Kvalitative og komparative kortikale aktivitetsdataanalyser fra et funktionelt nær-infrarødt spektroskopieksperiment, der anvender blokdesign

Summary

Vi beskriver analysen af kontinuerlig-bølge funktionelle nær-infrarød spektroskopi eksperiment ved hjælp af en blok design med en sensorimotorisk opgave. For at øge pålideligheden af dataanalysen brugte vi den kvalitative generelle lineære modelbaserede statistiske parametriske kortlægning og de komparative hierarkiske blandede modeller til multikanaler.

Abstract

Neuroimaging undersøgelser spiller en central rolle i evalueringen af præ-vs post-interventionelle neurologiske tilstande såsom i rehabilitering og kirurgisk behandling. Blandt de mange neuroimaging teknologier, der anvendes til at måle hjernens aktivitet, funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) gør det muligt at evaluere dynamiske kortikale aktiviteter ved at måle de lokale hæmoglobin niveauer svarende til funktionelle magnetisk resonans imaging (fMRI). På grund af mindre fysisk begrænsning i fNIRS kan flere varianter af sensorimotoriske opgaver også evalueres. Mange laboratorier har udviklet flere metoder til fNIRS-dataanalyse; På trods af at de generelle principper er de samme, er der imidlertid ingen universelt standardiseret metode. Her præsenterer vi de kvalitative og komparative analytiske metoder til data fra et multikanals fNIRS-eksperiment ved hjælp af et blokdesign. Til kvalitativ analyse brugte vi en software til NIRS som en masse-univariate tilgang baseret på den generaliserede lineære model. NIRS-SPM-analysen viser kvalitative resultater for hver session ved at visualisere det aktiverede område under opgaven. Derudover kan den ikke-invasive tredimensionelle digitalisator bruges til at estimere fNIRS-kanalplaceringerne i forhold til hjernen. For at underbygge NIRS-SPM-resultaterne kan amplituden af de ændringer i hæmoglobinniveauer, der fremkaldes af den sensorimotoriske opgave, statistisk analyseres ved at sammenligne data fra to forskellige sessioner (før og efter intervention) af det samme forsøgsemne ved hjælp af en multikanalshierarkisk blandet model. Vores metoder kan bruges til at måle præ- vs. post-intervention analyse i en række neurologiske lidelser såsom bevægelsesforstyrrelser, cerebrovaskulære sygdomme, og neuropsykiatriske lidelser.

Introduction

Neurorehabilitering spiller en vigtig rolle i den funktionelle genopretning efter sensorimotorisk forstyrrelse. For at tydeliggøre mekanismerne for neuroplasticitetsrelateret funktionel genopretning er der anvendt forskellige neuroimagingteknologier, såsom funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), positronemissionstomografi (PET), elektroencefalografi (EEG) og funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS). Forskellige billedbehandlingsmetoder har forskellige fordele og ulemper. Selvom fMRI er den mest typiske enhed, påvirkes den af magnetfelter, har en høj pris, høj fysisk begrænsning og begrænsede sensorimotoriske opgaver^1,2,3,4. FNIRS-enheden skiller sig ud som en ikke-invasiv optisk neuroimaging og har en relativt lavere rumlig opløsning, men den har en bedre tidsmæssig opløsning end fMRI⁴. fNIRS er velegnet til kontrol af behandlingseffekter, fordi det sammenligner præ- versus post-intervention effekter, har dynamiske motoriske opgaver, er bærbare, og fungerer mere i naturlige miljøer end fMRI^1,2,4. NIRS er blevet rapporteret at være mere egnet inden for cerebrovaskulær sygdom, epileptiske lidelser, alvorlig hjerneskade, Parkinsons sygdom og kognitiv svækkelse^1,5. Med hensyn til sensorimotoriske opgaver, er det meget udbredt i gangart og stående balance^6,7,8, overekstremitet funktion (hånd greb, finger trykke)^8,9, kompleks motorisk færdighed uddannelse^10,11, robotteknologi^12,13,14,15, og hjerne-computer interface^16,17,18. FNIRS er baseret på principperne om optisk neuroimaging og neurovaskulær kobling, som måler kortikal metabolisk aktivitet, øget blodgennemstrømning og dermed kortikal aktivitet som sekundære signaler¹⁹. fNIRS-signaler er blevet rapporteret at have stærke korrelationer med signaler om iltniveauafhængig fMRI²⁰i blodet . En kontinuerlig bølge fNIRS bruger den ændrede Beer-Lambert lov til at bestemme ændringerne i iltet hæmoglobin (HbO₂₎og deoxygenerede hæmoglobin (HHb) kortikale koncentrationsniveauer baseret på målte ændringer i bredbånd nær-infrarødt lys dæmpning^21,22. Da det ikke var muligt at måle differentialfaktoren for stilængde (DPF) ved hjælp af NIRS-systemet med kontinuerlig bølge, antog vi, at DPF var konstant, og at hæmoglobinsignalændringer blev angivet i vilkårlige enheder af millimole-millimeter (mM x mm)^2,18.

FNIRS-eksperimenterne skal vælge de mest hensigtsmæssige metoder, herunder sondeindstillingerne, eksperimentdesignene og analysemetoderne. Med hensyn til sonde indstilling, den internationale 10-20 metode, der anvendes i EEG måling er den indstilling standard, der anvendes af mange forskere i neuroimaging. I de senere år er der blevet anvendt koordinatindstillinger baseret på standardhjernen på grundlag af Montreal Neurological Institute (MNI) koordinater. Eksperimentet bruger et blokdesign, der generelt bruges til sensorimotoriske opgaver, og et hændelsesrelateret design. Dette er en metode til sammenligning af ændringer i hæmoglobinkoncentrationen i hvile og under opgaver; HbO₂ koncentrationsniveauer stiger og HHb koncentrationsniveauerne falder med ændringer i cerebral blodgennemstrømning forbundet med opgave-afhængige kortikale aktivitet. Selv om der findes forskellige analysemetoder, muliggør den gratis NIRS-SPM-software en analyse svarende til den statistiske parametriske kortlægning (SPM) af fMRI. Behandlingen af NIRS-data anvender en masse-univariate tilgang baseret på den generelle lineære model (GLM). Når du udfører opgaveafhængig hjerneaktivitetsanalyse, kan fNIRS-målingerne påvirkes af fremkaldt eller ikke-fremkaldt neuronal aktivitet og systemiske fysiologiske interferenser (puls, blodtryk, vejrtrækningshastighed og autonom nervesystemaktivitet) i cerebral og extracerebral rum²³. Derfor er foranalysebehandling, filtrering, waveletkonvertering og hovedkomponentanalyse nyttige²³. Med hensyn til filtrering og artefakter af databehandlingen ved hjælp af NIRS-SPM, lav-pass filtrering⁹ og wavelet minimum beskrivelse længde (Wavelet-MDL)²⁴ detrending blev brugt til at overvinde bevægelse eller andre kilder til støj / artefakt. Nærmere oplysninger om denne analytiske metode findes i rapporten fra Ye et al.²⁵. Selvom der kun er rapporter, der kun bruger SPM, er det kun et kvalitativt indeks efter billedanalyse, og på grund af NIRS’s lave rumlige opløsning kræves der ekstrem forsigtighed til gruppeanalyse. Når DPF er konstant, bør numeriske sammenligninger mellem kanaler og enkeltpersoner desuden ikke udføres, men forskellen i ændringerne i hver kanal kan verificeres. Baseret på ovenstående betingelser brugte vi for at supplere NIRS-SPM-gruppens analyseresultater den oprindelige analysemetode til multikanalanalyse efter at have forbedret nøjagtigheden af rumlig registrering. Denne multikanalanalyse sammenlignede amplituden af ændringen i HbO_2- og HHb-niveauerne mellem hvileperioder og on-task-perioder på hver kanal før og umiddelbart efter behandling ved hjælp af hierarkiske blandede modeller med faste interventioner (før eller efter), faste perioder (hvile eller på opgave) og tilfældige individuelle effekter.

På denne måde er der flere fNIRS-måle- og analysemetoder; der er dog ikke fastlagt nogen standardmetode. I dette papir introducerer vi vores metoder, kvalitativ GLM-baseret statistisk parametrisk kortlægning og den komparative hierarkiske blandede model på flere niveauer, til at analysere data fra et multikanals fNIRS-eksperiment med præ- vs. post-intervention ved hjælp af et blokdesign med sensorimotoriske opgaver.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af det institutionelle bedømmelsesudvalg (IRB) på Fukuoka University, Japan (IRB No. 2017M017). Forud for deltagelsen gav alle patienter skriftligt informeret samtykke. 1. Forberedelse af fNIRS-eksperimentet BEMÆRK: Der blev anvendt et multikanals kontinuerligt bølgelaserbaseret NIRS-system til dette eksperiment. Bølgelængderne af det nær-infrarøde lys var 780 nm, 805 nm og 830 nm, og prøveudtagningshastigheden blev indstille…

Representative Results

Heri introducerer vi den robotassisterede rehabilitering, som vores gruppe i øjeblikket arbejder på: biofeedback-virkningerne på motorunderskuddet i overekstremiteterne hos patienter med akut slagtilfælde. Vi inkluderede 10 samtykkende slagtilfældepatienter (gennemsnitsalder: 66,8 ± 12,0 år; to kvinder og otte mænd), der blev indlagt på vores hospital. På det subakuttakut slagtilfælde fase, mere end 2 uger efter starten, vurderede vi den motor-relaterede kortikale aktivitet af …

Discussion

I vores gruppeanalysemetoder til fNIRS sammenlignede vi ud over at udføre en billedanalyseanalysemetode ved kvalitative t-statistikkortlægninger før- vs. post-intervention (robotassisteret øvelse) ved hjælp af den komparative multikanalanalyse. Til kvalitativ analyse brugte vi NIRS-SPM-softwaren som en masse-univariate tilgang baseret på den generaliserede lineære model. NIRS-SPM-analysen viser kvalitative resultater af hver session ved at visualisere det aktiverede område under opgaven. Desuden gør opl…

Materials

3D-digitizer software	TOPCON	–	NS-1000 software ver.1.50
NIRS system	Shimadzu	–	FOIRE-3000
Robot	CYBERDYNE	–	Single-joint type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ)