobiel laboratorium instellingen om te zorgen voor betere beheersing van de testomgeving. Zinvolle betrokkenheid tussen internationale en lokale wetenschappers en plaatselijke gemeenschappen kan ervoor zorgen dat de leden van de studie bevolking hebben een actieve rol in de ontwikkeling van onderzoeksprogramma's en vertegenwoordigen van de belangen van hun gemeenschappen. Alleen dergelijke samenwerking en geïntegreerde onderzoeksteams zou worden goed gepositioneerd veld neuroimaging methoden om te bestuderen van alle ontwikkeling van de menselijke hersenen toe te passen, en blijkt zowel theoretisch en praktisch-relevante informatie gericht op het begrijpen van de meeste dringende kind ontwikkelingsvraagstukken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door de Jacobs Stichting vroege carrière Fellowship aan K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). De auteurs wil Axel Blahoua, Fabrice Tanoh Ariane Amon, Brice Kanga en Yvette Foto erkennen voor hun hulp bij het verzamelen van gegevens en veld ondersteuning. Speciale dank aan de families en de kinderen van Moapé, Ananguié, Affery en Becouefin voor hun deelname aan dit onderzoeksprogramma en de dorpen warme gastvrijheid.

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