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Neuroscience

Méthodes de champ de la neuro-imagerie utilisation fonctionnelle près Neuroimaging spectroscopie infrarouge (NIRS) pour étudier le développement Global de l’enfant : zones rurales d’Afrique subsaharienne

Published: February 2, 2018 doi: 10.3791/57165
Automatic Translation
1,2, 3
1Linguistics and Cognitive Science Department, University of Delaware, 2Haskins Laboratories, 3Centre de Recherche et d'Action pour la Paix

Summary

Approches neuro-imagerie portables (fonctionnels près spectroscopie infrarouge) fournissent des avances à l’étude du cerveau dans des régions jusque-là inaccessibles ; ici, Côte d’Ivoire rurale. L’innovation dans les méthodes et le développement des protocoles de neuroimagerie adaptés permet de nouvelle étude de développement du cerveau et de résultats d’apprentissage des enfants dans des environnements avec l’adversité et significatif de la pauvreté.

Abstract

Les approches de neuro-imagerie portable offrent nouvelles avancées à l’étude du fonctionnement du cerveau et le développement du cerveau avec les populations jusque-là inaccessibles et dans des endroits éloignés. Ce document montre le développement de l’imagerie près spectroscopie infrarouge (fNIRS) fonctionnelle de domaine à l’étude des enfants langue, lecture et développement cognitif dans un village rural de la Côte d’Ivoire. L’innovation dans les méthodes et l’élaboration de protocoles de neuroimagerie adaptés permettent un regard de la première fois dans le développement du cerveau et des résultats d’apprentissage des enfants dans des environnements peu étudiées. Cet article montre les protocoles pour le transport et mise en place d’un laboratoire mobile, discute des considérations pour champ versus laboratoire neuro-imagerie, et présente un guide pour le développement neuro-imagerie consentir les procédures et le renforcement significatif à long terme collaborations avec des partenaires locaux de gouvernement et de la science. Méthodes portable de neuro-imagerie peuvent être utilisées pour étudier les contextes de développement enfant complexes, y compris l’impact significatif de la pauvreté et l’adversité sur le développement du cerveau. Le protocole présenté ici a été développé pour une utilisation en Côte d’Ivoire, la principale source mondiale de cacao, et où les rapports d’enfant travaillent dans le secteur du cacao sont fréquentes. Pourtant, on connaît mal l’impact du travail sur le développement du cerveau et l’apprentissage des enfants. Méthodes de neuro-imagerie de terrain ont le potentiel d’apporter de nouvelles connaissances sur ces questions urgentes et le développement des enfants dans le monde.

Introduction

Imagerie fNIRS portable offre la possibilité d’étudier le fonctionnement du cerveau et du développement à l’extérieur du laboratoire, dans les paramètres précédemment inaccessibles ou avec des populations peu étudiées. Une grande partie des connaissances dans le domaine des neurosciences cognitives vient d’imagerie des études menées dans des situations de laboratoire universitaire ou à l’hôpital, dans les pays majoritairement occidentaux. Par sa conception, ce qui contribue à un problème rarement parlé de recherche : une grande partie de ce que l'on connaît sur le cerveau repose sur des études avec les participants pour lesquels des paramètres de laboratoire dans les pays occidentaux (surtout) sont accessibles. Autrement dit, la plupart des recherches de neuro-imagerie implique des participants qui vivent à proximité raisonnable à un laboratoire de neuro-imagerie et ont le temps et les ressources nécessaires pour participer à une étude. En tant que discipline, la neuroscience cognitive vise à comprendre le cerveau et les facteurs qui façonnent son développement — y compris les puissants effets de l’environnement de l’enfant et leur début de vie expériences1,2,3. Méthodes favorisant la capacité du champ à étudier le développement dans une gamme plus complète de l’expérience humaine peuvent considérablement avancer la compréhension de la relation complexe entre le développement du cerveau et les expériences de vie qui la façonnent.

Cet article présente un protocole de terrain neuroimagerie, qui a été développé pour une utilisation en Afrique subsaharienne rurale, plus précisément du Sud Côte d’Ivoire. L’objectif de ce programme de recherche de neuro-imagerie de champ était de comprendre le développement de lecture des enfants dans un environnement avec un risque élevé d’analphabétisme. Taux d’alphabétisation des jeunes (15-24 ans) de la Côte d’Ivoire est de 53 %, malgré 93 % école primaire inscription taux4. Côte d’Ivoire est la principale source mondiale de cacao, et il y a un environ 1,3 millions enfants travailleurs dans le secteur agricole cacao5. Pourtant, on connaît mal l’impact du travail des enfants sur le développement du cerveau et l’apprentissage, spécifiquement, apprentissage de la lecture. Appliquer les outils les plus récents des neurosciences cognitives, c'est-à-dire les méthodes de neuro-imagerie portable, peut donner une compréhension valable des résultats d’apprentissage des enfants. Par exemple, neuro-imagerie de champ avec fNIRS peut permettre l’identification du développement neurologique des périodes au cours desquelles ciblée des programmes éducatifs ou des interventions peuvent avoir des impacts maximales sur les apprentissages des enfants.

fNIRS neuroimaging est adapté pour la recherche sur le terrain. Semblable à l’imagerie de résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), fNIRS mesure réponse hémodynamique6 du cerveau. Cependant, fNIRS utilise une série de lumière émettant des optodes et des détecteurs de lumière plutôt que de générer des champs électromagnétiques. Il n’y a aucune restriction sur le métal à ou près de la zone d’essai et aucun blindage électrique n’est nécessaire, comme c’est le cas pour l’électroencéphalographie (EEG). Un avantage majeur de fNIRS est sa portabilité (par exemple, certains systèmes peuvent tenir dans une valise) et la facilité d’utilisation. fNIRS est aussi facile à utiliser avec les enfants ; l’enfant est confortablement assis sur une chaise pendant l’expérience et le système fNIRS tolère mouvement bien par rapport à l’IRMf. En comparaison avec l’IRMf, fNIRS prévoit également des mesures distinctes de désoxygéné (HbR) et l’hémoglobine oxygénée (HbO) pendant l’enregistrement, par rapport à l’IRMf, ce qui donne une mesure de densité de niveaux (BOLD) combiné sang oxygène. fNIRS a une résolution temporelle supérieure d’IRMf : taux d’échantillonnage peuvent varier entre ~ 7-15 Hz. fNIRS a bonne résolution spatiale : profondeur de le fNIRS de l’enregistrement dans le cortex humain est inférieur à l’IRMf, mesurant environ 3 à 4 cm de profondeur, ce qui est bien adapté pour l’étude fonctions corticales, surtout avec les nourrissons et les enfants qui ont des crânes plus minces que les adultes3,7,8,9,10.

Ce protocole de neuro-imagerie du champ donne un aperçu des considérations pour voyager avec et mettre en place un laboratoire de neuro-imagerie portable dans des contextes de faibles ressources. Le protocole met également en évidence la nature essentielle des collaborations significatives, à long terme avec des partenaires scientifiques locaux et les moyens par lesquels cette approche sert à renforcer les capacités locales de science. Le protocole de neuro-imagerie et d’analyse des données de cerveau fNIRS par une batterie du langage, de lecture et de tâches cognitives, témoigne notamment des recommandations pour la création des procédures de consentement culturellement appropriées pour la recherche en imagerie. Alors que ce protocole est conçu pour la recherche sur le développement cognitif avec des enfants âgé de l’école primaire en milieu rural Côte d’Ivoire, le protocole est très important pour toute étude de neuro-imagerie de champ dans des environnements difficiles, pauvres en ressources et peut être adapté pour roman contextes.

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Protocol

Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvés par l’Institutional Review Board (IRB) de l’Université du Delaware.

1. installation et Transport de laboratoire mobile

  1. Voyager avec l’équipement de fNIRS
    1. Matériel de transport de fNIRS.
      Remarque : fNIRS équipement peut être transporté comme bagages vérifiés sur une grande compagnie aérienne internationale, mais il est impératif de confirmer auprès de la compagnie aérienne donnée. Des restrictions de matériel peuvent varier selon le pays d’origine ou de destination. Alternativement, fNIRS matériel peut être expédié.
    2. Connaître les procédures pour l’importation ou voyageant avec des équipements de fNIRS pour le pays de destination et le cas échéant, obtenir des documents d’homologation importation approprié.
    3. Se préparer pour les inspections.
      NOTE : Autorités (p. ex., Transportation Security Administration) réservent le droit d’inspecter les bagages. FNIRS fragiles fibres optiques peuvent être endommagés lors des inspections. Organiser la documentation appropriée accompagner tous les équipements.
  2. Matériel de laboratoire essentiels dans le domaine
    1. Préparer les conditions climatiques dans le domaine.
      Remarque : Dans le domaine des conditions de température et d’humidité peuvent varier considérablement de laboratoire et peuvent affecter la fonction de l’équipement et de longévité, ainsi que confort participant au cours de l’expérimentation. Électronique dans des conditions de forte humidité, généralement supérieur à 60 %, est plus sensibles à la corrosion comme l’excès d’humidité peut s’installer sur les pièces et réagissent avec les composants métalliques. Taux d’humidité dans un laboratoire intérieur (p. ex., à l’intérieur d’un bâtiment de l’Université) est généralement entre 30 et 50 %. Humidité dans le sud de la Côte d’Ivoire peut être de 80 à 95 %. Mettre en place une unité de conditionnement d’air portatifs avec exigences de faible puissance.
    2. Garantir une alimentation électrique adéquate. Étant donné que l’alimentation électrique ne soit pas disponible dans les zones rurales, ou peut fonctionner seulement par intermittence ou avec puissance insuffisante, utilisation des générateurs solaires portables au pouvoir les petites et moyennes taille électronique. Mettre à disposition un générateur diesel comme alimentation de secours. Embaucher un électricien local qui connaît des problèmes d’approvisionnement électrique dans des contextes ruraux.
    3. Préparez une structure de laboratoire approprié avec le temps minimal d’installation comme une grande tente sur mesure avec murs et toit opaque et imperméable à l’eau.
      NOTE : Installations (par exemple, la classe à l’école locale) ne devraient pas être disponible, ou fournissez imperméable à l’eau et calme espace de test.
  3. Mise en place du laboratoire portable (Figure 1)
    1. Assembler le laboratoire mobile (p. ex., tente sur mesure). S’assurer que le laboratoire est assez grand pour accueillir des sièges pour le participant à un bureau, un siège pour deux expérimentateurs, stimulus présentation l’ordinateur, fNIRS données collection, fNIRS portatif, en trois dimensions numériseur (3D) et portable conditionneur d’air.

Figure 1
Figure 1. Schémas. (A) schéma de l’installation du laboratoire. (B) préparer le participant pour la collecte de données. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. locaux de recherche équipes et partenaires de la Science

  1. Investir dans la formation des collaborations scientifiques et offrir des possibilités dans le cadre de la recherche à des chercheurs locaux.
  2. Établir un partenariat avec des institutions scientifiques locales aux fins de l’inclusivité. Il est important de communiquer éventuelle recherche trouver dans la région de gagne la reconnaissance de pairs à l’échelle locale.
  3. Consulter les autorités locales compétentes avant tout les activités de recevoir l’autorisation et licence pour l’exploitation de recherche. Se familiariser avec les procédures d’examen éthique du pays visé et prendre des mesures d’adaptation appropriées si aucune procédure formelle d’examen scientifique n’est en place.
    NOTE : par exemple, une communication directe avec et approbation des représentants dans le ministère de l’enseignement supérieur et recherche (ou organisme gouvernemental comparable) peut se faire au lieu d’une procédure d’examen éthique.

3. consentement éclairé et l’assentiment de l’enfant

  1. Élaborer une procédure de consentement qui est culturellement appropriées et veille à ce que les participants, leurs familles et communautés soient informées de leur décision de participer à l’étude et de recherche.
  2. Révision des coutumes locales et l’histoire dans l’élaboration du protocole typique et comprennent des membres du groupe avec lesquels la recherche doit être effectuée.
    1. Assurez-vous d’obtenir un consentement clair du ou des chefs les (p. ex., chef du village, notamment les aînés, etc.) avant de procéder à la recherche.
      Remarque : Ceci peut être exprimé par une bénédiction ancestrale ou par tout autre moyen typique pour la communauté. Après accord du chef du village, coutumes culturelles peuvent inclure la coulée du vin sur la terre et en demandant les ancêtres d’approuver et de bénir les activités de recherche.
  3. À un niveau plus formel, obtenir le consentement des groupes parent et éducateur, qui sont responsables de la prise de décision concernant la participation des enfants aux activités scolaires approuvés. Par exemple, le groupe de parents d’élèves (« Comité de Gestion d'Ecoles - COGES » en Côte d’Ivoire) est un acteur clé dans le système éducatif primaire national composé de membres nommés par les parents de l’élève pour défendre leurs intérêts dans le processus décisionnel et en tous les autres aspects liés à l’éducation de leurs enfants.
  4. Toutes les activités de recherche à approuver par les autorités locales, par exemple, le Ministère ivoirien de l’éducation ou le ministère de l’enseignement supérieur et la recherche. Le pays que le projet aura lieu en a peut-être pas une procédure formelle d’approbation éthique par le biais de l’IRB. Vérifier les règlements pour s’assurer que les protocoles correctes pour obtenir l’approbation éthique pour la recherche sont suivies.
    Remarque : Au moment de l’approbation, Côte d’Ivoire n’ont pas un IRB formelle du processus d’examen. Au lieu de cela, l’équipe de recherche a procédé de préparation de documentation s’apparente à une demande de la CISR à soumettre au ministère de l’éducation. Plusieurs réunions ont été organisées avec le ministère de l’éducation, ministère de l’enseignement supérieur, et responsables de recherche où l’équipe de recherche a présenté le projet de recherche plan à tous les fonctionnaires, suivis par le groupe de discussion et de questions et de sessions de réponse. Approbation éthique a été obtenue directement auprès du ministère de l’éducation sous la forme d’un document signé qui accorde l’autorisation d’effectuer des recherches avec des enfants dans des écoles spécifiques. Cette étude a reçu approbation déontologique de la CISR de l’Université du Delaware.
  5. Expliquer le but de la recherche dans des mots simples aux enfants participant à une procédure d’avis conforme enfant. La communauté locale peut-être apprécier hautement l’obéissance de l’enfant, dans lequel cas un enfant peut consentir à participer ou à continuer à participer à une étude en dépit de leur réticence à le faire en raison des attentes culturelles. Ce que la procédure d’avis conforme communique avec soin la participation volontaire à la recherche.
  6. Définir clairement comment la recherche bénéficiera aux participants et si ils recevront une indemnité pour leur participation à la recherche. S’assurer que la rémunération est appropriée, tant sur le plan culturel que pour les participants.
  7. Conduite tout consentement et avis conforme des procédures dans la langue locale ou privilégiée du participant par un membre qualifié de l’équipe de recherche qui est également membre du groupe culturel et linguistique.

4. fNIRS Placement du cuir chevelu et mesure

  1. Collecte de mesures de la tête
    1. Direct au participant de s’asseoir sur une chaise et expliquer le processus à prévoir pendant la mesure de la tête.
    2. À l’aide d’un ruban à mesurer standard, mesurer les distances entre : (1) le nasion et inion autour de la tête, (2) le nasion et inion sur le dessus de la tête par le biais de la ligne médiane centrale (Cz)11et (3) la distance entre le tragus de l’oreille gauche et droite sur le dessus du la tête à travers Cz.
  2. Placement du cap fNIRS et optodes sur la tête du participant 3 , 8 , 9 , 12
    1. Placez l’embout du fNIRS optode porte sur la tête du participant, en alignant le cap au système international 10-20 pour cuir chevelu emplacements11. Veiller à ce que la position du capot est identique pour tous les participants. Aligner les points sur la PAC (p. ex., titulaire de sonde) avec des positions du cuir chevelu.
      NOTE : par exemple, centrez le devant de la casquette sur la tête à la position frontopolar (FP). Cette position correspond à 10 % de la nasion-inion sur distance supérieure dorsale à la position du nasion.
    2. Fermer le capuchon avec un bracelet et s’assurer que le participant est confortable.
  3. Mesure de numériseur 3D
    1. Une fois le bouchon en place, demander au participant de s’asseoir en position pour obtenir une mesure de numériseur 3D de la clé 10-20 système cuir chevelu postes11 et chaque lieu optode.
    2. Organiser l’équipement numériseur 3D. Placez un le capteur sur le participant de tête à Cz et apposée solidement (c'est-à-dire, à l’aide d’un élastique ou cheveux accessoire) et placez le second capteur bloc derrière le participant. Laisser le participant s’asseoir sur une chaise avec le dos d’un tableau. Placez le second capteur sur la table juste derrière la tête du participant. Veiller à ce que ni capteur de déplacement au cours de l’obtention de la mesure de numériseur 3D.
    3. Ouvrez le logiciel de remue-méninges13 sur l’ordinateur de collecte de données. Assurez-vous que le système de numériseur 3D est en communication avec le logiciel de remue-méninges à travers le port COM approprié.
    4. Déplacez le stylet numériseur 3D à chaque emplacement de la sonde et à travers la clé de 10-20 postes de système (nasion, inion, oreille gauche, oreille droite, Cz). À chaque endroit, obtenir les données de position grâce à la fonction de remue-méninges sur l’ordinateur de collecte de données.
  4. Mise optodes émettant léger et détecteurs sur le cuir chevelu
    1. Une fois que le numériseur 3D sont collectées, demander au participant d’être confortablement assis devant l’ordinateur de présentation du stimulus.
    2. Le logiciel intégré fNIRS, sélectionnez la disposition de la sonde qui correspond à la conception de l’expérience. fNIRS sondes peuvent être placés pour couvrir la tête entière (c'est-à-dire tête une couverture complète), ou sinon, un tableau peut être placé au-dessus des régions générales d’intérêt. Par exemple, ce protocole utilisé un tableau de 10 x 3 sonde (30 sondes disposés en 3 rangées de 10 sondes de chaque). Cet arrangement de sonde a été placé pour superposer au maximum les zones linguistiques hémisphère gauche et leurs homologues de l’hémisphère droit, ainsi que le lobe frontal (Figure 2).
    3. S’assurer que chaque sonde (détecteur et émetteur) est numérotée et le système de numérotation correspond pour le plan d’arrangement de sonde.
    4. À l’aide de la carte optode dans le fNIRS logiciel intégré comme un guide, placez chaque optode dans l’optode appropriée d’ouverture sur la PAC. La carte optode indique l’emplacement de chaque optode dans le tableau (p. ex., 10 x 3).
    5. Déplacer les cheveux de la manière d’assurer un contact direct entre la pointe de l’optode et le cuir chevelu du participant.
    6. Une fois tous les optodes sont en position, vérifier la qualité du signal en utilisant le logiciel intégré du système fNIRS.
    7. Ajustez les sondes individuels si nécessaire jusqu'à ce que la qualité du signal suffisant est atteint. Une fois que les contrôles de qualité de signal des tous les optodes se sont écoulés, procéder à des tâches expérimentales.

5. experimental tâches

  1. Concevoir chaque tâche de neuro-imagerie avec le nombre approprié de conditions conforme aux objectifs de recherche et d’essais. Comprendre que les tâches de neuro-imagerie variera selon les objectifs de recherche. Par exemple, trois tâches ont été utilisés dans le présent protocole : (1) un langage de transformation et lecture tâche, (2) une tâche de jugement de rimes et (3) une tâche de flexibilité cognitive.
    Remarque : La procédure (et les résultats représentatifs) de la tâche de jugement de rimes sont mises en évidence.
  2. Placer casque anti-bruit sur la tête du participant, en étant conscient de ne pas s’ingérer à positionner la sonde fNIRS. S’assurer que le casque sera livrer des stimuli auditifs discours au participant, ainsi que bloquer les bruits ambiants.
    Remarque : Des essais en laboratoire en général se déroule dans une pièce sonore atténuée. Domaine des essais en laboratoire ne fournissent pas le même degré de contrôle du bruit, et casque antibruit peut assurer des conditions d’essai tranquilles pour tous les participants.
  3. Demander au participant de faire face à l’écran d’ordinateur et de se focaliser sur la croix au milieu de l’écran et de rester immobile durant l’expérience. Présenter toutes les tâches expérimentales sur un écran d’ordinateur.
  4. Tâche de jugement de rimes
    1. Demandez aux participants d’écouter les paires de mots présentés sur le plan phonétique avec des écouteurs. Demandez aux participants d’indiquer si les paires de mots rime ou pas (par exemple, « chat »-« chapeau » ou « chat »-« log ») avec un bouton Appuyez sur le clavier.
    2. Dans cet exemple, utilisez un événement concernant la conception. Laissez les participants complet 12 non-rimes et 12 essais rimes, séparés par des intervalles de relance inter de jittered d’entre 8 et 17 s.
      Remarque : Les tâches doivent être créés dans une manière qui convient pour le participant. Dans l’étude référencée ici, les chercheurs enquêtaient linguistique, cognitif et le développement de la lecture chez les enfants qui étaient très mauvais lecteurs. La lecture tâche de neuro-imagerie mis au point avec des mots qui seraient appropriés pour un enfant avec un minimum d’alphabétisation. Ainsi, les enfants ont été sélectionnés pour le paradigme de la neuro-imagerie basé sur les scores obtenus sur une évaluation de la lecture.
  5. Dim lights et commencer l’enregistrement du participant sur la caméra vidéo intégrée.
  6. Commencer l’enregistrement sur l’ordinateur de commande de fNIRS de données fNIRS et commencer des tâches sur l’ordinateur de présentation du stimulus.
  7. Surveiller le rendement participant tout au long de toutes les tâches. Fournir des pauses entre les tâches et les pistes.
  8. Veiller à ce que déclenchement de l’ordinateur de présentation des stimuli expérimentaux est reçu par l’ordinateur de commande fNIRS.
  9. À la fin de toutes les tâches, cesser de collecter des données vidéo et fNIRS.

6. études expérimentales tâche Mensurations

  1. Retirez l’embout du porte optode de chaque optode.
  2. Sans perturber la position de l’embout du optode porte sur la tête du participant, directement au participant de s’asseoir dans une position pour obtenir une seconde mesure de numériseur 3D.
  3. Répétez la mesure numériseur 3D comme dans le fNIRS du cuir chevelu Placement et mesure l’article 4, pour s’assurer que toute perturbation de la position de sonde du cuir chevelu pendant l’expérience peut être détectée en comparant les fichiers de deux positions.
  4. Retirez l’embout du porte optode de tête du participant.
  5. À la fin de l’expérience, aux participants avec un petit cadeau (p. ex., livres et fournitures scolaires) et les remerciements de l’équipe de recherche pour leur participation.

7. plan de diffusion des données

  1. Partager les résultats de la recherche avec des membres de la communauté et des autorités locales compétentes pour leur éventuelle traduction en politique de la question étudiée.
    NOTE : Les Participants ne peuvent bénéficier directement de l’expérience.
  2. Faire des plans pour des visites de suivi auprès des communautés participantes. Préparer des rapports et des outils utilisables par les éducateurs les. Par exemple, toutes les évaluations en langues locales devraient être mises à la disposition aux responsables de l’école dans la région. Préparer les membres de l’équipe de recherche qui parlent la langue locale pour rencontrer les dirigeants de la communauté de communiquer les résultats de l’étude.
  3. Faire des plans pour publier les résultats d’études dans des revues universitaires régionaux et dans la langue de la région, le cas échéant. Par exemple, les résultats de l’étude devraient être diffusés en Français Si la recherche a été menée dans les pays francophones.
  4. Faire des plans pour rencontrer et fournir des rapports sur les résultats de l’étude à la direction générale du gouvernement qui a approuvé le programme de recherche.

8. sauvegarde des données

  1. S’assurer que les données sont exportées et sauvegardées sur plusieurs disques durs portables, comme l’accès internet pour le stockage de données en ligne est peu susceptible d’être disponible. Transférer les données vers le stockage de données en ligne comme une connexion internet suffisante est disponible.

9. analyse des données

Remarque : Plusieurs ensembles d’analyse de données existent pour fNIRS14. De cartographie statistique paramétrique pour la spectroscopie proche infrarouge (NIRS-SPM)15 , Homer216 (couramment) et la boîte à outils fNIRS 17,18 (nouveau et gagne une popularité) sont utilisés pour l’analyse des données fNIRS. Le présent protocole examine les méthodes d’analyse de données à l’aide de SPIR-SPM, mais c’est à la discrétion du chercheur pour sélectionner la méthode d’analyse.

  1. Analyser les données issues du système de fNIRS à l’aide de SPIR-SPM, Version 415,19. Cette boîte à outils de la neuroimagerie suite SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) analyse les données NIRS avec une approche d’analyse de modèle linéaire général basé et permet la création de cartes d’activation avec localisation de Super-résolution.
  2. Conversion de données à HbO et HbR
    1. L’équation modifiée de Beer-Lambert (avec NIRS-SPM) permet de convertir des valeurs de densité optique des changements de concentration en réponse HbO et HbR.
  3. Données de prétraitement
    1. Utilisez l’une des multiples options qui existent pour le prétraitement des données fNIRS.
      Remarque : Huppert et al. 17 proposent des méthodes très rigoureuses pour différentes sources de bruit16. Il s’agit d’axée sur les vecteurs propres de réduction des artefacts de mouvement, techniques de filtrage passe-bande et réduction axée sur les vecteurs propres de la covariance spatiale pour les perturbations physiologiques dans les données (par exemple, la respiration, la pression artérielle, fréquence cardiaque). Ils partagent également un commentaire approfondi sur les sources de bruit dans fNIRS recherche et implications pour l’analyse statistique. Le chercheur fNIRS doit enquêter sur des applications prétraitement qui conviennent le mieux pour une étude donnée. Ci-dessous, une approche de l’analyse s’inspire Worsely et Friston20 et Jang et al. 19 est présenté.
    2. Décomposer les variations des concentrations de HbO et HbR utilisant un algorithme de méthode de Description de Wavelet-Minimum longueur (MDL) afin d’éliminer les tendances globales résultant de la respiration, la variation de la pression artérielle, la vasomotricité ou artefacts de mouvement participant et à améliorer le rapport signal-bruit /19.
    3. Appliquer un filtre passe-bas avec la forme de la fonction de réponse hémodynamique à la données et l’utilisation du Worsely et Friston20 precoloring méthode pour supprimer les corrélations temporelles.
  4. Modèle génération et analyse statistique
    1. Créer des modèles pour HbO et HbR contenant des régresseurs expérimentales convolés avec la fonction correspondante de la réponse hémodynamique avec temps dérivés21;
      NOTE : La fonction de réponse hémodynamique peut avoir une plus grande variabilité dans les régions corticales supérieures et participants. Ces types de variabilité peuvent être logées dans des modèles d’analyse en élargissant le FRH afin d’inclure les dérivés temporelles. Utilisez une dérivée temporelle aux différences de modèle dans le temps au max de réponse hémodynamique21.
    2. Utilisation NIRS-SPM pour créer les modèles pour HbO et HbR adverses polarité afin qu’un important modèle ajusté pour HbO indique une concentration accrue et pour HbR a diminué de concentration5,18.
    3. Mis en place expérimentalement pertinentes t-test ou F-tester les contrastes pour tester l’effet d’un (ou plusieurs) des variables explicatives (compte tenu de la matrice de conception) sur la modulation des fNIRS de séries chronologiques.
  5. Visualiser les résultats
    1. Effectuer une inscription spatiale des canaux NIRS à l’espace de l’Institut neurologique de Montréal (INM) à l’aide de données d’un digitaliseur 3D.
    2. FNIRS des données permet de créer des cartes d’activation de HbO, HbR et hémoglobine totale (THb) basé sur le modèle linéaire général et tube correction formule22,23 du soleil.
    3. Charger des cartes d’activation sur un modèle approprié de cerveau. Par exemple, le récent Haskins Pediatric Brain Atlas fournit un modèle standardisé pour les enfants âgés de 6-12 ans24ans.

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Representative Results

Sonde les données de position obtenues par le digitaliseur 3D (Figure 2) peuvent être visualisées sur un modèle standard de cerveau. S’inscrire à fNIRS canaux d’espace INM à l’aide enregistrement autonome fonction25 de SPM-NIRS. La fonction d’inscription spatiale génère des coordonnées de l’INM, étiquettes anatomiques et aires de Brodmann au maximum représentées par chaque canal.

Figure 2
Figure 2. Collecte de données. (A) mise en place de la PAC de fNIRS sur la tête et la collecte des données de position à l’aide du digitaliseur 3D du participant. (B) International 10-20 système utilisé pour guider la mise en place de la PAC sur la tête du participant. (C) algorithme de localisation spatiale traçage x, y, z coordonnée des données sur le modèle du cerveau INM. L’image générée lors de l’inscription NIRS autonome en utilisant les données de numériseur 3D NIRS-SPM15,19,25. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Sonde de position données peuvent également être visualisées sur les surface modèle cortex ou anatomique modèle de MRI à l’aide de logiciels de remue-méninges (Figure 3).

Figure 3
Figure 3. sondes fNIRS. fNIRS sondes visualisées sur (A) la surface du cortex et (B) le modèle anatomique de MRI INM. Vue dorsale et à droite à gauche, est présentés. Images produites à l’aide de remue-méninges logiciel13. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Ici, les données représentatives de la tâche de jugement de rimes apparaissent (Figure 4). Participants ont complété les deux manches identiquement structurées de cette tâche. Chaque série contenait 13 essais ; essais de rimes et de non-rimes ont été commandés au hasard.

Figure 4
Figure 4. Conception de la tâche. Le schéma de tâche de jugement rimes apparaît. Participants considéraient en permanence une fixation Croix tout en écoutant régulièrement rimés Français ou non-rimes des paires de mots. La tâche a été achevée en deux manches, chacune composée de 13 essais. 13 rimes et 13 essais non-rimes ont été présentées au hasard. Chaque essai a duré 3 s ; 1 s par mot avec un 1 s ISI. Jittered présentation des périodes de repos entre les essais, qui a duré 8-17 s. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Les données de position 3D et expérimental de données ont été combinées avec fNIRS séries chronologiques (Figure 5) pour analyse afin de cartographier des modèles axés sur l’expérience importante activation neurale sur un modèle standard de cerveau (Figure 6). Résultats et des données représentatives seul sujet sont indiqués dans la Figure 5 et Figure 6.

Figure 5
Figure 5. Les données chronologiques représentatives d’un canal de fNIRS. (A) données chronologiques brutes correspondant à longueur de toute tâche (tâche de jugement de rimes, première manche), ne pas normalisé. (B) filtrée des données chronologiques en utilisant les ondelettes detrending. Essais de rimes et de non-rimes sont indiqués par wagon solide et en pointillés, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Ce sujet montrait une plus grande activation de l’hémisphère gauche Gyrus Temporal supérieur (STG) rimes essais comparés avec reste (fixation référence croisée). Les réponses de HbO et HbR moyennées pour essais de rimes montrent une réponse hémodynamique canonique : augmentation des concentrations de HbO et correspondant baisse des concentrations de HbR après présentation du stimulus.

Figure 6
Figure 6. Résultats de sujet unique représentatifs. (A), une plus grande activation est observée pour les rimes des essais par rapport au départ (fixation Croix) dans l’hémisphère gauche, qui vient se superposer la portion postérieure du gyrus temporal supérieur (STG). Image générée au cours de la NIRS résultats étapes à l’aide de SPIR-SPM15,19,25. (B) était en moyenne de signaux liés à l’événement pour HbO (rouge) et HbR (bleu) pendant rimes essais (stimuli paire mot de rimes). Image générée à l’aide terrain fonction moyenne26 de Xu Cui. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Sujet unique résultats diffèrent entre les participants (voir Figure 7). Cette variation individuelle peut refléter des différences fonctionnelles sous-jacentes ou des différences de développement de l’Organisation des réseaux spécifiques du cerveau. Par exemple, sous réserve 1 a montré une plus grande activation dans la région du gyrus frontal inférieur gauche pendant non-rimes contre rimes d’essais ; considérant que sujet 2 a montré une plus grande activation dans la région STG gauche durant le même contraste expérimentaux (non-rimes par rapport aux essais de rimes).

Figure 7
Figure 7. Sujet unique représentant résulte de deux différents participants pour un contraste identique. Une plus grande activation pour non-rimes contre rimes essais dans l’hémisphère gauche est montrée dans les deux A et b. (A) sujet 1 a montré une plus grande activation dans le gyrus frontal inférieur gauche. (B) sujet 2 a montré une plus grande activation le gyrus temporal supérieur gauche. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Cet article a présenté un protocole de neuro-imagerie champ adapté aux contextes de faibles ressources en régions éloignées. L’avance clé du présent protocole de neuro-imagerie du champ est la capacité de la première fois d’étudier le fonctionnement du cerveau et son développement en sous-étudiées (ou jamais-avant étudié) contextes. Des étapes cruciales dans le présent protocole sont voyageant avec et mise en place d’un laboratoire mobile approprié pour la collecte de données de qualité dans les climats tropicaux sans électricité ni équipements disponibles. Ce protocole prévoit un guide général à former des partenariats solides avec les scientifiques, d’enseignement, institutions locales et gouvernement, et nous mettons en évidence le transfert de connaissance réciproque qui se produit lorsque la réussite des partenariats à long terme sont formés entre scientifiques les et en visiteurs. Lignes directrices pour l’élaboration de procédures adaptées de consentement éclairé et de protocoles d’essai sont discutés dans le but d’intégrer de multiples perspectives culturelles dans les méthodes de recherche. Enfin, ce protocole prévoit la procédure détaillée pour l’analyse de données et de collecte de données de champ.

Engagement scientifique et possibilités de renforcement des capacités :

L’un des principaux défis que les chercheurs les, particulièrement juniors, en Côte d’Ivoire sont confrontés lorsqu’ils terminent leurs études est le manque de possibilité pour l’expérience de recherche pratique avec des mentors expérimentés chercheur et/ou international collaborateurs. À cet effet, les chercheurs devraient faire tous les efforts pour établir une collaboration solide avec des chercheurs de disciplines pertinentes et comprennent des stagiaires à tous les niveaux (premier cycle, diplômés, stagiaires). Stagiaires peuvent exploiter les connaissances acquises de cette expérience à travailler de façon autonome et de poursuivre les recherches. Cette expérience peut également être un tremplin pour renforcer leurs capacités en tant que chercheurs et développer leur compétitivité au niveau international dans l’écriture de documents et propositions de recherche et subventions. Une équipe de recherche ne sont pas les chercheurs locaux peut-être avoir une chance réduite de succès comme les chercheurs locaux savent mieux les systèmes, les langues locales parlées en plus de la connaissance géographique de la région et des valeurs sociales et culturelles locales. Leur contribution est donc extrêmement importante de comprendre les réalités locales et la conception de protocoles adaptés pour les projets de recherche avec succès.

Méthodes de recherche adaptées :

L’élaboration de protocoles de consentement éclairé pour mener des recherches en milieu rural, plus précisément en Côte d’Ivoire est critique et échec d’adopter l’approche appropriée peut inhiber la réalisation de la recherche même si bien intentionnée et scientifiquement robustes27,28,29,30,31. En règle générale, en milieu rural en Côte d’Ivoire, demande un villageois de lire un formulaire de consentement et signez-le peut briser toute confiance entre le chercheur et le participant. En fait, la formalité perçue de cette procédure peut créer une distance psychologique et un sentiment d’insécurité dans l’esprit du participant. Cela peut entraîner un refus clair ou inexprimé de collaborer. Cette attitude peut s’expliquer par plusieurs facteurs, y compris une longue histoire de la tradition orale selon laquelle la communication est plus orale qu’écrite et des taux élevés d’analphabétisme qui se trouvent dans les collectivités ciblées. Communautés en milieu rural, faire confiance à leur chef et se fonder sur son pouvoir de décision. Par conséquent, le protocole présenté intègre l’assentiment du chef du village au niveau communautaire. C’est sans doute plus culturellement important que le consentement individuel. En outre, les participants et les membres de la Communauté peuvent ont eu peu ou pas d’exposition à la technologie de neuro-imagerie ou ordinateurs. Par conséquent, les chercheurs doivent tenir compte du fait que la procédure de consentement informé et les instructions, peuvent être mal comprises. La fonction du système fNIRS doit être communiquée dans des termes simples et approprié langage facilement compréhensible par les participants de l’enfant et de membres de la communauté qui ont pu très limitée à la technologie. Ces considérations peuvent influencer fortement le confort et la confiance de tous les membres de la communauté impliquées dans un projet de recherche de neuro-imagerie de champ.

Le protocole présenté ici a également souligné l’importance de partager les résultats de la recherche avec des membres de la communauté et des partenaires gouvernementaux. Partenariats construits sur les aides de la poursuite du dialogue dans la traduction éventuelle des résultats de la recherche en politique. Il est impératif d’organiser post visites sur le terrain de collecte de données pour diffuser les résultats de la recherche et diffuser des rapports et, éventuellement, de partager tous les outils qui résultent de l’étude (p. ex. , les évaluations dans les langues locales). Collectivités participantes en milieu rural peuvent jamais autrement recevoir d’informations sur l’achèvement de l’étude et résultats compte tenus de l’absence du service internet et/ou d’ordinateurs. De même, les chercheurs dans le pays peuvent ont un accès limité aux abonnements journal académique et aux pauvres connectivité internet dans les universités régionales. Résultats publiés devraient être partagées dans un forum régional et mis à disposition dans un langage accessible.

Limites et défis potentiels :

Ce protocole de neuro-imagerie de champ doit être modifié pour convenir à des sites de collecte de données prévisionnelles. Le protocole présenté ici a été élaboré pour les recherches avec l’école primaire âgés enfants en milieu rural Côte d’Ivoire. Cependant, les méthodes décrites ici peuvent ne pas convenir, plus précisément en ce qui concerne les procédures de consentement éclairé, dans d’autres pays ou même d’autres régions de Côte d’Ivoire. Les chercheurs souhaitant mener champ neuro-imagerie doivent tout d’abord soigneusement recherche les coutumes locales et incorporer les perspectives locales dans la conception de l’étude. Par conséquent, une équipe de chercheurs travaillant sur les plans d’étude doit comprendre des membres appartenant aux groupes culturels les.

Domaine neuro-imagerie a limitation par rapport aux méthodes de laboratoire. Ce qui est important, le contrôle de l’environnement de test est considérablement réduite dans le domaine. Chercheurs de neuro-imagerie de terrain doivent prévoir des voyages de collection de données étendues. Pluies tropicales, frappe de risque de contracter des maladies tropicales, civiles et instabilité politique peut un impact significatif sur les plans de recherche. Les chercheurs doivent s’assurer que les niveaux de sécurité dans la région sont suffisants et surveiller les mises à jour pour toutes les situations qui peuvent affecter les niveaux de sécurité. Une communication constante entre les membres de l’équipe, plus particulièrement en ce qui concerne les niveaux de sécurité, peut atténuer les risques potentiels.

Futures Applications et pertinence aux méthodes existantes :

L’utilisation de cette méthode de neuro-imagerie de champ peut être appliquée à l’évaluation de l’incidence du risque précoce sur le développement infantile et dans les milieux de la santé mondiale. Les chercheurs ont commencé à utiliser cette approche pour étudier le développement de l’enfant dans les zones rurales de Gambie et un bidonville au Bangladesh32. Dans un bidonville à Dhaka, chercheurs utilisent fNIRS pour examiner comment les facteurs tels que la nutrition et l’hygiène contribuent à la croissance et de développement de cerveau33. Dans les zones rurales de Gambie, les chercheurs ont utilisé fNIRS pour étudier les fonctions cognitives des enfants et ont démontré que fNIRS est un outil d’imagerie viable dans paramètres démunis34,35. Ces travaux promet de révéler de nouvelles perspectives sur le développement des enfants dans les pays en développement, qui sont de manière disproportionnée par la malnutrition et de mauvaises conditions d’hygiène. Neuro-imagerie portable technologies continuent à devenir plus accessible et applicable pour la recherche dans des environnements pauvres en ressources, mettant ainsi en évidence la nécessité de méthodes rigoureuses de neuroimagerie de champ.

Conclusion :

Neuro-imagerie portable systèmes ayant la capacité de fonctionner à la puissance fournie par batterie sont récemment devenus disponibles. Ces techniques sont relativement nouveaux, avances aux systèmes de batterie fournira des améliorations continues. Diverses communautés de scientifiques internationaux en élaborant des programmes de recherche à l’aide de ces outils optimisera sans aucun doute des arrangements de laboratoire mobile pour fournir un contrôle accru de l’environnement de test. Participation significative entre scientifiques internationales et locales et les communautés locales s’assure que les membres des populations étudiées ont un rôle actif dans le développement de programmes de recherche et représentent les intérêts de leurs communautés. Seules ces équipes de recherche concertée et intégrée seraient bien placé pour appliquer des méthodes de neuro-imagerie du terrain afin d’étudier le développement du cerveau humain tous et révèlent les deux théoriquement et pratiquement-informations pertinentes visant à comprendre la plupart questions liées au développement enfant urgent.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Cette recherche a été rendue possible par l’intermédiaire de la bourse de carrière précoce la Fondation Jacobs à K. Jasinska (nombre de bourses : 2015 118455). Les auteurs souhaitent également remercier Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga et Yvette Foto pour leur aide dans la collecte de données et de soutien sur le terrain. Merci pour les familles et les enfants de Moapé, Ananguié, Flintwinch et Becouefin pour leur participation à ce programme de recherche et un accueil chaleureux des villages.

Materials

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

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References

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Méthodes de champ de la neuro-imagerie utilisation fonctionnelle près Neuroimaging spectroscopie infrarouge (NIRS) pour étudier le développement Global de l’enfant : zones rurales d’Afrique subsaharienne
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Jasińska, K. K., Guei, S. Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa. J. Vis. Exp. (132), e57165, doi:10.3791/57165 (2018).

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