Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-metingen met behulp van een optode-array voor het hele hoofd en kanalen over korte afstand

Published: October 20, 2023 doi: 10.3791/65088
Automatic Translation
1, 2, 1, 1,2,3
1Child Study Center, Yale University School of Medicine, 2Department of Psychology, University of Connecticut, 3Department of Psychology, Yale University

Summary

We presenteren een methode voor het gelijktijdig verzamelen van fMRI- en fNIRS-signalen van dezelfde proefpersonen met fNIRS-dekking van het hele hoofd. Het protocol is getest met drie jongvolwassenen en kan worden aangepast voor gegevensverzameling voor ontwikkelingsstudies en klinische populaties.

Abstract

Functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) is een draagbare neuroimaging-methodologie, robuuster voor beweging en kosteneffectiever dan functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI), waardoor het zeer geschikt is voor het uitvoeren van naturalistische studies van de hersenfunctie en voor gebruik met ontwikkelings- en klinische populaties. Zowel fNIRS- als fMRI-methodologieën detecteren veranderingen in cerebrale bloedoxygenatie tijdens functionele hersenactivering, en eerdere studies hebben een hoge ruimtelijke en temporele correspondentie tussen de twee signalen aangetoond. Er is echter geen kwantitatieve vergelijking van de twee signalen die gelijktijdig worden verzameld van dezelfde proefpersonen met fNIRS-dekking over het hele hoofd. Deze vergelijking is nodig om activeringen op gebiedsniveau en functionele connectiviteit uitgebreid te valideren aan de hand van de gouden standaard van fMRI, die op zijn beurt het potentieel heeft om vergelijkingen van de twee signalen gedurende de levensduur te vergemakkelijken. We pakken deze lacune aan door een protocol te beschrijven voor gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-signalen dat: i) fNIRS-dekking voor het hele hoofd biedt; ii) omvat korteafstandsmetingen voor regressie van het niet-corticale, systemische fysiologische signaal; en iii) implementeert twee verschillende methoden voor co-registratie van fNIRS-metingen tussen optode en hoofdhuid. fMRI- en fNIRS-gegevens van drie proefpersonen worden gepresenteerd en aanbevelingen voor het aanpassen van het protocol aan testontwikkelings- en klinische populaties worden besproken. De huidige opstelling met volwassenen maakt scansessies van gemiddeld ongeveer 40 minuten mogelijk, die zowel functionele als structurele scans omvatten. Het protocol schetst de stappen die nodig zijn om de fNIRS-apparatuur aan te passen voor gebruik in de magnetische resonantie (MR)-omgeving, geeft aanbevelingen voor zowel gegevensregistratie als co-registratie van optode tot hoofdhuid, en bespreekt mogelijke aanpassingen van het protocol om te voldoen aan de specifieke kenmerken van het beschikbare MR-veilige fNIRS-systeem. Representatieve onderwerpspecifieke reacties van een knipperende schaakbordtaak illustreren de haalbaarheid van het protocol om fNIRS-signalen van het hele hoofd in de MR-omgeving te meten. Dit protocol zal met name relevant zijn voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het valideren van fNIRS-signalen tegen fMRI gedurende de hele levensduur.

Introduction

Cognitieve functie wordt al bijna drie decennia bestudeerd in het volwassen menselijke brein via functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI). Hoewel fMRI een hoge ruimtelijke resolutie en zowel functionele als structurele beelden biedt, is het vaak niet praktisch voor studies die worden uitgevoerd in naturalistische contexten of voor gebruik bij zuigelingen en klinische populaties. Deze beperkingen beperken ons begrip van de hersenfunctie aanzienlijk. Een alternatief voor fMRI is het gebruik van draagbare methodologieën die kosteneffectiever en robuuster zijn voor beweging, zoals functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS)1,2,3. fNIRS is gebruikt bij zuigelingen en jonge kinderen om de hersenfunctie te beoordelen in een reeks cognitieve domeinen, zoals taalontwikkeling, verwerking van maatschappelijk relevante informatie en objectverwerking 4,5,6. fNIRS is ook een neuroimaging-modaliteit die vooral geschikt is voor het testen van klinische populaties vanwege het potentieel voor herhaald testen en monitoren in de leeftijd van 7,8,9 jaar. Ondanks de brede toepasbaarheid zijn er geen studies die fMRI- en fNIRS-signalen kwantitatief vergelijken die gelijktijdig van dezelfde proefpersonen zijn verzameld met dekking van het hele hoofd. Deze vergelijking is nodig om activeringen op gebiedsniveau en functionele connectiviteit tussen interessegebieden (ROI's) uitgebreid te valideren ten opzichte van de gouden standaard van fMRI. Bovendien heeft het tot stand brengen van deze intermodale correspondentie het potentieel om de interpretatie van fNIRS te verbeteren wanneer dit het enige verzamelde signaal is voor zowel typische als atypische ontwikkeling.

Zowel fMRI- als fNIRS-signalen detecteren veranderingen in cerebrale bloedoxygenatie (CBO) tijdens functionele hersenactivatie10,11. fMRI is gebaseerd op veranderingen in elektromagnetische velden en biedt een hoge ruimtelijke resolutie van CBO-veranderingen12. fNIRS daarentegen meet de absorptieniveaus van nabij-infrarood licht met behulp van een reeks lichtgevende en lichtdetecterende optodes2. Omdat fNIRS veranderingen in absorptie op verschillende golflengten meet, kan het concentratieveranderingen in zowel oxy- als deoxyhemoglobine beoordelen. Eerdere studies met gelijktijdige opnames van fMRI- en fNIRS-signalen met een klein aantal optodes hebben aangetoond dat de twee signalen een hoge ruimtelijke en temporele correspondentie hebben10. Er zijn sterke correlaties tussen bloed-zuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) fMRI en optische metingen11,13, waarbij deoxyhemoglobine de hoogste correlatie vertoont met de BOLD-respons, zoals gerapporteerd door eerder werk waarin de temporele dynamiek van de fNIRS en fMRI hemodynamische responsfuncties (HRF's) worden vergeleken14. Deze vroege studies implementeerden motorische responsparadigma's (d.w.z. tikken met de vingers) en gebruikten een beperkt aantal optoden die de primaire motorische en premotorische cortexgebieden bedekten. In het afgelopen decennium hebben studies de focus uitgebreid met een grotere reeks cognitieve taken en rusttoestandssessies, hoewel er nog steeds een beperkt aantal optodes wordt gebruikt die specifieke ROI's dekken. Deze studies hebben aangetoond dat variabiliteit in fNIRS/fMRI-correlaties afhankelijk is van de afstand van de optode tot de hoofdhuid en de hersenen15. Bovendien kan fNIRS functionele connectiviteitsmetingen in rusttoestand bieden die vergelijkbaar zijn met fMRI 16,17.

Het huidige protocol bouwt voort op eerder werk en pakt de belangrijkste beperkingen aan door i) fNIRS-dekking voor het hele hoofd te bieden, ii) metingen op korte afstand op te nemen voor regressie van niet-corticale fysiologische signalen, iii) twee verschillende methoden te implementeren voor co-registratie van fNIRS-metingen van optode tot hoofdhuid en iv) beoordeling van de test-hertestbetrouwbaarheid van het signaal over twee onafhankelijke sessies mogelijk te maken. Dit protocol voor het gelijktijdig verzamelen van gegevens van fMRI- en fNIRS-signalen is in eerste instantie ontwikkeld voor het testen van jongvolwassenen. Een van de doelen van de studie was echter om een experimentele opstelling te creëren voor het verzamelen van gelijktijdige fMRI/fNIRS-signalen die vervolgens kunnen worden aangepast voor het testen van ontwikkelingspopulaties. Daarom kan het huidige protocol ook als uitgangspunt worden gebruikt voor het ontwikkelen van een protocol om jonge kinderen te testen. Naast het gebruik van fNIRS-dekking voor het hele hoofd, beoogt het protocol ook recente ontwikkelingen op het gebied van fNIRS-hardware op te nemen, zoals de opname van korteafstandskanalen om het systemische fysiologische signaal te meten (d.w.z. vasculaire veranderingen die voortkomen uit niet-corticale bronnen, zoals bloeddruk, ademhalings- en hartsignalen)18,19; en het gebruik van een 3D-structuursensor voor co-registratie van optode tot hoofdhuid20. Hoewel de focus van het huidige protocol ligt op de resultaten van een visueel knipperend dambordtaak, omvat het hele experiment twee sessies met een mix van traditionele bloktaakontwerpen, rusttoestandssessies en naturalistische filmkijkparadigma's.

Het protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om de fNIRS-apparatuur aan te passen voor gebruik in de MRI-omgeving, inclusief het ontwerp van de dop, temporele uitlijning via triggersynchronisatie en fantoomtests die nodig zijn voor de start van de gegevensverzameling. Zoals opgemerkt, ligt de focus hier op de resultaten van de knipperende schaakbordtaak, maar de algemene procedure is niet taakspecifiek en kan geschikt zijn voor een willekeurig aantal experimentele paradigma's. Het protocol schetst verder de stappen die nodig zijn tijdens het verzamelen van gegevens, waaronder het plaatsen van fNIRS-dop en signaalkalibratie, het instellen van deelnemers en experimentele apparatuur, evenals het opschonen en opslaan van gegevens na het experiment. Het protocol eindigt met een overzicht van de analytische pijplijnen die specifiek zijn voor het voorverwerken van fNIRS- en fMRI-gegevens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board (IRB) van Yale University. Geïnformeerde toestemming werd verkregen voor alle proefpersonen. Proefpersonen moesten een MRI-screening doorstaan om hun veilige deelname te garanderen. Ze werden uitgesloten als ze een voorgeschiedenis hadden van een ernstige medische of neurologische aandoening die waarschijnlijk het cognitief functioneren zou beïnvloeden (d.w.z. een neurocognitieve of depressieve stoornis, trauma, schizofrenie of obsessief-compulsieve stoornis).

OPMERKING: Het huidige protocol maakt gebruik van een CW-NIRS-apparaat met 100 langeafstandskanalen en 8 korteafstandskanalen (32 laserdiodebronnen, λ = 785/830 nm met een gemiddeld vermogen van 20 mW / golflengte, en 38 lawinefotodiodedetectoren) bemonsterd bij 1,95 Hz. MRI- en fMRI-scans werden verzameld op een Siemens 3 Tesla Prisma-scanner met behulp van een 20-kanaals head-coil. Alle gegevens werden verzameld in het Yale Brain Imaging Center (https://brainimaging.yale.edu/). Systeemspecifieke wijzigingen voor het verzamelen van gelijktijdige fMRI- en fNIRS-gegevens worden in het hele protocol vermeld.

1. Modificaties en ontwikkeling van fNIRS-apparatuur voor gelijktijdige gegevensverzameling

OPMERKING: Stappen 3 tot en met 6 zijn specifiek voor het NIRScoutXP-systeem en zijn mogelijk niet van toepassing op andere fNIRS-systemen vanwege variatie in de acquisitiesoftware en beschikbare fantomen voor optodebeoordeling.

  1. Voorbereiding van de fNIRS-doppen
    1. Identificeer de fNIRS-doppen die nodig zijn voor het onderzoek. Zorg ervoor dat voor een onderzoek bij volwassenen de volgende kapmaten beschikbaar zijn (in cm): 54, 56, 58 en 60.
    2. OPMERKING: De afmetingen van de doppen zijn specifiek voor het systeem dat in dit protocol wordt gebruikt. Daarom kan er variatie zijn in de specifieke afmetingen die nodig zijn voor verschillende NIRS-systemen.
    3. Gebruik vitamine E-capsules en een waterafstotend materiaal (bijv. nylon stof met PU-coating) om de fiducials voor te bereiden. Wikkel de capsules in het materiaal van uw keuze en naai (of lijm) de fiducials op de gekozen plaatsen (zie figuur 1A). Vitamine E-capsules dienen als fiduciale markers om de positie van de fNIRS-kanalen ten opzichte van het onderliggende hersenweefsel te identificeren met behulp van het T1w-beeld.
    4. Bepaal het aantal fiducials afhankelijk van de optode-array en de co-registratiemethode. Sommige onderzoeken vereisen slechts detectie van enkele anatomische oriëntatiepunten, terwijl andere baat kunnen hebben bij het plaatsen van fiducials naast elke optode.
    5. Als de fNIRS-pet te los zit aan de achterkant van het hoofd, bevestig dan twee riemen aan weerszijden van de pet met behulp van elastische stof (met voorgesneden knoopsgaten) en knopen om de verstelbaarheid van de pet te vergroten. Bij alle deelnemers en ongeacht hoe strak de dop zit, zet u de riemen vast om een consistente opstelling van de dop te garanderen.
    6. Als de voorkant van de dop te strak op het voorhoofd zit, plaats dan rubberen buffers op die optoden die in direct contact staan met de huid. Als de fNIRS-leverancier geen buffers levert, maak ze dan met vilten stofstickers. Als u rubberen buffers gebruikt, gebruik deze dan voor alle deelnemers, ongeacht de pasvorm van de dop, om een consistente opstelling van de dop te garanderen. Zorg ervoor dat de ingrediënten in de rubberen buffers geen metalen componenten bevatten om te beschermen tegen artefacten in de MR-beelden.
  2. Instellen van de fNIRS-apparatuur in de MRI-controle- en scannerkamers
    1. Plaats het fNIRS-apparaat in de controlekamer in de buurt van een van de golfgeleiders die naar de scannerkamer leiden. Gebruik indien nodig een verhoogd oppervlak (bijv. een opstapje) om ervoor te zorgen dat het fNIRS-apparaat zich zo dicht mogelijk bij de golfgeleiders bevindt om de vezellengte te maximaliseren.
    2. Bundel de optische vezels met behulp van gaaskabelnetten in groepen. Bepaal deze groepen op basis van de gekozen optode-array. Idealiter worden optische vezels zo gegroepeerd dat alle optodes in de groep aan dezelfde kant van het hoofd moeten worden geplaatst (links versus rechts).
    3. Sluit de optische vezels aan op het fNIRS-apparaat en leid de bundels via de golfgeleiders de scannerruimte in. Voordat u de optische vezels bestelt, meet u de afstand tussen het fNIRS-apparaat en het midden van de scannerboring om er zeker van te zijn dat de lengte van de optische vezels voldoende is.
    4. Breng de optische vezels naar de scannertafel. Gebruik een MRI-veilige brug om de optische vezels vast te houden om ervoor te zorgen dat het gewicht van de vezels er niet voor zorgt dat de vezels doorzakken en om te voorkomen dat ze de dop van het hoofd van de proefpersoon wegtrekken (zie afbeelding 1B).
  3. De replicatorbox voor parallelle poorten instellen
    1. Installeer de nieuwste versie van de NIRStar-software op de fNIRS-data-acquisitiecomputer.
    2. Sluit de parallelle poortreplicator aan op de kabel die de transistor-transistor Logic (TTL)-achtige puls van de scanner verzendt, zoals aangegeven in de triggerhandleiding van de fabrikant (versie R2.1; zie afbeelding 1C). De TTL-puls komt overeen met een slice timing-puls die rechtstreeks door de scanner wordt verzonden. Wanneer de scanner een puls verzendt, gaat een van de LED-indicatoren branden.
    3. Sluit de parallelle poortreplicatorbox aan op het fNIRS-apparaat via een parallelle poortingang. Dit stuurt een trigger naar de NIRStar-software wanneer een TTL-puls van de scanner wordt gedetecteerd. Het triggersignaal wordt als een stippellijn weergegeven op het opnamescherm van de data-acquisitie. Deze opstelling zorgt voor synchronisatie van fNIRS- en fMRI-gegevensverzameling, aangezien elke keer dat een slice-timingpuls in de scanner wordt verzameld, dit wordt weerspiegeld in de fNIRS-gegevensstroom die wordt geregistreerd door de NIRStar-acquisitiesoftware.
  4. Voorbereiding van het statische fantoom voor optodebeoordeling
    1. Plaats de optodes in het statische fantoomapparaat dat door de fNIRS-leverancier wordt geleverd. De opstelling van de optodes op het fantoom hangt af van het type fNIRS-instrument en het aantal beschikbare bronnen en detectoren. Controleer de juiste optode-opstelling in de handleiding van de fabrikant om aan de slag te gaan.
    2. Zorg ervoor dat het fantoom volledig is afgeschermd van elke lichtbron. Sommige leveranciers leveren een passende koffer die helpt om de optodes af te schermen van elke externe lichtbron.
    3. Sluit alle beschikbare bronnen en detectorbundels aan op het fNIRS-fantoom volgens de gespecificeerde optode-opstelling.
    4. Sluit het fNIRS-fantoom aan op de acquisitiecomputer en start de NIRStar-acquisitiesoftware.
  5. Een fantoomtest met donkere ruis uitvoeren
    1. Open onder het menu-item Hardware configureren van de NIRStar-acquisitiesoftware het tabblad Kanaalinstellingen . Zorg ervoor dat onder Aantal bronnen en Aantal detectoren het totale aantal beschikbare bronnen en detectoren correct is ingesteld. Bevestig deze instellingen door op OK te klikken.
    2. Start het venster voor het testen van donkere ruis door te klikken op het menu-item Diagnostiek in het hoofdmenu van het NIRStar-venster.
    3. Voer de test uit door op de knop Test uitvoeren te drukken. Sla de testresultaten op door op de knop Resultaten opslaan te drukken.
      OPMERKING: Raadpleeg de "Handleiding Aan de slag: problemen met statische fantoom oplossen" van de fabrikant voor richtlijnen over het interpreteren van de resultaten.
  6. Een fantoomkalibratietest uitvoeren
    1. Open onder het menu-item Hardware configureren in de NIRStar-acquisitiesoftware het tabblad Kanaalinstellingen . Zorg ervoor dat onder Aantal bronnen en Aantal detectoren het totale aantal beschikbare bronnen en detectoren correct is ingesteld.
    2. Open onder het menu-item Hardware configureren het tabblad Kanaalmaskering . Maskeer alle kanalen door op de knop Alles selecteren te drukken.
    3. Kies onder het menu-item Hardware configureren op het tabblad Hardwarespecificatie de optie Statisch fantoom onder Studietype. Bevestig deze instellingen door op OK te klikken.
    4. Start de kalibratie door op de knop Kalibreren te drukken. Zodra de kalibratie is voltooid, drukt u op de knop Details om view de gedetailleerde kalibratieresultaten.
      OPMERKING: Raadpleeg de "Handleiding Aan de slag: problemen met statische fantoom oplossen" van de fabrikant voor richtlijnen over het interpreteren van de resultaten.

Figure 1
Figuur 1. Apparatuur voor het gelijktijdig verzamelen van gegevens van fMRI- en fNIRS-metingen. (A) Zakje gemaakt van zwart, waterafstotend materiaal voor het bewaren van vitamine E-capsules die op de fNIRS-dop naast elke optode zijn genaaid. (B) MRI-veilige brug om de optische vezels boven de vloer te houden, zodat ze het hoofd van de deelnemer kunnen bereiken tijdens het verzamelen van gegevens. (C) Parallelle poortreplicator die pulsen van de scanner naar het fNIRS-apparaat verzendt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Experimenteel taakontwerp

  1. Bepaal de duur van de scansessie door rekening te houden met het comfort van de deelnemer in de scanner. De studie die hier wordt belicht, omvat bijvoorbeeld twee structurele beelden (T1w en T2w) voor een totale duur van ongeveer 14 minuten, en vijf functionele runs voor een extra duur van ongeveer 25 minuten.
    OPMERKING: Het testen van het onderzoek met meerdere deelnemers zal nodig zijn om de juiste duur van het onderzoek te bepalen, aangezien studiespecifieke factoren (bijv. leeftijd van de deelnemer, capmaat) het comfortniveau zullen bepalen.
  2. Ontwerp de neuroimaging-taken in lijn met de onderzoeksdoelen. Dit zal studiespecifiek zijn. Hier wordt de procedure (en representatieve resultaten) van een knipperende dambordtaak gepresenteerd.

3. fNIRS-dopplaatsing en signaalkalibratie op de testdag

OPMERKING: Alle onderstaande stappen vinden plaats in de MRI-controle- of toestemmingskamers, tenzij anders vermeld.

  1. Metingen van de verzamelkop en selectie van de fNIRS-dop
    1. Zodra de deelnemer de relevante toestemmingsformulieren heeft ondertekend en de instructies voor de komende taken heeft ontvangen, laat u hem plaatsnemen op een stoel in de controlekamer.
    2. Wikkel het meetlint met een standaard zacht meetlint om de breedst mogelijke omtrek van het hoofd van de deelnemer; van het meest prominente deel van het voorhoofd (vaak 1 of 2 vingers boven de wenkbrauw) tot het breedste deel van het achterhoofd en weer terug. Probeer de breedste omtrek te vinden.
    3. Kies de kapmaat die het dichtst bij de gemeten omtrek ligt.
  2. De sondes van de korteafstandsdetector op de dop bevestigen
    OPMERKING: Deze stap is specifiek voor NIRx-systemen en is mogelijk niet van toepassing op andere fNIRS-apparaten.
    1. Plaats de sondes van de korteafstandsdetector door de basis stevig vast te pakken en rond het deel van de doorvoertule te schuiven dat door het gaas van de fNIRS-dop gaat (zie afbeelding 2A). Pas op dat u de sondes van de korteafstandsdetector niet uit de kabel trekt, omdat dit de kabel kan beschadigen.
      OPMERKING: Raadpleeg bij het bepalen van de verdeling van de sondes recent werk waarin de verdeling van de hele kop wordt vergeleken met ROI-specifieke verdelingen18.
    2. Gebruik indien nodig de door de fabrikant geleverde glasvezelorganizerclips voor kabelbeheer. Zorg ervoor dat de kabels van de detector voor korte afstanden naar de achterkant van de dop zijn gericht om het gebied rond het gezicht vrij te houden.
  3. De fNIRS-dop en optodes op het hoofd van de deelnemer plaatsen
    1. Vraag de deelnemer om de pet op te zetten door hem recht naar beneden te schuiven vanaf de bovenkant van zijn hoofd, alsof hij een wintermuts opzet. Zorg ervoor dat het kapje recht zit en dat de oren in de oorgaten zitten.
    2. Vraag de deelnemer om de kinband zo strak aan te spannen als comfortabel is. Trek de rugbanden aan en zorg ervoor dat de dop stevig vastzit en dat de optode-aansluitingen strak op het hoofd zitten.
    3. Plak groene stickers om de belangrijkste fiduciale locaties te markeren volgens de 10-20 systeemposities (inion, nasion, pre-auriculaire punten anterieur van het oor en Cz)21.
      OPMERKING: De groene stickers zijn nodig als u de 3D-structuursensor gebruikt om de ruimtelijke coördinaten van de bron- en detectoroptodelocaties te bepalen. Dit kan variëren afhankelijk van het type 3D-structuursensor. Het huidige protocol maakt gebruik van een structuursensor (Mark II) van Occipital20.
    4. Lijn met behulp van een meetlint de punten op de dop symmetrisch uit met de hoofdhuidpunten door ervoor te zorgen dat i) de pre-auriculaire punten op gelijke afstand van het Cz-punt liggen en ii) het inion- en het neuspunt op gelijke afstand van het Cz-punt liggen. Zorg ervoor dat de cappositie voor alle deelnemers identiek is.
  4. Het verkrijgen van een model van het hoofd van de deelnemer met behulp van een 3D-structuursensordigitizer
    1. Instrueer de deelnemer om stil te zitten om een 3D-model van zijn hoofd te maken.
    2. Open de applicatie Structuur op een tablet of iPad.
      OPMERKING: Het protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om een hoofdgaas te maken met de structuursensor (Mark II) van Occipital20. Deze stappen kunnen per systeem verschillen.
    3. Zorg ervoor dat de volgende instellingen zijn uitgeschakeld: Kleur met hoge resolutie, automatische IR-belichting en Verbeterde tracker.
    4. Centreer de deelnemer zodat zijn hele hoofd zich binnen het 3D-vierkant op het scherm bevindt, zijn hele hoofd wordt weergegeven en er niet te veel van zijn schouders in beeld is.
    5. Maak voorzichtig een 360° wandeling om de deelnemer heen om de 3D-scan te maken. Wacht tot de toepassing het beeld ongeveer elke 90° heeft vastgelegd voordat u verder gaat (zie afbeelding 3A).
    6. Nadat de volledige scan is vastgelegd, drukt u op de knop aan de rechterkant van het scherm om de 3D-weergave te maken.
    7. Controleer de weergave om er zeker van te zijn dat deze duidelijk is en dat er voldoende details zijn om de plaatsing van de optodes en groene fiduciale stickers vast te stellen. Sla de 3D-scan op een met HIPAA beveiligde server op.
  5. De deelnemer voorbereiden op het betreden van de scannerruimte
    1. Nadat het 3D-model is gegenereerd, verwijdert u de groene stickers en instrueert u de deelnemer om oordoppen in zijn oren te doen.
    2. Volg de instructies in het MR-beeldvormingscentrum om ervoor te zorgen dat de deelnemer veilig de scannerruimte kan betreden. Deze stap houdt meestal in dat met de deelnemer wordt bevestigd dat er geen metalen in hun lichaam zijn en dat ze als laatste controle door een metaaldetector gaan. Een MRI-veiligheidsvragenlijst die de proefpersoon voor aankomst invult, is vaak vereist door de meeste beeldvormingscentra.
  6. De bron- en detectorsondes op de fNIRS-dop plaatsen
    1. Geef de deelnemer in de scannerruimte de opdracht om comfortabel op de scannertafel te gaan zitten.
    2. Terwijl u elke optodedoorvoertule met één hand stabiliseert, gebruikt u met de andere hand een MRI-veilige applicator om het haar uit het midden van de doorvoertule weg te duwen (zie afbeelding 2B). Wanneer het haar voldoende uit het gebied is verplaatst (idealiter zodat de hoofdhuid zichtbaar is), drukt u de optode stevig in de doorvoertule.
    3. Zorg ervoor dat, zodra de spanning op de doorvoertule is opgeheven, het haar niet terugkeert om het midden van de optode af te sluiten. Als u een array voor het hele hoofd gebruikt, wordt aanbevolen om de optoden aan de achterkant van het hoofd te oriënteren met hun vezels naar voren gericht en die optodes aan de voorkant van het hoofd met hun vezels naar achteren gericht. Deze configuratie van de optische vezels voorkomt dat ze in de knoop raken of krimpen wanneer de deelnemer gaat liggen en zijn hoofd in de MRI-hoofdspoel plaatst.
      OPMERKING: Dit proces voor het inbrengen en uitlijnen van vezels kan sneller en gemakkelijker worden uitgevoerd met twee experimentatoren aan elke kant van de deelnemer, die tegelijkertijd worden afgedekt.
    4. Schik de optische vezels netjes in bundels met behulp van kabelorganizers (zie afbeelding 2B en afbeelding 3B). Voer een testkalibratie en meting van de signaalsterkte uit met behulp van de NIRStar-software. Het plaatsen en kalibreren van de optode, uitgevoerd door twee ervaren onderzoekers, duurt ongeveer 10 minuten.
    5. Pas individuele optodes indien nodig aan totdat voldoende signaalkwaliteit is bereikt door storende haren van de problematische optodes te verplaatsen. Verwijder de optodes van de dop om het haar te verplaatsen met behulp van een plastic pincet (zie afbeelding 2B).

Figure 2
Figuur 2. Korteafstandsdetectoren en hulpmiddelen voor de voorbereiding van fNIRS-doppen. (A) Detectorsondes voor korte afstanden en rubberen buffers die aan de fNIRS-dop moeten worden bevestigd boven frontale gebieden waar minimale beharing is. (B) Van links naar rechts: Kabelorganizers om de optische vezels in bundels te rangschikken, MRI-veilige applicators om het haar weg te duwen tijdens het plaatsen van de optode en een plastic pincet om optodes van de dop te verwijderen indien nodig tijdens het instellen van de NIRS-dop om haar te verplaatsen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3. 3D Structuur sensor digitizer en fNIRS cap plaatsing. (A) Experimentator die de 3D-structuursensordigitizer gebruikt om een 3D-model van het hoofd van de deelnemer te maken. Groene stickers worden gebruikt om fiduciale locaties te identificeren. (B) Optische vezels die in de fNIRS-dop op het hoofd van een deelnemer worden gestoken en vóór signaalkalibratie in bundels worden gerangschikt met behulp van kabelorganizers. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. Instellen van de deelnemer

OPMERKING: De volgende stappen worden uitgevoerd in de MRI-scannerruimte. Het gebruik van een ademhalingsband en pulsoximeter is optioneel en alleen nodig als onderzoekers geïnteresseerd zijn in het regresseren van deze signalen uit de fNIRS-gegevens22. Het protocol maakt gebruik van een ademhalingsgordel, die deel uitmaakt van de beademingseenheid voor het verkrijgen van de ademhalingsamplitude met behulp van een veiligheidsgordel. Evenzo bestaat de fysiologische pulseenheid uit een optische plethysmografiesensor die het mogelijk maakt het hartritme te verwerven.

  1. Zorg ervoor dat de 20-kanaals kopspoel in de scanner is geplaatst. Als u een fNIRS-array met hele kop gebruikt, zijn de 32- en 64-kanaals kopspoelen te krap voor volwassen deelnemers.
  2. Plaats een schuimkussen in de bodem van de MRI-hoofdspoel om de achterkant van het hoofd van de deelnemer te ondersteunen (zie afbeelding 4A).
  3. Vraag de deelnemer om langzaam en voorzichtig te gaan liggen, zodat zijn beweging de dop niet beweegt of aan de optische vezels trekt. Pas de optische vezelbundels indien nodig aan om het hoofd van de deelnemer comfortabel in de hoofdspoel te laten rusten (zie afbeelding 4B). De scannertafel moet tijdens deze stap mogelijk omhoog worden gebracht, afhankelijk van waar de kabels zich vanaf de golfgeleider bevinden.
  4. Leg een kussen onder de benen van de deelnemer om ervoor te zorgen dat de deelnemer comfortabel zit. Plaats de ademhalingsband om het middel van de deelnemer.
  5. Vraag de deelnemer om de hoofdtelefoon met ruisonderdrukking om zijn oren te plaatsen en zorg ervoor dat hij de plaatsing van de fNIRS-sonde niet verstoort. Om te voorkomen dat de hoofdtelefoon wegglijdt, gebruikt u MRI-veilige pads aan weerszijden van het hoofd tussen de hoofdtelefoon en de binnenkant van de hoofdspoel. Een kussensloop kan worden gebruikt om te voorkomen dat de hoofdtelefoon contact maakt met de hoofdspoel.
  6. Plaats de pulsoximeter op de wijsvinger van de niet-dominante hand van de proefpersoon. Als u een knoppendoos gebruikt voor de experimentele taken, vraag de deelnemer dan om deze met zijn dominante hand vast te houden. Geef de deelnemer instructies over het gebruik van de buttonbox.
  7. Plaats de knijpbal of knopalarm op de niet-dominante hand van de proefpersoon en instrueer de deelnemer hoe deze te gebruiken. Test het alarm door de deelnemer te vragen erop te drukken.
  8. Schuif de deelnemer een paar centimeter in de scannerboring om de kop uit te lijnen. Plaats het bovenste deel van de kopspoel. Plaats vervolgens de microfoon en spiegel in de bijbehorende spoelinzetstukken.
  9. Schuif de deelnemer langzaam in de scannerboring terwijl u de optische vezels vasthoudt. Voor dit proces zijn twee mensen nodig, die zich aan weerszijden van de scannertafel bevinden. Zorg ervoor dat de optische vezels voorzichtig in de scannerboring worden geleid om te voorkomen dat aan de optodes wordt getrokken of dat de vezels tussen de kopspoel en de scannerboring bekneld raken.
  10. Nadat u met de deelnemer hebt bevestigd dat hij klaar is voor de scansessie, keert u terug naar de controlekamer en bevestigt u via intercomaudio dat de deelnemer de onderzoeker kan horen en dat de onderzoeker de deelnemer kan horen.

Figure 4
Figuur 4. Deelnemer ingesteld in de MRI-scanner. (A) Kussens in de MR-hoofdspoel die worden gebruikt om het hoofd van de deelnemer te ondersteunen en optische vezels die in bundels zijn gerangschikt voordat de deelnemer wordt ingesteld. (B) Deelnemer liggend op het scannerbed met de fNIRS-dop klaar om te testen. De bovenkant van de head-coil is nog niet over het gezicht van de deelnemer geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Instellen van de scanner en fNIRS-apparatuur voorafgaand aan de signaalopname

  1. Selecteer op de scannercomputer de relevante structurele en functionele sequenties voor het onderzoek. Verzamel bij het berekenen van een gevoeligheidslichtmodel van de fNIRS-gegevens zowel T1w- als T2w-beelden om de beste weefselcontrastresolutie te verkrijgen.
  2. Controleer de lokalisator om te bevestigen dat de kop goed in de scannerboring zit. Controleer of volledige hersendekking wordt verkregen van de bovenkant van het hoofd tot het cerebellum.
  3. Bevestig met de deelnemer dat het computerscherm zichtbaar is via de hoofdspoelspiegel.
  4. Voer de eerste structurele scan uit. Voer tegelijkertijd nog een kalibratietest uit van de fNIRS-optodes om te controleren of de instelling van de deelnemer van invloed was op de signaalsterkte van een van de kanalen.
  5. Na het uitvoeren van de eerste structurele MRI-scan, verzamelt u de gradiënt-echoveldkaartsequenties en kalibreert u de hoofdtelefoon met ruisonderdrukking om ervoor te zorgen dat de hoofdtelefoon auditieve stimuli aan de deelnemer kan leveren en omgevingsgeluid kan blokkeren.
    OPMERKING: Bij sommige deelnemers moet hun koptelefoon worden aangepast. Als dit het geval is, gaat u de scannerruimte opnieuw binnen en past u de vulling rond de hoofdtelefoon aan, waarbij u erop let dat u de plaatsing van de fNIRS-sonde niet verstoort. Voer nog een lokalisator, gradiënt-echoveldkaartsequenties en kalibratietest van de fNIRS-optodes uit voordat u verder gaat.

6. Gelijktijdige signaalopname

  1. Neem contact op met de deelnemer via de intercom om er zeker van te zijn dat ze zich op hun gemak voelen en het goed doen. Geef de instructies voor de taak en herinner de deelnemers eraan om hun hoofd en lichaam stil te houden.
  2. Geef de volgende instructies, specifiek voor de knipperende dambordtaak (Figuur 5).
    1. Instrueer de deelnemer bij deze taak om altijd naar het midden van het scherm te kijken dat zich voor hem bevindt (via de spiegel). Soms toont het scherm een dambord met tegels die op verschillende frequenties flikkeren. Andere keren ziet de deelnemer een witte cirkel in het midden van het scherm.
    2. Wanneer de witte cirkel op het scherm verschijnt, vraagt u de deelnemer om met zijn wijsvinger op het knoppenvak te drukken. Na het indrukken van de knop wordt de cirkel rood.
    3. Deze taak maakt gebruik van een afwisselend blokontwerp. Laat de deelnemers een enkele run van 6 minuten voltooien, inclusief 11 knipperende dambordblokken van elk 10 s en 11 cirkelblokken van elk 20 s.
  3. Begin met het vastleggen van fNIRS-gegevens op de fNIRS-computer en begin met taken op de stimuluspresentatiecomputer. Het script voor de experimentele taken wordt weergegeven als taakinstructies.
  4. Start de eerste functionele run. Zodra de scanner de eerste TTL-puls verzendt, wordt dit weergegeven als een triggersignaal op het opnamescherm van de NIRStar-software. Deze eerste puls zal ook de experimentele taak starten.
  5. Bewaak de prestaties en beweging van deelnemers tijdens alle taken. In sommige gevallen, vooral bij gebruik van een optode-array voor het hele hoofd en kleine doppen, kunnen sommige deelnemers enig ongemak ervaren bij het dragen van de pet. Het is belangrijk om altijd het comfort van de deelnemer in de gaten te houden.
    1. Zorg indien nodig voor een pauze voor de deelnemer in het midden van de sessie. Als deelnemers tijdens deze pauze rechtop moeten zitten, pak dan een localizer en voer de gradiënt-echoveldkaartsequenties, hoofdtelefoonkalibratie en fNIRS-testkalibratie opnieuw uit voordat u verder gaat. Deze stap is meestal niet nodig bij het testen van jongvolwassenen in de scanner als de exacte stappen in het huidige protocol worden gevolgd.
  6. Maak tijdens het verzamelen van gegevens aantekeningen over de sessie (bijv. dopgrootte, tijdstip van de dag, optodes die niet goed waren gekalibreerd of iets ongewoons).
  7. Stop aan het einde van alle functionele runs met het verzamelen van fNIRS-gegevens. Voer indien nodig een tweede structurele scan uit.

Figure 5
Figuur 5. Knipperend dambordparadigma als experimentele taak. Deelnemers bekeken een zwart-wit dambordpatroon met witte vierkanten die acht keer per seconde knipperden en afgewisseld werden met een grijs scherm met een witte cirkel. Als aandachtscontrole kregen de deelnemers de opdracht om met hun rechterhand op een knop te drukken bij het zien van een witte cirkel in het midden van het scherm. Bij het indrukken van de knop wordt de cirkel rood. De taak werd voltooid in een enkele run bestaande uit in totaal 22 blokken: 11 knipperende dambordblokken en 11 inter-trial-periodes. Knipperende dambordperioden duurden 10 seconden en inter-trialperiodes duurden 20 seconden. Het knipperende schaakbord begon dus elke 30 s (0,033 Hz). Displays werden gegenereerd door PsychoPy v2021.2.4 en geprojecteerd op de naar achteren gerichte spiegel aan de bovenkant van de hoofdspoel via een 1080p DLP-projectiesysteem. Deelnemers voltooiden één run van deze taak (~6 min). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

7. Opschonen en opslaan van gegevens na het experiment

  1. Gebruik het gemotoriseerde scannerbed om de deelnemer langzaam uit de boring van de scanner te halen, waarbij u ervoor zorgt dat u geen van de optische vezels beknelt. Verwijder de bovenkant van de hoofdspoel en laat de deelnemer langzaam rechtop zitten.
  2. Verwijder de fNIRS-dop van het hoofd van de deelnemer en verwijder elke optode van de respectievelijke doorvoertules. Haar komt vaak vast te zitten in de doorvoertules, zelfs nadat de optodes zijn verwijderd, dus instrueer deelnemers om de dop langzaam en voorzichtig te verwijderen.
  3. Sommige doorvoertules kunnen losraken tijdens het losmaken. Zorg ervoor dat u alle doorvoertuleonderdelen vindt en vervang de ontbrekende onderdelen vóór de volgende scansessie van de deelnemer.
  4. Laat deelnemers van het scannerbed glijden, bedank ze voor hun tijd en geef ze een geldelijke vergoeding, indien van toepassing.
  5. Zorg ervoor dat taaklogboeken, fNIRS- en fMRI-gegevens worden opgeslagen en dat er een back-up van wordt gemaakt. Desinfecteer de dop met een sprayreinigingsoplossing, zoals aanbevolen door de fNIRS-leverancier, en veeg de optodetips af met alcoholdoekjes die geschikt zijn voor plastic en rubber.

8. voorbewerking van fMRI-gegevens

OPMERKING: De fMRI-gegevens werden voorverwerkt volgens de minimale voorverwerkingspijplijnen van het Human Connectome Project23 met behulp van QuNex24, een open-source softwarepakket dat gegevensorganisatie, voorverwerking, kwaliteitsborging en analyses ondersteunt in neuroimaging-modaliteiten. Gedetailleerde documentatie over de specifieke instellingen en parameters voor elk van de onderstaande stappen is te vinden op de QuNex-website op https://qunex.yale.edu/. De belangrijkste stappen en parameters die worden gebruikt om de gegevens te verwerken, worden hieronder weergegeven.

  1. Voorbewerken van de structurele gegevens
    1. PreFreeSurfer-pijplijn. Voer de volgende stappen uit: Gradiëntvervormingscorrectie, uitlijning van herhaalde runs van T1w- en T2w-beelden met een 6 vrijheidsgraad (DOF) rigide lichaamstransformatie, AC-PC-uitlijning van T1w- en T2w-beelden met de MNI-ruimtesjabloon, initiële hersenextractie, uitleesvervormingscorrectie, cross-modale registratie van T1w en T2w in de oorspronkelijke volumeruimte, biasveldcorrectie en MNI niet-lineaire volumeregistratie.
    2. Freesurfer-pijplijn. Voer de volgende stappen uit: Bemonstert T1w naar beneden tot 1 mm met spline-interpolatie en voer verkenning uit om witte stofoppervlakken te genereren, inclusief het verfijnen van de registratie van T2w naar T1w met behulp van Freesurfer's BBRegister algoritme (zie23 voor meer details).
    3. PostFreeSurfer-pijplijn. Voer de volgende stappen uit: Converteer alle uitvoer naar GIFTI en NIFTI in de oorspronkelijke volumeruimte, genereer het uiteindelijke hersenmasker en het corticale lintvolume, genereer myelinekaarten en voer native uit voor MNI niet-lineaire volumetransformatie.
  2. Voorverwerken van de functionele gegevens
    1. fMRI Volume pijplijn. Voer de volgende stappen uit: vervormingscorrectie, bewegingscorrectie op basis van FLIRT, voorbewerking van veldkaarten op basis van TOPUP met behulp van een spin-echoveldkaart, EPI-beeldvervormingscorrectie en EPI naar T1w-registratie, spline-resampling in één stap naar atlasruimte (MNI), intensiteitsnormalisatie via biasveldverwijdering en hersenmaskering.
    2. fMRI Surface-pijpleiding. Voer de volgende stappen uit om de volumetijdreeks toe te wijzen aan een gecombineerde weergave van oppervlakken en volume, grijs-ordinaten die is opgeslagen in CIFTI-indeling: fMRI-lintconstructie, oppervlakte-afvlakking, subcorticale verwerking en het genereren van dichte tijdreeksen.
    3. Bereid BOLD-gegevens voor. Bereken kwantitatieve QC-statistieken die beweging en de kunstmatige eigenschappen ervan weerspiegelen om slechte frames te identificeren. Raadpleeg de QuNex-documentatie voor de beschikbare opties voor het genereren van kwantitatieve QC-statistieken. Deze statistieken bevatten vaak BOLD-statistieken over temporele signaal-ruisverhoudingen en bewegingsscrubbing, zoals de drempelwaarde voor frameverplaatsing en de drempelwaarde voor genormaliseerde RMSE-fouten (Root Mean Squared Error) voor beeldintensiteit. Afhankelijk van de studiespecifieke criteria, negeer of interpoleer je de geïdentificeerde problematische frames.
    4. Hinderlijk signaal extraheren. Extraheer hinderlijke signalen uit hersenventrikels, witte stof en grijze stof om hinderlijke signaalregressie uit te voeren in volgende stappen.

9. voorbewerking van fNIRS-gegevens

OPMERKING: De fNIRS-gegevens werden geanalyseerd volgens best practices in fNIRS-gegevensanalyse25 met behulp van NeuroDOT26, een open-sourceomgeving voor analyse van optische gegevens van ruwe lichtniveaus op voxel-niveaukaarten van hersenfunctie, die mede zijn geregistreerd voor de anatomie van een specifieke deelnemer of een atlas. Alle hieronder beschreven stappen kunnen worden uitgevoerd met NeuroDOT. Aanvullende documentatie over de specifieke instellingen en parameters voor elk van de onderstaande stappen is te vinden in de zelfstudies en scripts op https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. Ten slotte vereist de registratie van optode tot hoofdhuid het verkrijgen van de fNIRS-optodecoördinaten ten opzichte van het onderliggende hersenweefsel, wat kan worden gedaan met behulp van een 3D-digitizer of vitamine E-capsules als fiducials, indien beschikbaar. Beide methoden worden in dit hoofdstuk beschreven en er wordt verwezen naar de relevante softwarepakketten.

  1. Genereren van een vakspecifieke hoofdmaas en creatie van het lichtmodel
    1. Segmenteer het T1w-beeld in de relevante weefseltypen om een gesegmenteerd hoofdmodel te maken: hoofdhuid, schedel, hersenvocht (CSF), grijze stof en witte stof. Gebruik zowel T1w- als T2w-beelden, indien beschikbaar, aangezien elk van hen aanvullende informatie over de relevante weefseltypen bevat.
      OPMERKING: Deze stap wordt uitgevoerd in het huidige protocol met de functie "Segment5R_fs" van NeuroDOT, die als invoerinformatie de volumetrische segmentatie van Freesurfer28 neemt. Andere algemeen verkrijgbare softwarepakketten voor hersenweefselsegmentatie zijn SPM29 en AFNI30.
    2. Genereer een hoofdmesh van het gesegmenteerde hoofdmodel met behulp van het Mimics-softwarepakket via NeuroDOT. Als een 3D-digitizer wordt gebruikt om de optodelocaties op het hoofdmodel te plaatsen, volgt u de Fieldtrip-aanbevelingen voor optodelokalisatie31. Als alternatief, als vitamine E-capsules worden gebruikt als fiducials voor de identificatie van coördinaten van bron-detectorparen, identificeer dan handmatig de posities van de bronnen en detectoren in het T1w-beeld (zie32 voor een voorbeeld).
    3. Plaats de bron- en detectorlocaties verkregen via de 3D-digitizer of de vitamine E-capsules op de relevante loci op het gaas met behulp van NeuroDOT.
    4. Stel de volgende parameters in om de gevoeligheidsmatrix voor het onderwerpspecifieke hoofdmodel te berekenen met behulp van het NIRFAST-softwarepakket via NeuroDOT: voxelatieresolutie: 2; regiolabels: CSF, wit, grijs, bot, huid; absorptiecoëfficiënten voor regio's: CB [0,004; 0,004], wit [0,0167, 0,0208]; grijs [0,018 0,0192], bot [0,0116, 0,0139], huid [0,74, 0,64]; spreidingscoëfficiënten voor regio's: CSF [0,3, 0,3], wit [1,1908, 1,0107]; grijs [0,8359, 0,6726], bot [0,94, 0,84], huid [0,64, 0,74], brekingsindex voor regio's: CSF [1,4, 1,4], wit [1,4, 1,4]; grijs [1.4, 1.4], bot [1.4, 1.4], huid [1.4, 1.4].
      OPMERKING: Het protocol maakt gebruik van het NIRFAST-softwarepakket (versie 9.1)33,34, dat gebruik maakt van een voorwaarts lichtmodel met eindige elementen op basis van de diffusiebenadering van de stralingstransportvergelijking. Om het lichtmodel te berekenen, vertrouwt NIRFAST op drie soorten informatie: i) de vorm van de weefselgrens, ii) de interne verdeling van optische basiseigenschappen en iii) de locaties van bronnen en detectoren op het oppervlak (zie 35,36 voor meer details). Monte Carlo-methoden kunnen worden gebruikt als alternatief om oplossingen voor de diffusievergelijking voor verschillende weefseltypes te berekenen 37,38.
    5. Visualiseer een voorbeeld van de gevoeligheid van de meting als een kwalitatieve beoordeling.
  2. Verwerking van de ruwe gegevens van de brondetectormetingen
    1. Geef het gemiddelde lichtniveau voor elke bron en detector weer in een 2D-weergave van de beeldvormingsarray. Verwijder bron-detectorparen met een temporele standaarddeviatie van meer dan 7,5%36. Als de gegevens worden verkregen met een framesnelheid van ten minste 3 Hz, gebruik dan de hartvermogensdrempel om bron-detectorpaarmetingen af te wijzen, aangezien een goede optode-hoofdhuidkoppeling kenmerken vertoont die consistent zijn met de pulsfrequentie (~1 Hz).
    2. Detrend van de gegevens om de lineaire trend in elke meting te verwijderen. Hoogdoorlaatfilter (0,02 Hz cutoff) de gegevens om laagfrequente drift te verwijderen. In plaats van te filteren, is een alternatief om een driftfactor toe te voegen aan de GLM als regressor.
    3. Laagdoorlaatfilter (1 Hz) de gegevens om harttrillingen te verwijderen.
    4. Schat het globale oppervlakkige signaal door het gemiddelde te berekenen van alle 8 mm bron-detector paarmetingen. Gebruik metingen op korte afstand als een schatting van systemische niet-corticale fysiologische signalen, aangezien ze voornamelijk de hoofdhuid en schedel bemonsteren.
    5. Regressie uit het globale signaal van alle metingen39.
    6. Laagdoorlaatfilter de gegevens (0,5 Hz cutoff) om de resterende gegevens verder te richten op de frequentie van de stimulus en down-sample de gegevens naar 1 Hz 40,41,42 om de rekenbelasting te verminderen.
    7. Implementeer bewegingscensuur met behulp van de globale variantie van de temporele afgeleiden (GVTD) tijdsverloop43. GVTD wordt berekend als het kwadraat van de temporele afgeleiden over een reeks metingen of voxels43. Implementeer bewegingscensuur of scrubbing door de tijdstippen die de GVTD-geluidsdrempel overschrijden uit te sluiten.
  3. Reconstructie van het lichtmodel en voorbewerkte gegevens tot een functioneel neuroimaging-volume
    1. Reconstrueer relatieve veranderingen in absorptie bij 785 nm en 830 nm op basis van een geregulariseerde inversie van de gevoeligheidsmatrix met behulp van Tikhonov-regularisatie en ruimtelijke variantregularisatie44.
    2. Bereken relatieve veranderingen in de hemoglobineconcentratie via een spectrale ontleding van de golflengte-afhankelijke absorptiegegevens44,45.

10. fMRI/fNIRS-taakgerichte data-analyses

  1. Voer een GLM-analyse op het eerste niveau van één sessie uit (HRF-modellering, regressie van fysiologische signalen, inclusief fNIRS-metingen op korte afstand) om te beoordelen hoe hersenactiviteit zich verhoudt tot de statistische hypothese voor een bepaald onderwerp.
    OPMERKING: Een alternatief voor de GLM is blokmiddeling, waarbij a priori aannames over de vorm van de HRF worden vermeden. Blokmiddeling maakt het echter niet mogelijk om relevante verstorende factoren in het fNIRS-signaal te modelleren, samen met de hemodynamische respons op de stimulus.
  2. Voer een GLM-analyse uit op het eerste niveau of op het tweede niveau om schattingen van activering op het eerste niveau tussen proefpersonen te combineren.
  3. Extraheer relevante effectschattingen uit de afzonderlijke GLM-bestanden en combineer ze tot groepsbestanden.
  4. Bereken de gewenste statistieken. Een goed ingeburgerd pakket voor het uitvoeren van permutatie-resampling methoden van zowel uni- als multivariate GLM-modellen voor statistische inferentie is FSL PALM46.
  5. Verkrijg GLM-bètaschattingen van het hele brein.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

In dit gedeelte worden representatieve onderwerpspecifieke reacties gepresenteerd voor de knipperende schaakbordtaak voor zowel fMRI- als fNIRS-signalen. Ten eerste worden representatieve ruwe fNIRS-gegevens en kwaliteitsbeoordelingen getoond in figuur 6 en figuur 7 om de haalbaarheid te illustreren van de experimentele opstelling om fNIRS-signalen in de MRI-omgeving te meten. Een diagram van de gehele optode-array en het gevoeligheidsprofiel van de kop wordt weergegeven in figuur 8.

Figure 6
Figuur 6. Representatieve fNIRS-tijdreeksgegevens na banddoorlaatfiltering en oppervlakkige signaalregressie. De linkerkolom toont gegevens bij 785 nm en de rechterkolom toont gegevens bij 830 nm. (A) fNIRS-gegevenstijdreeksen na toepassing van banddoorlaatfilter (hoogdoorlaatfilterafkap: 0,02 Hz, laagdoorlaatfilterafkap: 0,5 Hz-afkap) en globale signaalregressie. De y-as is log geschaald om het bereik van lichtniveaus voor de set bron-detectorafstanden te markeren. Verticale lijnen geven tijdstippen aan waar een nieuw blok begint in het stimulusparadigma. Groene lijnen geven het begin van het knipperende dambordblok aan en blauwe lijnen geven het begin van de proefperiode aan. (B) Spectrum van het fNIRS-signaal na toepassing van het banddoorlaatfilter (hoogdoorlaatfilterafkap: 0,02 Hz, laagdoorlaatfilterafkap: 0,5 Hz-afkap) en globale signaalregressie. Frequenties onder de afkapfrequentie worden aanzienlijk verzwakt. Het spectrum vertoont een veel sterkere piek bij de stimulusfrequentie, dat wil zeggen bij het begin van de knipperende dambordblokken (0,033 Hz), ten opzichte van andere frequenties. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7. fNIRS-gegevenskwaliteitsbeoordeling voor een enkel onderwerp. (A) Gemiddelde lichtniveaus voor een enkel onderwerp over de gehele fNIRS-gegevensstroom. Witte en gele kleuren dienen als kwalitatieve beoordelingen van de optimale koppeling voor elke optode. (B) Signaal-ruisverhouding (SNR) over metingen voor een enkel onderwerp over de gehele fNIRS-gegevensstroom. Witte en gele kleuren duiden op een goede SNR. Optodes die zich op het bovenste deel van de fNIRS-dop boven sensomotorische regio's bevinden, hebben meestal een lagere SNR (meestal als gevolg van dicht haar of een loszittende dop). (C) De temporele variantie in alle 100 bron-detectorparen wordt gebruikt om de gegevenskwaliteit te evalueren en te optimaliseren. Paren met een variantie van minder dan 7,5% (rode lijn) worden bewaard voor verdere analyse. (D) Metingen die voldoen aan de geluidsdrempel (d.w.z. afwijking boven 7,5%). Voor deze deelnemer wordt 97% van de optodes als acceptabel beschouwd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8. Opstelling van de optode-array en gevoeligheidsprofiel van de hele kop. (A) Optode array-opstelling met 32/30 bronnen/detectoren, resulterend in 100 kanalen met volledige kopdekking en 30 mm scheiding en 8 korteafstandskanalen met 8 mm scheiding. (B) Gevoeligheidsprofiel voor de optode-array gegeven de gespecificeerde parameters voor Tikhonov-regularisatie (0,01, 0,1). Eenheid vertegenwoordigt het percentage van het vlakke veld. Gebieden met een hoge betrouwbaarheid hebben doorgaans een vlakke veldwaarde hoger dan ~0,5%-1% Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Na voorverwerking van de gegevens werden de fNIRS- en fMRI-responsen voor de knipperende schaakbordtaak geschat met behulp van een standaard algemeen lineair model (GLM)-raamwerk. De ontwerpmatrix werd geconstrueerd met behulp van het begin en de duur van elke stimuluspresentatie in combinatie met een canonieke HRF. Voor fNIRS worden de delta HbO-resultaten getoond, aangezien het oxy-hemoglobine (ΔHbO)-signaal een hogere contrast-ruisverhouding vertoont in vergelijking met deoxy-hemoglobine (ΔHbR) of totaal hemoglobine (ΔHbT)44,47. FNIRS-gegevens op proefniveau tonen een verhoogde activering in bilaterale visuele cortexgebieden tijdens de knipperende schaakbordblokken in vergelijking met de inter-trial perioden. Tijdsporen van hersenactiviteit in de visuele cortex tonen een toename van het HbO-signaal tijdens de presentatie van het knipperende schaakbord en een afname tijdens inter-trial perioden (Figuur 9A). Deze hemodynamische toename als reactie op knipperende dambordperioden wordt niet waargenomen in een niet-gerelateerd hersengebied (Figuur 9B). Zoals verwacht toont visualisatie van de HbO-gegevens tijdens de knipperende schaakbordperiode bilaterale activering in visuele cortexgebieden (Figuur 9C).

Figure 9
Figuur 9. Tijdsporen van fNIRS HbO-responsen tijdens het experimentele paradigma. Tijdsporen worden getoond voor (A) activiteit in de visuele cortex tijdens een knipperend schaakbordblok, (B) activiteit in het visuele cortexgebied tussen knipperende dambordblokken en (C) activiteit in een niet-gerelateerd hersengebied tijdens een knipperend schaakbordblok. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10. Representatieve fNIRS HbO-antwoorden met één onderwerp tijdens de knipperende schaakbordperiode. Kaarten van blokgemiddelde (HbO) gegevens vanaf het begin van het knipperende dambord getoond voor drie onderwerpen. De gegevens omvatten de 10 seconden knipperende dambordperiode en 5 seconden erna om de hersenactiviteit als reactie op de stimulus te beoordelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

FMRI-gegevens op proefpersoonniveau tonen een grotere BOLD-signaalrespons in de primaire en secundaire visuele cortex tijdens de knipperende schaakbordperioden in vergelijking met de inter-trial perioden (Figuur 11A). Op subcorticaal niveau wordt een verhoogde activering waargenomen in de laterale geniculaire kern (LGN) van de thalamus, wat te verwachten is omdat de LGN visuele input van het netvlies ontvangt (Figuur 11B).

Figure 11
Figuur 11. Representatieve fMRI-activeringsschattingen van één proefpersoon tijdens de knipperende schaakbordperiode. (bovenste rij) Activeringsschattingen (bèta) voor drie proefpersonen verkregen uit statistische analyse op het eerste niveau en die bilaterale betrokkenheid van primaire en secundaire visuele cortexgebieden laten zien tijdens de knipperende schaakbordperiode. (onderste rij) Subcorticale activeringsschattingen die betrokkenheid van de laterale geniculaire kern (LGN) tijdens de knipperende schaakbordperiode laten zien, wat dient als een kwalitatieve beoordeling dat de fMRI-gegevens worden verzameld zoals verwacht met de 20-kanaals kopspoel. De rode pijl wijst naar de locatie van het LGN op de hersenkaart. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Al met al illustreren deze resultaten de haalbaarheid van het implementeren van het huidige protocol om gelijktijdige fMRI- en fNIRS-signalen te verzamelen met een volwassen populatie. Het protocol zorgt voor een totale scantijd van 40 minuten en biedt volledige dekking van de fNIRS-gegevens. We hebben het verzamelen van gegevens besproken met een visueel knipperend schaakbordparadigma, maar het protocol is ook toepasbaar op andere experimentele paradigma's. We raden aan om het gevoeligheidsprofiel van de fNIRS-array vooraf te beoordelen om een maximale gevoeligheid over relevante kanalen voor de onderliggende corticale regio's van belang te garanderen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit protocol voor gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-signalen maakt gebruik van een fNIRS-optode-array voor het hele hoofd en korteafstandskanalen voor het meten en regresseren van de systemische niet-corticale fysiologische signalen. Cruciale stappen in dit protocol zijn onder meer het aanpassen en ontwikkelen van de fNIRS-apparatuur voor het verzamelen van fNIRS-signalen in de MRI-omgeving. Voor zover wij weten, is er geen kant-en-klaar commercieel systeem dat volledig is geoptimaliseerd voor het vastleggen van gelijktijdige fMRI- en fNIRS-metingen met behulp van een fNIRS-array voor het hele hoofd. Het huidige protocol pakt deze leemte aan en zal met name relevant zijn voor die onderzoekers die geïnteresseerd zijn in een vergelijking van de twee signalen over het hele hoofd, hoewel het gemakkelijk kan worden aangepast voor studies die specifieke interessegebieden onderzoeken.

Het protocol schetst in detail de belangrijkste wijzigingen aan de fNIRS-apparatuur, waaronder fNIRS-dopvoorbereiding met inzetstukken om vitamine E-capsules op te slaan, dopverbeteringen om het comfort in frontale gebieden en verstelbaarheid aan de achterkant van het hoofd te vergroten, en een op maat gemaakte MR-veilige brug om de fNIRS-optische vezels op de scannertafel te brengen. Een van de belangrijkste uitdagingen bij het uitvoeren van een simultaan fMRI/fNIRS-onderzoek is ervoor te zorgen dat de opstelling de deelnemers in staat stelt comfortabel in de scanner te rusten. De huidige opstelling met volwassenen maakt scansessies van gemiddeld ongeveer 40 minuten mogelijk, die zowel functionele als structurele scans omvatten. De hoeveelheid tijd dat deelnemers comfortabel in de scanner kunnen rusten, wordt voornamelijk bepaald door het type optodes dat bij het fNIRS-systeem wordt geleverd. Het huidige protocol maakt gebruik van een NIRx NIRScout XP-systeem met onopvallende optodes met een plat oppervlak, waardoor de meeste volwassen proefpersonen gedurende de gehele duur van het onderzoek comfortabel in de scanner kunnen rusten. Ten slotte bevat het protocol ook stappen voor temporele afstemming van de twee gegevensstromen via triggersynchronisatie tussen modaliteiten, plaatsing van fNIRS-limieten, instelling van deelnemers en signaalopname.

Beperkingen en mogelijke uitdagingen
Het protocol moet mogelijk worden aangepast aan de specifieke kenmerken van het beschikbare fNIRS-instrument. Een cruciale eerste stap is om contact op te nemen met de fNIRS-leverancier om er zeker van te zijn dat de optodes en optische vezels geschikt zijn voor gegevensverzameling in de MR-omgeving. fNIRS-systemen zullen waarschijnlijk variëren met betrekking tot het type doppen en optoden. Goed passende doppen en optodes met een laag profiel en een vlak oppervlak worden aanbevolen. Als alternatief is in eerder werk het gebruik van op maat gemaakte ondersteuningssystemen beschreven om te voorkomen dat er druk wordt uitgeoefend op de fNIRS-optodes32.

Een ander aspect dat waarschijnlijk per fNIRS-apparaat zal verschillen, is het activeringssysteem dat beschikbaar is voor signaalsynchronisatie tussen modaliteiten. Het huidige protocol maakt gebruik van een parallelle poortreplicatorbox om de TTL-pulsen van de scanner te ontvangen en triggers naar de fNIRS-acquisitiesoftware te sturen. Aangezien dit een belangrijke stap is om synchronisatie tussen modaliteiten te garanderen, moet de onderzoeker met zijn fNIRS-leverancier overleggen over het aanbevolen systeem voor signaalsynchronisatie.

Ten slotte maakt het huidige protocol gebruik van 8 korteafstandskanalen, die momenteel alleen beschikbaar zijn voor een beperkt aantal fNIRS-systemen. Als er geen korteafstandskanalen beschikbaar zijn, is een alternatief het implementeren van enkele van de recente analytische benaderingen voor identificatie en verwijdering van het systemische fysiologische signaal 18,25,48,49,50,51. Voor een recente kwantitatieve vergelijking van de beschikbare correctietechnieken, zie52.

Toepassingen van het protocol voor het testen van ontwikkelings- en klinische populaties
Het protocol kan worden aangepast voor het verzamelen van gegevens van fMRI- en fNIRS-signalen met ontwikkelings- en klinische populaties. Mogelijke aanpassingen die nodig zijn voor deze populaties zijn onder meer kapmaten (aangezien de doppen leeftijds- en hoofdmaatspecifiek zijn), de toevoeging van een trainingssessie om de deelnemer vertrouwd te maken met de scanneromgeving en het opnemen van kortere scansessies - die allemaal bijzonder relevant zijn bij het testen van baby's en jonge kinderen. Bovendien zijn de voordelen van het gebruik van korteafstandskanalen bij zuigelingen en jonge kinderen nog steeds onduidelijk53, hoewel eerdere studies hebben aangetoond dat 10 mm-afstandskanalen extracerebrale hemodynamica bij zuigelingen lijken vast te leggen53,54. Monte Carlo-simulaties van fotonentransport geven aan dat er verschillende optimale bron-detectorafstanden nodig zijn voor korte scheidingskanalen bij volwassenen en pasgeborenen als functie van leeftijd en optodelocatie op de hoofdhuid55. Er is echter verder onderzoek nodig om gestandaardiseerde benaderingen te creëren om korte separatieregressie uit te voeren bij zuigelingen en jonge kinderen. Ten slotte zullen studies die afhankelijk zijn van auditieve stimuli van goede kwaliteit zorgvuldig moeten nadenken over de beschikbare systemen voor de levering van audio in de MRI-scanner. Actieve hoofdtelefoons met ruisonderdrukking die momenteel bij volwassenen worden gebruikt, kunnen gemakkelijk worden verplaatst als gevolg van hoofdbewegingen bij gebruik met wakkere baby's en peuters. In dergelijke gevallen moet een babyspecifieke hoofdtelefoon worden gebruikt. Als alternatief kunnen baby's voorafgaand aan de scan deelnemen aan een trainingssessie om hoofdbewegingen te minimaliseren, hoewel deze optie mogelijk alleen werkt voor oudere baby's.

Conclusie
Het protocol maakt gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-signalen mogelijk. In tegenstelling tot de beschikbare methoden, implementeert het een fNIRS-array voor het hele hoofd en omvat het kanaalmetingen over korte afstanden. Verder worden twee verschillende methoden beschreven voor co-registratie van de fNIRS-signalen van optode-naar-hoofdhuid: i) vitamine E-capsules die aan elke optode op de fNIRS-doppen zijn bevestigd en ii) een 3D-structuursensor die digitalisering van de optodelocaties mogelijk maakt met betrekking tot fiduciale markers op het hoofd. Het huidige protocol kan eenvoudig worden aangepast om gegevens te verzamelen uit specifieke interessegebieden en over een verscheidenheid aan experimentele paradigma's. Hoewel het huidige protocol is getest met jonge volwassenen, worden er ook suggesties gedaan om het aan te passen voor gebruik met ontwikkelings- en klinische populaties. Dit protocol zal met name relevant zijn voor diegenen die geïnteresseerd zijn in het valideren van fNIRS-activeringen op gebiedsniveau en functionele connectiviteit tegen fMRI gedurende de hele levensduur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Publicatiekosten voor dit artikel worden gesponsord door NIRx. De auteurs hebben verder niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd ondersteund door de volgende financieringsbronnen: een NARSAD Young Investigator Award Grant van de Brain and Behavior Research Foundation (Grant #29736) (SSA), een Global Grand Challenges Grant van de Bill and Melinda Gates Foundation (Grant #INV-005792) (RNA) en een Discovery Fund Grant van de afdeling Psychologie van Yale University (RNA). De auteurs willen ook Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) bedanken voor zijn steun tijdens het verzamelen van gegevens en Adam Eggebrecht, Ari Segel en Emma Speh (Washington University in St. Louis) voor hun hulp bij de data-analyse.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
280 low-profile MRI-compatible grommets for NIRs caps NIRx GRM-LOP
4 128-position NIRS caps with 128x unpopulated slits in 10-5 layout NIRx CP-128-128S Sizes: 52, 54, 56, 60
8 bundles of 4x detector fibers with low-profile tip; MRI-, MEG-, and TMS-compatible.  NIRx DET-FBO- LOW 10 m long
8 bundles of 4x laser source fibers with MRI-compatible low-profile tip NIRx SRC-FBO- LAS-LOW 10 m long
Bundle set of 8 short-channel detectors with specialized ring grommets that fit to low-profile grommets NIRx DET-SHRT-SET Splits a single detector into 8 short channels that may be placed anywhere on a single NIRS cap
Magnetom 3T PRISMA Siemens N/A 128 channel capacity, 64/32/20 channel head coils, 80 mT/m max gradient amplitude, 200 T/m/s slew rate, full neuro sequences
NIRScout XP Core System Unit NIRx NSXP- CHS Up to 64x Laser-2 (or 32x laser-4) illuminators or 64 LED-2 illuminators; up to 32x detectors; capable of tandem (multi-system) and hyperscanning (multi-subject) measurements; compatible with EEG, tDCS, eye-tracking, and other modalities; modules available for fMRI, TMS, MEG compatibility
NIRStar software NIRx N/A Version 15.3
NIRx parallel port replicator NIRx ACC-LPT-REP The parallel prot replicator  comes with three components: parallel port replicator box, USB power cable and BNC adapter
Physiological pulse unit Siemens PPU098 Optical plethysmography allowing the acquisiton of the cardiac rhythm.
Respiratory unit Siemens PERU098  Unit intended for the acquisition of the respiratory amplitude (by means of a pneumatic system and a restraint belt).
Structure Sensor Mark II Occipital 101866 (SN) 3D structure sensor for optode digitization.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pinti, P., et al. The present and future use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for cognitive neuroscience. Annals of the New York Academy of Sciences. 1464 (1), 5-29 (2020).
  2. Quaresima, V., Ferrari, M. Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) for Assessing Cerebral Cortex Function During Human Behavior in Natural/Social Situations: A Concise Review. Organizational Research Methods. 22 (1), 46-68 (2016).
  3. Pinti, P., et al. A Review on the Use of Wearable Functional Near-Infrared Spectroscopy in Naturalistic Environments. The Japanese Psychological Research. 60 (4), 347-373 (2018).
  4. Wilcox, T., Biondi, M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdisciplinary Reviews: Cognitive Science. 6 (3), 263-283 (2015).
  5. Blasi, A., Lloyd-Fox, S., Katus, L., Elwell, C. E. fNIRS for Tracking Brain Development in the Context of Global Health Projects. Photonics. 6 (3), 89 (2019).
  6. Aslin, R. N. Questioning the questions that have been asked about the infant brain using near-infrared spectroscopy. Cognitive Neuropsychology. (1-2), 7-33 (2012).
  7. Chen, W. L., et al. Functional Near-Infrared Spectroscopy and Its Clinical Application in the Field of Neuroscience: Advances and Future Directions. Frontiers in Neuroscience. 14, 724 (2020).
  8. Lee, Y. J., Kim, M., Kim, J. S., Lee, Y. S., Shin, J. E. Clinical Applications of Functional Near-Infrared Spectroscopy in Children and Adolescents with Psychiatric Disorders. Journal of Child & Adolescent Psychiatry. 32 (3), 99-103 (2021).
  9. Bonilauri, A., Sangiuliano Intra, F., Baselli, G., Baglio, F. Assessment of fNIRS Signal Processing Pipelines: Towards Clinical Applications. Applied Sciences. 12 (1), 316 (2021).
  10. Kleinschmidt, A., et al. Simultaneous recording of cerebral blood oxygenation changes during human brain activation by magnetic resonance imaging and near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 16 (5), 817-826 (1996).
  11. Strangman, G., Culver, J. P., Thompson, J. H., Boas, D. A. A Quantitative Comparison of Simultaneous BOLD fMRI and NIRS Recordings during Functional Brain Activation. NeuroImage. 17 (2), 719-731 (2002).
  12. Glover, G. H. Overview of functional magnetic resonance imaging. Neurosurgery Clinics of North America. 22 (2), (2011).
  13. Toronov, V., et al. Investigation of human brain hemodynamics by simultaneous near-infrared spectroscopy and functional magnetic resonance imaging. Medical Physics. 28 (4), 521-527 (2001).
  14. Huppert, T. J., Hoge, R. D., Diamond, S. G., Franceschini, M. A., Boas, D. A. A temporal comparison of BOLD, ASL, and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans. NeuroImage. 29 (2), 368-382 (2006).
  15. Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. NeuroImage. 54 (4), 2808-2821 (2011).
  16. Duan, L., Zhang, Y. J., Zhu, C. Z. Quantitative comparison of resting-state functional connectivity derived from fNIRS and fMRI: a simultaneous recording study. NeuroImage. 60 (4), 2008-2018 (2012).
  17. Sasai, S., et al. A NIRS-fMRI study of resting state network. NeuroImage. 63 (1), 179-193 (2012).
  18. Noah, J. A., et al. Comparison of short-channel separation and spatial domain filtering for removal of non-neural components in functional near-infrared spectroscopy signals. Neurophotonics. 8 (1), 015004 (2021).
  19. Wyser, D., et al. Short-channel regression in functional near-infrared spectroscopy is more effective when considering heterogeneous scalp hemodynamics. Neurophotonics. 7 (3), 035011 (2020).
  20. Homolle, S., Oostenveld, R. Using a structured-light 3D scanner to improve EEG source modeling with more accurate electrode positions. Journal of Neuroscience Methods. 326, 108378 (2019).
  21. Jasper, H. H. The ten-twenty electrode system of the International Federation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 10, 370-375 (1958).
  22. von Luhmann, A., Li, X., Muller, K. R., Boas, D. A., Yucel, M. A. Improved physiological noise regression in fNIRS: A multimodal extension of the General Linear Model using temporally embedded Canonical Correlation Analysis. NeuroImage. 208, 116472 (2020).
  23. Glasser, M. F., et al. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. NeuroImage. 80, 105-124 (2013).
  24. Ji, J. L., et al. QuNex-An integrative platform for reproducible neuroimaging analytics. Frontiers in Neuroinformation. 17, 1104508 (2023).
  25. Yucel, M. A., et al. Best practices for fNIRS publications. Neurophotonics. 8 (1), 012101 (2021).
  26. Eggebrecht, A., Muccigrosso, D., Culver, J. NeuroDOT: an extensible Matlab toolbox for streamlined optical brain mapping. Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging VII. , (2019).
  27. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. W., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. NeuroImage. 62 (2), 782-790 (2012).
  28. Fischl, B. FreeSurfer. NeuroImage. 62 (2), 774-781 (2012).
  29. Penny, W. D., Friston, K. J., Ashburner, J. T., Kiebel, S. J., Nichols, T. E. Statistical parametric mapping: the analysis of functional brain images. , Academic Press, Elsevier. (2011).
  30. Cox, R. W. AFNI: software for analysis and visualization of functional magnetic resonance neuroimages. Computers and Biomedical Research. 29 (3), 162-173 (1996).
  31. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: Open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011, 156869 (2011).
  32. Sato, H., et al. A NIRS-fMRI investigation of prefrontal cortex activity during a working memory task. NeuroImage. 83, 158-173 (2013).
  33. Jermyn, M., et al. Fast segmentation and high-quality three-dimensional volume mesh creation from medical images for diffuse optical tomography. Journal of Biomedical Optics. 18 (8), 86007 (2013).
  34. Dehghani, H., et al. Near infrared optical tomography using NIRFAST: Algorithm for numerical model and image reconstruction. Communications in Numerical Methods in Engineering. 25 (6), 711-732 (2008).
  35. Wheelock, M. D., Culver, J. P., Eggebrecht, A. T. High-density diffuse optical tomography for imaging human brain function. The Review of Scientific Instruments. 90 (5), 051101 (2019).
  36. Eggebrecht, A. T., et al. A quantitative spatial comparison of high-density diffuse optical tomography and fMRI cortical mapping. NeuroImage. 61 (4), 1120-1128 (2012).
  37. Boas, D. A., Culver, J. P., Stott, J. J., Dunn, A. K. Three dimensional Monte Carlo code for photon migration through complex heterogeneous media including the adult human head. Optics Express. 10 (3), 159-170 (2002).
  38. Wang, L., Jacques, S. L., Zheng, L. MCML-Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 47 (2), 131-146 (1995).
  39. Gregg, N. M., White, B. R., Zeff, B. W., Berger, A. J., Culver, J. P. Brain specificity of diffuse optical imaging: improvements from superficial signal regression and tomography. Frontiers in Neuroenergetics. 2, 14 (2010).
  40. Brigadoi, S., et al. Motion artifacts in functional near-infrared spectroscopy: a comparison of motion correction techniques applied to real cognitive data. NeuroImage. 85, 181-191 (2014).
  41. Pelphrey, K. A., Shultz, S., Hudac, C. M., Vander Wyk, B. C. Research review: Constraining heterogeneity: the social brain and its development in autism spectrum disorder. Journal of Child Psychology and Psychiatry, and Allied Disciplines. 52 (6), 631-644 (2011).
  42. Cui, X., Bray, S., Reiss, A. L. Functional near infrared spectroscopy (NIRS) signal improvement based on negative correlation between oxygenated and deoxygenated hemoglobin dynamics. NeuroImage. 49 (4), 3039-3046 (2010).
  43. Sherafati, A., et al. Global motion detection and censoring in high-density diffuse optical tomography. Human Brain Mapping. 41 (14), 4093-4112 (2020).
  44. Eggebrecht, A. T., et al. Mapping distributed brain function and networks with diffuse optical tomography. Nature Photonics. 8 (6), 448-454 (2014).
  45. Ferradal, S. L., et al. Functional Imaging of the Developing Brain at the Bedside Using Diffuse Optical Tomography. Cerebral Cortex. 26 (4), 1558-1568 (2016).
  46. Winkler, A. M., Ridgway, G. R., Webster, M. A., Smith, S. M., Nichols, T. E. Permutation inference for the general linear model. NeuroImage. 92, 381-397 (2014).
  47. Hassanpour, M. S., et al. Statistical analysis of high density diffuse optical tomography. NeuroImage. 85, 104-106 (2014).
  48. Zhang, F., et al. Correcting physiological noise in whole-head functional near-infrared spectroscopy. Journal of Neuroscience Methods. 360, 109262 (2021).
  49. Duan, L., et al. Wavelet-based method for removing global physiological noise in functional near-infrared spectroscopy. Biomedical Optics Express. 9 (8), 3805-3820 (2018).
  50. Klein, F., Kranczioch, C. Signal Processing in fNIRS: A Case for the Removal of Systemic Activity for Single Trial Data. Frontiers in Human Neuroscience. 13, 331 (2019).
  51. Zhou, X., Sobczak, G., McKay, C. M., Litovsky, R. Y. Comparing fNIRS signal qualities between approaches with and without short channels. PLoS One. 15 (12), 0244186 (2020).
  52. Santosa, H., Zhai, X., Fishburn, F., Sparto, P. J., Huppert, T. J. Quantitative comparison of correction techniques for removing systemic physiological signal in functional near-infrared spectroscopy studies. Neurophotonics. 7 (3), 035009 (2020).
  53. Emberson, L. L., Crosswhite, S. L., Goodwin, J. R., Berger, A. J., Aslin, R. N. Isolating the effects of surface vasculature in infant neuroimaging using short-distance optical channels: a combination of local and global effects. Neurophotonics. 3 (3), 031406 (2016).
  54. Frijia, E. M., et al. Functional imaging of the developing brain with wearable high-density diffuse optical tomography: A new benchmark for infant neuroimaging outside the scanner environment. NeuroImage. 225, 117490 (2021).
  55. Brigadoi, S., Cooper, R. J. How short is short? Optimum source-detector distance for short-separation channels in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 2 (2), 025005 (2015).

Tags

FMRI FNIRS Neuroimaging-methodologie Cerebrale bloedoxygenatie Functionele hersenactivering Activeringen op gebiedsniveau Functionele connectiviteit FNIRS-dekking van het hele hoofd Metingen op korte afstand Co-registratie van optode tot hoofdhuid
Gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-metingen met behulp van een optode-array voor het hele hoofd en kanalen over korte afstand
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sanchez-Alonso, S., Canale, R. R.,… More

Sanchez-Alonso, S., Canale, R. R., Nichoson, I. F., Aslin, R. N. Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels. J. Vis. Exp. (200), e65088, doi:10.3791/65088 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter