Summary
Presentiamo un metodo per la raccolta simultanea di segnali fMRI e fNIRS dagli stessi soggetti con copertura fNIRS a testa intera. Il protocollo è stato testato con tre giovani adulti e può essere adattato per la raccolta di dati per studi sullo sviluppo e popolazioni cliniche.
Abstract
La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) è una metodologia di neuroimaging portatile, più robusta al movimento e più economica della risonanza magnetica funzionale (fMRI), il che la rende particolarmente adatta per condurre studi naturalistici sulla funzione cerebrale e per l'uso con popolazioni cliniche e in via di sviluppo. Entrambe le metodologie fNIRS e fMRI rilevano cambiamenti nell'ossigenazione del sangue cerebrale durante l'attivazione funzionale del cervello e studi precedenti hanno mostrato un'elevata corrispondenza spaziale e temporale tra i due segnali. Non esiste, tuttavia, un confronto quantitativo dei due segnali raccolti simultaneamente dagli stessi soggetti con copertura fNIRS a testa intera. Questo confronto è necessario per convalidare in modo completo le attivazioni a livello di area e la connettività funzionale rispetto al gold standard fMRI, che a sua volta ha il potenziale per facilitare il confronto dei due segnali nel corso della vita. Affrontiamo questa lacuna descrivendo un protocollo per la raccolta simultanea di dati di segnali fMRI e fNIRS che: i) fornisce una copertura fNIRS a testa intera; ii) include misurazioni a breve distanza per la regressione del segnale fisiologico sistemico non corticale; e iii) implementa due diversi metodi per la co-registrazione optode-cuoio capelluto delle misurazioni fNIRS. Vengono presentati i dati fMRI e fNIRS di tre soggetti e vengono discusse le raccomandazioni per adattare il protocollo alle popolazioni in via di sviluppo e cliniche. L'attuale configurazione con adulti consente sessioni di scansione per una media di circa 40 minuti, che includono sia scansioni funzionali che strutturali. Il protocollo delinea i passaggi necessari per adattare l'apparecchiatura fNIRS per l'uso nell'ambiente di risonanza magnetica (RM), fornisce raccomandazioni sia per la registrazione dei dati che per la co-registrazione optodo-cuoio capelluto e discute le potenziali modifiche del protocollo per adattarsi alle specifiche del sistema fNIRS sicuro per la risonanza magnetica disponibile. Le risposte rappresentative specifiche del soggetto da un compito a scacchiera lampeggiante illustrano la fattibilità del protocollo per misurare i segnali fNIRS dell'intera testa nell'ambiente RM. Questo protocollo sarà particolarmente rilevante per i ricercatori interessati a convalidare i segnali fNIRS rispetto alla fMRI per tutta la durata della vita.
Introduction
La funzione cognitiva è stata studiata nel cervello umano adulto tramite risonanza magnetica funzionale (fMRI) per quasi tre decenni. Sebbene la fMRI fornisca un'elevata risoluzione spaziale e immagini sia funzionali che strutturali, spesso non è pratica per gli studi condotti in contesti naturalistici o per l'uso con neonati e popolazioni cliniche. Questi vincoli limitano sostanzialmente la nostra comprensione delle funzioni cerebrali. Un'alternativa alla fMRI è l'uso di metodologie portatili più convenienti e robuste per il movimento, come la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS)1,2,3. La fNIRS è stata utilizzata con neonati e bambini piccoli per valutare la funzione cerebrale in una serie di domini cognitivi, come lo sviluppo del linguaggio, l'elaborazione di informazioni socialmente rilevanti e l'elaborazione di oggetti 4,5,6. La fNIRS è anche una modalità di neuroimaging particolarmente adatta per testare le popolazioni cliniche grazie al suo potenziale per test e monitoraggio ripetuti in tutte le età 7,8,9. Nonostante la sua ampia applicabilità, non ci sono studi che confrontino quantitativamente i segnali fMRI e fNIRS raccolti simultaneamente dagli stessi soggetti con copertura dell'intera testa. Questo confronto è necessario per convalidare in modo completo le attivazioni a livello di area e la connettività funzionale tra le regioni di interesse (ROI) rispetto al gold standard fMRI. Inoltre, stabilire questa corrispondenza intermodale ha il potenziale per migliorare l'interpretazione della fNIRS quando è l'unico segnale raccolto sia nello sviluppo tipico che in quello atipico.
Sia i segnali fMRI che fNIRS rilevano i cambiamenti nell'ossigenazione del sangue cerebrale (CBO) durante l'attivazione funzionaledel cervello 10,11. La fMRI si basa sui cambiamenti nei campi elettromagnetici e fornisce un'elevata risoluzione spaziale dei cambiamenti CBO12. La fNIRS, al contrario, misura i livelli di assorbimento della luce nel vicino infrarosso utilizzando una serie di optodi che emettono e rilevano la luce2. Poiché la fNIRS misura i cambiamenti nell'assorbimento a diverse lunghezze d'onda, può valutare le variazioni di concentrazione sia nell'ossiemoglobina che nella deossiemoglobina. Studi precedenti che utilizzano registrazioni simultanee di segnali fMRI e fNIRS con un piccolo numero di optodi hanno dimostrato che i due segnali hanno un'elevata corrispondenza spaziale e temporale10. Esistono forti correlazioni tra la fMRI dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) e le misure ottiche11,13, con la deossiemoglobina che mostra la più alta correlazione con la risposta BOLD, come riportato da un lavoro precedente che confronta le dinamiche temporali delle funzioni di risposta emodinamica (HRF) fNIRS e fMRI)14. Questi primi studi hanno implementato paradigmi di risposta motoria (ad esempio, il tocco delle dita) e hanno utilizzato un numero limitato di optodi che coprivano le aree della corteccia motoria primaria e premotoria. Nell'ultimo decennio, gli studi hanno ampliato l'attenzione per includere una batteria più ampia di compiti cognitivi e sessioni in stato di riposo, sebbene utilizzino ancora un numero limitato di optodi che coprono ROI specifici. Questi studi hanno dimostrato che la variabilità delle correlazioni fNIRS/fMRI dipende dalla distanza dell'optodo dal cuoio capelluto e dal cervello15. Inoltre, la fNIRS può fornire misure di connettività funzionale in stato di riposo paragonabili alla fMRI16,17.
L'attuale protocollo si basa su lavori precedenti e affronta le limitazioni chiave i) fornendo una copertura fNIRS a testa intera, ii) includendo misurazioni a breve distanza per la regressione di segnali fisiologici non corticali, iii) implementando due diversi metodi per la co-registrazione optodo-cuoio capelluto delle misurazioni fNIRS e iv) consentendo la valutazione dell'affidabilità test-retest del segnale in due sessioni indipendenti. Questo protocollo per la raccolta simultanea dei dati dei segnali fMRI e fNIRS è stato inizialmente sviluppato per testare i giovani adulti. Tuttavia, uno degli obiettivi dello studio era quello di creare una configurazione sperimentale per la raccolta simultanea di segnali fMRI/fNIRS che possono essere successivamente adattati per testare le popolazioni in via di sviluppo. Pertanto, l'attuale protocollo può essere utilizzato anche come punto di partenza per lo sviluppo di un protocollo per testare i bambini piccoli. Oltre a utilizzare la copertura fNIRS dell'intera testa, il protocollo mira anche a incorporare i recenti progressi nel campo dell'hardware fNIRS, come l'inclusione di canali a breve distanza per misurare il segnale fisiologico sistemico (cioè i cambiamenti vascolari derivanti da fonti non corticali, come la pressione sanguigna, i segnali respiratori e cardiaci)18,19 ; e l'uso di un sensore di struttura 3D per la co-registrazione optodo-cuoio capelluto20. Sebbene l'obiettivo del presente protocollo sia sui risultati di un compito a scacchiera lampeggiante visivo, l'intero esperimento include due sessioni con un mix di progetti tradizionali di attività a blocchi, sessioni in stato di riposo e paradigmi naturalistici di visione di film.
Il protocollo descrive i passaggi necessari per adattare l'apparecchiatura fNIRS per l'uso nell'ambiente MRI, tra cui la progettazione del cappuccio, l'allineamento temporale tramite la sincronizzazione del trigger e i test fantasma richiesti prima dell'inizio della raccolta dei dati. Come notato, l'attenzione qui è sui risultati del compito a scacchiera lampeggiante, ma la procedura complessiva non è specifica del compito e può essere appropriata per qualsiasi numero di paradigmi sperimentali. Il protocollo delinea ulteriormente i passaggi necessari durante la raccolta dei dati, che includono il posizionamento del cappuccio fNIRS e la calibrazione del segnale, la configurazione delle apparecchiature sperimentali e dei partecipanti, nonché la pulizia post-esperimento e l'archiviazione dei dati. Il protocollo si conclude fornendo una panoramica delle pipeline analitiche specifiche per la pre-elaborazione dei dati fNIRS e fMRI.
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Protocol
La ricerca è stata approvata dall'Institutional Review Board (IRB) dell'Università di Yale. Il consenso informato è stato ottenuto per tutti i soggetti. I soggetti dovevano superare lo screening della risonanza magnetica per garantire la loro partecipazione sicura. Sono stati esclusi se avevano una storia di grave disturbo medico o neurologico che avrebbe probabilmente influenzato il funzionamento cognitivo (ad esempio, un disturbo neurocognitivo o depressivo, un trauma, una schizofrenia o un disturbo ossessivo-compulsivo).
NOTA: L'attuale protocollo utilizza un dispositivo CW-NIRS con 100 canali a lunga distanza e 8 canali a breve distanza (32 sorgenti di diodi laser, λ = 785/830 nm con potenza media di 20mW/lunghezza d'onda, e 38 rivelatori a fotodiodo a valanga) campionati a 1,95 Hz. Le scansioni MRI e fMRI sono state raccolte su uno scanner Siemens 3 Tesla Prisma utilizzando una bobina di testa a 20 canali. Tutti i dati sono stati raccolti presso lo Yale Brain Imaging Center (https://brainimaging.yale.edu/). Le modifiche specifiche del sistema per la raccolta simultanea di dati fMRI e fNIRS sono annotate in tutto il protocollo.
1. Modifiche e sviluppo di apparecchiature fNIRS per la raccolta simultanea di dati
NOTA: I passaggi da 3 a 6 sono specifici per il sistema NIRScoutXP e potrebbero non essere applicabili ad altri sistemi fNIRS a causa della variazione del software di acquisizione e dei fantocci disponibili per la valutazione dell'optode.
- Preparazione dei tappi fNIRS
- Identificare i limiti fNIRS necessari per lo studio. Per uno studio su adulti, assicurarsi che siano disponibili le seguenti misure di cappuccio (in cm): 54, 56, 58 e 60.
- NOTA: Le dimensioni dei tappi sono specifiche per il sistema utilizzato in questo protocollo. Pertanto, potrebbero esserci variazioni nelle dimensioni specifiche necessarie per i diversi sistemi NIRS.
- Utilizzando capsule di vitamina E e un materiale idrorepellente (ad es. tessuto di nylon con rivestimento in PU), preparare i fiduciali. Avvolgere le capsule con il materiale scelto e cucire (o incollare) i fiduciali alle aree scelte (vedere la Figura 1A). Le capsule di vitamina E fungono da marcatori fiduciali per identificare la posizione dei canali fNIRS rispetto al tessuto cerebrale sottostante utilizzando l'immagine T1w.
- Determinare il numero di fiduciali in base all'array di optodi e al metodo di co-registrazione. Alcuni studi richiederanno solo il rilevamento di alcuni punti di riferimento anatomici, mentre altri potrebbero trarre vantaggio dal posizionamento di fiduciali accanto a ciascun optodo.
- Se il cappuccio fNIRS è troppo largo nella parte posteriore della testa, fissare due cinghie su entrambi i lati del berretto utilizzando tessuto elastico (con asole pretagliate) e bottoni per aumentare la regolabilità del cappuccio. Tra i partecipanti e indipendentemente da quanto sia stretto il cappuccio, fissare le cinghie per garantire una configurazione coerente del cappuccio.
- Se la parte anteriore della cuffia è troppo stretta sulla fronte, posizionare dei tamponi di gomma su quegli optodi che sono a diretto contatto con la pelle. Se il fornitore fNIRS non fornisce tamponi, crearli utilizzando adesivi in tessuto di feltro. Se si utilizzano tamponi in gomma, utilizzarli per tutti i partecipanti, indipendentemente dalla vestibilità del tappo, per garantire una configurazione coerente del tappo. Assicurarsi che gli ingredienti nei tamponi in gomma non abbiano componenti metallici per proteggersi dagli artefatti nelle immagini RM.
- Installazione dell'apparecchiatura fNIRS nelle sale di controllo e scanner per la risonanza magnetica
- Posizionare il dispositivo fNIRS nella sala di controllo vicino a una delle guide d'onda che portano alla sala scanner. Se necessario, utilizzare una superficie rialzata (ad es. uno sgabello) per garantire che il dispositivo fNIRS sia il più vicino possibile alle guide d'onda per massimizzare la lunghezza della fibra.
- Utilizzando una rete per cavi a rete, raggruppare le fibre ottiche in gruppi. Determinare questi gruppi in base all'array di optodi scelto. Idealmente, le fibre ottiche saranno raggruppate in modo che tutti gli optodi del gruppo debbano essere posizionati sullo stesso lato della testa (sinistra o destra).
- Collegare le fibre ottiche al dispositivo fNIRS e guidare i fasci nella sala scanner attraverso le guide d'onda. Prima di ordinare le fibre ottiche, misurare la distanza tra il dispositivo fNIRS e il centro del foro dello scanner per assicurarsi che la lunghezza delle fibre ottiche sia sufficiente.
- Portare le fibre ottiche sul tavolo dello scanner. Utilizzare un ponte sicuro per la risonanza magnetica per trattenere le fibre ottiche per garantire che il peso delle fibre non causi l'incurvamento delle fibre e per evitare che allontanino il cappuccio dalla testa del soggetto (vedere la Figura 1B).
- Configurazione del box del replicatore di porte parallele
- Installare l'ultima versione del software NIRStar sul computer di acquisizione dati fNIRS.
- Collegare il replicatore di porte parallele al cavo che trasmette l'impulso simile a transistor-transistor Logic (TTL) dallo scanner come indicato nel manuale di attivazione del produttore (versione R2.1; vedere la Figura 1C). L'impulso TTL corrisponde a un impulso di temporizzazione della fetta inviato direttamente dallo scanner. Quando lo scanner invia un impulso, uno degli indicatori LED si accende.
- Collegare il box replicatore di porte parallele al dispositivo fNIRS tramite un ingresso per porta parallela. Questo invierà un trigger al software NIRStar ogni volta che viene rilevato un impulso TTL dallo scanner. Il segnale di trigger si rifletterà sullo schermo di registrazione dell'acquisizione dati come una linea tratteggiata. Questa configurazione garantisce la sincronizzazione della raccolta dei dati fNIRS e fMRI, poiché ogni volta che un impulso di temporizzazione della fetta viene raccolto nello scanner, ciò si rifletterà nel flusso di dati fNIRS registrato dal software di acquisizione NIRStar.
- Preparazione del fantoccio statico per la valutazione dell'optode
- Posizionare gli optodi nel dispositivo fantasma statico fornito dal fornitore fNIRS. La disposizione degli optodi sul fantoccio dipenderà dal tipo di strumento fNIRS e dal numero di sorgenti e rivelatori disponibili. Verificare la corretta disposizione degli optodi nella guida introduttiva del fornitore del produttore.
- Assicurarsi che il fantasma sia completamente schermato da qualsiasi fonte di luce. Alcuni fornitori forniscono una custodia adatta che aiuta a schermare gli optodi da qualsiasi fonte di luce esterna.
- Collegare tutte le sorgenti disponibili e i fasci di rivelatori al fantoccio fNIRS in base alla disposizione degli optodi specificata.
- Collegare il fantoccio fNIRS al computer di acquisizione e avviare il software di acquisizione NIRStar.
- Esecuzione di un test strumentale di rumore scuro fantasma
- Sotto la voce di menu Configure Hardware (Configura hardware) del software di acquisizione NIRStar, aprire la scheda Channel Setup (Impostazione canale). Assicurarsi che in Numero di sorgenti e Numero di rilevatori il numero totale di sorgenti e rilevatori disponibili sia impostato correttamente. Confermare queste impostazioni facendo clic su OK.
- Avviare la finestra del test del rumore scuro facendo clic sulla voce di menu Diagnostica nel menu principale della finestra NIRStar.
- Eseguire il test premendo il pulsante Esegui test . Salvare i risultati del test premendo il pulsante Salva risultati .
NOTA: Fare riferimento alla "Guida introduttiva: risoluzione dei problemi relativi a Static Phantom" del produttore per indicazioni su come interpretare i risultati.
- Esecuzione di un test di calibrazione fantasma
- Sotto la voce di menu Configure Hardware (Configura hardware ) del software di acquisizione NIRStar, aprire la scheda Channel Setup (Impostazione canale ). Assicurarsi che in Numero di sorgenti e Numero di rilevatori il numero totale di sorgenti e rilevatori disponibili sia impostato correttamente.
- Sotto la voce di menu Configura hardware , aprire la scheda Mascheramento canale . Mascherare tutti i canali premendo il pulsante Seleziona tutto .
- Sotto la voce di menu Configura hardware, nella scheda Specifiche hardware, scegliere Fantasma statico (Static Phantom) in Tipo di studio (Study Type). Confermare queste impostazioni facendo clic su OK.
- Avviare la calibrazione premendo il pulsante Calibra. Una volta completata la calibrazione, premere il pulsante Dettagli per visualizzare i risultati dettagliati della calibrazione.
NOTA: Fare riferimento alla "Guida introduttiva: risoluzione dei problemi relativi a Static Phantom" del produttore per indicazioni su come interpretare i risultati.
Figura 1. Apparecchiatura per la raccolta simultanea dei dati delle misure fMRI e fNIRS. (A) Sacchetto in materiale nero idrorepellente per conservare le capsule di vitamina E cucite sul cappuccio fNIRS adiacente a ciascun optodo. (B) Ponte a prova di risonanza magnetica per tenere le fibre ottiche sopra il pavimento in modo che possano raggiungere la testa del partecipante durante la raccolta dei dati. (C) Replicatore di porte parallele che trasmette impulsi dallo scanner al dispositivo fNIRS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. Progettazione di attività sperimentali
- Decidi la durata della sessione di scansione prendendo in considerazione il comfort del partecipante all'interno dello scanner. Ad esempio, lo studio qui evidenziato include due immagini strutturali (T1w e T2w) per una durata totale di circa 14 minuti e cinque esecuzioni funzionali per una durata aggiuntiva di circa 25 minuti.
NOTA: Sarà necessario pilotare lo studio con diversi partecipanti per identificare la durata appropriata dello studio poiché i fattori specifici dello studio (ad esempio, l'età del partecipante, la dimensione del cappuccio) determineranno il livello di comfort. - Progettare le attività di neuroimaging in linea con gli obiettivi della ricerca. Questo sarà specifico per lo studio. Qui viene presentata la procedura (e i risultati rappresentativi) di un'attività a scacchiera lampeggiante.
3. Posizionamento del tappo fNIRS e calibrazione del segnale il giorno del test
NOTA: Tutti i passaggi seguenti si svolgono nelle sale di controllo o di consenso della risonanza magnetica, se non diversamente specificato.
- Raccolta delle misure della testa e selezione del cappuccio fNIRS
- Una volta che il partecipante ha firmato i relativi moduli di consenso e ricevuto le istruzioni per i prossimi compiti, indirizzalo a sedersi su una sedia situata nella sala di controllo.
- Utilizzando un metro a nastro morbido standard, avvolgere il nastro attorno alla circonferenza più ampia possibile della testa del partecipante; dalla parte più prominente della fronte (spesso 1 o 2 dita sopra il sopracciglio) alla parte più larga della parte posteriore della testa e viceversa. Cerca di trovare la circonferenza più ampia.
- Scegli la misura del cappuccio più vicina alla circonferenza misurata.
- Fissaggio delle sonde del rilevatore a breve distanza sul cappuccio
NOTA: Questo passaggio è specifico per i sistemi NIRx e potrebbe non essere applicabile ad altri dispositivi fNIRS.- Posizionare le sonde del rivelatore a breve distanza afferrando saldamente la base e facendola scorrere attorno alla parte dell'anello di tenuta che passa attraverso la rete del cappuccio fNIRS (vedere la Figura 2A). Fare attenzione a non estrarre le sonde del rilevatore a breve distanza dal cavo poiché ciò potrebbe danneggiare il cavo.
NOTA: Quando si decide la distribuzione delle sonde, fare riferimento al recente lavoro che confronta le distribuzioni specifiche per l'intera testa con quelle specifiche per ROI18. - Se necessario, utilizzare le clip organizer in fibra fornite dal produttore per la gestione dei cavi. Assicurarsi che i cavi del rilevatore a breve distanza siano orientati verso la parte posteriore del cappuccio per mantenere libera l'area intorno al viso.
- Posizionare le sonde del rivelatore a breve distanza afferrando saldamente la base e facendola scorrere attorno alla parte dell'anello di tenuta che passa attraverso la rete del cappuccio fNIRS (vedere la Figura 2A). Fare attenzione a non estrarre le sonde del rilevatore a breve distanza dal cavo poiché ciò potrebbe danneggiare il cavo.
- Posizionamento del cappuccio fNIRS e degli optodi sulla testa del partecipante
- Chiedi al partecipante di indossare il berretto facendolo scivolare verso il basso dalla sommità della testa, come se stesse indossando un cappello invernale. Assicurati che il cappuccio sia dritto e che le orecchie siano nei fori per le orecchie.
- Chiedi al partecipante di stringere il sottogola quanto ti è comodo. Stringere le cinghie posteriori e assicurarsi che il cappuccio sia fissato saldamente e che le prese dell'optoide siano ben aderenti alla testa.
- Posizionare adesivi verdi per contrassegnare le posizioni fiduciali chiave in base alle 10-20 posizioni del sistema (inion, nasion, punti pre-auricolari anteriori all'orecchio e Cz)21.
NOTA: Gli adesivi verdi sono necessari se si utilizza il sensore di struttura 3D per determinare le coordinate spaziali delle posizioni degli optodi della sorgente e del rilevatore. Questo può variare a seconda del tipo di sensore di struttura 3D. L'attuale protocollo utilizza un sensore di struttura (Mark II) di Occipital20. - Utilizzando un metro a nastro, allineare simmetricamente i punti sul cappuccio con i punti del cuoio capelluto assicurandosi che i) i punti preauricolari siano equidistanti dal punto Cz e ii) il punto di inione e il punto di nasion siano equidistanti dal punto Cz. Assicurarsi che la posizione del tappo sia identica per tutti i partecipanti.
- Ottenere un modello della testa del partecipante utilizzando un digitalizzatore di sensori di struttura 3D
- Chiedi al partecipante di stare seduto per creare un modello 3D della sua testa.
- Apri l'applicazione Structure su un tablet o iPad.
NOTA: Il protocollo descrive i passaggi necessari per creare una mesh di testa con il sensore di struttura (Mark II) di Occipital20. Questi passaggi possono variare da un sistema all'altro. - Assicurati che le seguenti impostazioni siano disattivate: Colore ad alta risoluzione, Esposizione automatica IR e Tracker migliorato.
- Centra il partecipante in modo che l'intera testa si trovi all'interno del quadrato 3D sullo schermo, che venga renderizzata l'intera testa e che non ci siano troppe spalle nell'inquadratura.
- Fai una passeggiata a 360° intorno al partecipante per creare la scansione 3D. Attendere che l'applicazione acquisisca l'immagine ogni 90° circa prima di procedere (vedere la Figura 3A).
- Dopo che l'intera scansione è stata acquisita, premere il pulsante a destra dello schermo per creare il rendering 3D.
- Controlla il rendering per assicurarti che sia chiaro e che ci siano abbastanza dettagli per accertare il posizionamento degli optodi e degli adesivi fiduciali verdi. Archivia la scansione 3D in un server protetto HIPAA.
- Preparazione del partecipante per l'ingresso nella sala scanner
- Dopo che il modello 3D è stato generato, rimuovi gli adesivi verdi e chiedi al partecipante di mettere i tappi per le orecchie nelle orecchie.
- Seguire le istruzioni in vigore presso il centro di imaging RM per garantire che il partecipante sia in grado di entrare in sicurezza nella sala scanner. Questo passaggio di solito comporta la conferma con il partecipante che non ci sono metalli nel suo corpo e il passaggio attraverso un metal detector come controllo finale. Un questionario di sicurezza per la risonanza magnetica compilato dal soggetto prima dell'arrivo è spesso richiesto dalla maggior parte dei centri di imaging.
- Posizionamento delle sonde della sorgente e del rivelatore sul cappuccio fNIRS
- Nella stanza dello scanner, chiedi al partecipante di sedersi comodamente sul tavolo dello scanner.
- Mentre si stabilizza ciascun passacavo dell'optodo con una mano, utilizzare un applicatore sicuro per la risonanza magnetica con l'altra mano per allontanare i capelli dal centro dell'anello di tenuta (vedere la Figura 2B). Quando i capelli sono stati sufficientemente spostati fuori dall'area (idealmente in modo che il cuoio capelluto sia visibile), premere con decisione l'optode nell'anello di tenuta.
- Assicurarsi che, una volta rilasciata la tensione sull'anello di tenuta, i capelli non tornino ad occludere il centro dell'optodo. Se si utilizza un array a testa intera, si consiglia di orientare gli optodi nella parte posteriore della testa con le fibre rivolte verso la parte anteriore e gli optodi nella parte anteriore della testa con le fibre rivolte verso la parte posteriore. Questa configurazione delle fibre ottiche impedirà loro di aggrovigliarsi o piegarsi quando il partecipante si sdraia e posiziona la testa nella bobina della testina MRI.
NOTA: Questo processo di inserimento e allineamento delle fibre viene eseguito in modo più rapido e semplice con due sperimentatori situati su ciascun lato del partecipante, che coprono contemporaneamente. - Disporre le fibre ottiche ordinatamente in fasci utilizzando gli organizzatori di cavi (vedere la Figura 2B e la Figura 3B). Eseguire una calibrazione di prova e misurare la potenza del segnale utilizzando il software NIRStar. Il posizionamento e la calibrazione degli optodi eseguiti da due ricercatori esperti richiederanno circa 10 minuti.
- Regolare i singoli optodi secondo necessità fino a ottenere una qualità del segnale sufficiente spostando i capelli interferenti dagli optodi problematici. Rimuovere gli optodi dal cappuccio per spostare i capelli utilizzando una pinzetta di plastica (vedere la Figura 2B).
Figura 2. Rivelatori e strumenti a breve distanza per la preparazione di tappi fNIRS. (A) Sonde rivelatrici a breve distanza e tamponi in gomma da fissare al cappuccio fNIRS sulle aree frontali in cui i peli sono minimi. (B) Da sinistra a destra: organizzatori di cavi per organizzare le fibre ottiche in fasci, applicatori sicuri per la risonanza magnetica per allontanare i capelli durante il posizionamento dell'optode e pinzette di plastica per rimuovere gli optodi dal cappuccio, se necessario durante l'installazione del cappuccio NIRS per spostare i capelli. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Digitalizzatore del sensore di struttura 3D e posizionamento del tappo fNIRS. (A) Sperimentatore che utilizza il digitalizzatore del sensore di struttura 3D per creare un modello 3D della testa del partecipante. I bollini verdi vengono utilizzati per identificare le posizioni di fiducia. (B) Fibre ottiche inserite nel cappuccio fNIRS sulla testa di un partecipante e disposte in fasci utilizzando organizzatori di cavi prima della calibrazione del segnale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Configurazione dei partecipanti
NOTA: I seguenti passaggi vengono eseguiti nella sala scanner MRI. L'uso di una cintura respiratoria e di un pulsossimetro è facoltativo e necessario solo se i ricercatori sono interessati a far regredire questi segnali dai dati fNIRS22. Il protocollo utilizza una cintura respiratoria, che fa parte dell'unità respiratoria per l'acquisizione dell'ampiezza respiratoria utilizzando una cintura di contenzione. Allo stesso modo, l'unità di polso fisiologico è costituita da un sensore ottico di pletismografia che consente l'acquisizione del ritmo cardiaco.
- Assicurarsi che la bobina della testina a 20 canali sia inserita nello scanner. Se si utilizza un array fNIRS a testa intera, le bobine di testa a 32 e 64 canali saranno troppo strette per i partecipanti adulti.
- Posizionare un cuscino di schiuma all'interno della parte inferiore della bobina della testina per risonanza magnetica per sostenere la parte posteriore della testa del partecipante (vedere la Figura 4A).
- Chiedi al partecipante di sdraiarsi lentamente e con attenzione in modo che il suo movimento non sposti il cappuccio o tiri le fibre ottiche. Regolare i fasci di fibre ottiche secondo necessità per consentire alla testa del partecipante di appoggiare comodamente all'interno della bobina di testa (vedere la Figura 4B). Potrebbe essere necessario sollevare il tavolo dello scanner durante questa fase, a seconda di dove si trovano i cavi dalla guida d'onda.
- Posiziona un cuscino sotto le gambe del partecipante per assicurarti che si senta a suo agio. Posizionare la cintura respiratoria intorno alla vita del partecipante.
- Chiedi al partecipante di posizionare le cuffie con cancellazione del rumore intorno alle orecchie, facendo attenzione a non interferire con il posizionamento della sonda fNIRS. Per evitare che le cuffie scivolino, utilizzare cuscinetti sicuri per la risonanza magnetica su entrambi i lati della testa tra le cuffie e il lato interno della bobina della testina. È possibile utilizzare una fodera per cuscino per evitare che le cuffie entrino in contatto con la bobina della testa.
- Posizionare il pulsossimetro sul dito indice del soggetto della mano non dominante. Se si utilizza una pulsantiera per i compiti sperimentali, chiedere al partecipante di tenerla con la mano dominante. Fornisci al partecipante le istruzioni su come utilizzare la pulsantiera.
- Posiziona la sfera di compressione o l'allarme del pulsante sulla mano non dominante del soggetto e istruisci il partecipante su come usarlo. Testare l'allarme chiedendo al partecipante di premerlo.
- Far scorrere il partecipante di alcuni centimetri nel foro dello scanner per allineare la testa. Posizionare la parte superiore della bobina della testa. Quindi, inserire il microfono e lo specchio negli inserti della bobina corrispondenti.
- Far scorrere lentamente il partecipante nel foro dello scanner tenendo le fibre ottiche. Questo processo richiederà due persone, che si troveranno su ciascun lato del tavolo dello scanner. Assicurarsi che le fibre ottiche siano guidate con attenzione nel foro dello scanner per evitare di tirare gli optodi o pizzicare le fibre tra la bobina della testa e il foro dello scanner.
- Dopo aver confermato con il partecipante che è pronto per la sessione di scansione, tornare alla sala di controllo e confermare tramite l'audio dell'interfono che il partecipante può sentire lo sperimentatore e lo sperimentatore può sentire il partecipante.
Figura 4. Partecipante impostato nello scanner MRI. (A) Cuscini all'interno della bobina di testa MR utilizzati per sostenere la testa del partecipante e fibre ottiche disposte in fasci prima dell'installazione del partecipante. (B) Partecipante sdraiato sul letto dello scanner con il cappuccio fNIRS pronto per il test. La parte superiore della spirale di testa non è ancora stata posizionata sul viso del partecipante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
5. Configurazione dello scanner e dell'apparecchiatura fNIRS prima della registrazione del segnale
- Sul computer scanner, selezionare le sequenze strutturali e funzionali rilevanti per lo studio. Quando si calcola un modello di luce sensibile dei dati fNIRS, raccogliere immagini T1w e T2w per ottenere la migliore risoluzione di contrasto tissutale.
- Controllare il localizzatore per verificare una buona posizione della testa all'interno del foro dello scanner. Verificare che la copertura completa del cervello sia ottenuta dalla sommità della testa al cervelletto.
- Confermare con il partecipante che lo schermo del computer sia visibile tramite lo specchio della bobina di testa.
- Eseguire la prima scansione strutturale. In parallelo, eseguire un altro test di calibrazione degli optodi fNIRS per verificare se la configurazione del partecipante ha influito sulla potenza del segnale di uno qualsiasi dei canali.
- Dopo aver eseguito la prima risonanza magnetica strutturale, raccogliere le sequenze della mappa del campo dell'eco del gradiente e calibrare le cuffie con cancellazione del rumore per garantire che le cuffie siano in grado di fornire stimoli uditivi al partecipante, oltre a bloccare qualsiasi rumore ambientale.
NOTA: Alcuni partecipanti potrebbero aver bisogno di regolare le cuffie. In tal caso, rientrare nella stanza dello scanner e regolare l'imbottitura intorno alle cuffie, facendo attenzione a non interferire con il posizionamento della sonda fNIRS. Eseguire un altro localizzatore, sequenze di mappe del campo eco a gradiente e test di calibrazione degli optodi fNIRS prima di procedere.
6. Registrazione simultanea del segnale
- Verificare con il partecipante tramite l'interfono per assicurarsi che sia a suo agio e che stia bene. Fornisci le istruzioni per l'attività e ricorda ai partecipanti di tenere la testa e il corpo fermi.
- Fornite le seguenti istruzioni, specifiche per l'attività a scacchiera lampeggiante (Figura 5).
- In questo compito, chiedi al partecipante di guardare sempre il centro dello schermo che si trova di fronte a lui (tramite lo specchio). A volte, lo schermo mostrerà una scacchiera con tessere che sfarfallano a frequenze diverse. Altre volte, il partecipante vedrà un cerchio bianco al centro dello schermo.
- Quando il cerchio bianco appare sullo schermo, chiedi al partecipante di premere la casella dei pulsanti con il dito indice. Dopo aver premuto il pulsante, il cerchio diventerà rosso.
- Questa attività utilizza una progettazione a blocchi alternati. Lascia che i partecipanti completino una singola corsa di 6 minuti, che include 11 blocchi a scacchiera lampeggianti di 10 secondi ciascuno e 11 blocchi circolari di 20 secondi ciascuno.
- Iniziare la registrazione dei dati fNIRS sul computer fNIRS e iniziare le attività sul computer di presentazione dello stimolo. Lo script per le attività sperimentali verrà visualizzato come istruzioni per le attività.
- Avviare la prima esecuzione funzionale. Una volta che lo scanner invia il primo impulso TTL, questo verrà visualizzato come segnale di attivazione nella schermata di registrazione dei dati del software NIRStar. Questo primo impulso darà anche inizio al compito sperimentale.
- Monitora le prestazioni e il movimento dei partecipanti in tutte le attività. In alcuni casi, soprattutto quando si utilizza una matrice di optodi a testa intera e cappucci di piccole dimensioni, alcuni partecipanti possono avvertire un certo disagio quando indossano il cappuccio. È importante monitorare sempre il comfort del partecipante.
- Se necessario, fornisci una pausa per il partecipante a metà sessione. Durante questa pausa, se i partecipanti hanno bisogno di sedersi, raccogliere un localizzatore ed eseguire nuovamente le sequenze della mappa del campo dell'eco del gradiente, la calibrazione delle cuffie e la calibrazione del test fNIRS prima di procedere. Questo passaggio di solito non è necessario quando si testano giovani adulti nello scanner se vengono seguiti i passaggi esatti del presente protocollo.
- Durante la raccolta dei dati, prendi appunti sulla sessione (ad esempio, dimensioni del tappo, ora del giorno, optodi non ben calibrati o qualcosa di insolito).
- Al termine di tutte le esecuzioni funzionali, interrompere la raccolta dei dati fNIRS. Se necessario, eseguire una seconda scansione strutturale.
Figura 5. Paradigma a scacchiera lampeggiante come compito sperimentale. I partecipanti hanno visto un motivo a scacchiera in bianco e nero con quadrati bianchi che lampeggiavano otto volte al secondo che si alternavano a uno schermo grigio che mostrava un cerchio bianco. Come controllo dell'attenzione, i partecipanti sono stati istruiti a premere un pulsante con la mano destra dopo aver visto apparire un cerchio bianco al centro dello schermo. Dopo aver premuto il pulsante, il cerchio diventa rosso. L'attività è stata completata in un'unica esecuzione composta da 22 blocchi in totale: 11 blocchi a scacchiera lampeggianti e 11 periodi di prova. I periodi a scacchiera lampeggiante duravano 10 secondi e i periodi inter-prova duravano 20 secondi. Pertanto, l'inizio della scacchiera lampeggiante si è verificato ogni 30 s (0,033 Hz). I display sono stati generati da PsychoPy v2021.2.4 e proiettati sullo specchietto retrovisore sulla parte superiore della bobina di testa tramite un sistema di proiezione DLP a 1080p. I partecipanti hanno completato una run di questo compito (~6 min). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
7. Pulizia post-esperimento e archiviazione dei dati
- Utilizzare il piano di scansione motorizzato per rimuovere lentamente il partecipante dal foro dello scanner, facendo attenzione a non pizzicare nessuna delle fibre ottiche. Rimuovere la parte superiore della bobina di testa e far sedere lentamente il partecipante.
- Rimuovere il cappuccio fNIRS dalla testa del partecipante e rimuovere ciascun optodo dai rispettivi occhielli. I peli spesso rimangono bloccati negli occhielli anche dopo che gli optodi sono stati rimossi, quindi istruire i partecipanti a rimuovere il cappuccio lentamente e con attenzione.
- Alcuni occhielli possono staccarsi durante il processo di disopercolatura. Assicurarsi di individuare tutte le parti dell'anello di tenuta e sostituire quelle mancanti prima della sessione di scansione del partecipante successivo.
- Chiedi ai partecipanti di scivolare giù dal letto dello scanner, ringraziali per il loro tempo e fornisci un compenso monetario, se applicabile.
- Assicurarsi che i registri delle attività, i dati fNIRS e fMRI siano archiviati e sottoposti a backup. Disinfettare il cappuccio con una soluzione detergente spray, come raccomandato dal fornitore fNIRS, e pulire le punte dell'optodo con salviette imbevute di alcol in plastica e gomma.
8. Pre-elaborazione dei dati fMRI
NOTA: I dati fMRI sono stati pre-elaborati seguendo le pipeline di pre-elaborazione minime dello Human Connectome Project23 utilizzando QuNex24, una suite software open source che supporta l'organizzazione dei dati, la pre-elaborazione, la garanzia della qualità e le analisi attraverso le modalità di neuroimaging. La documentazione dettagliata sulle impostazioni e i parametri specifici per ciascuno dei passaggi evidenziati di seguito è disponibile sul sito Web di QuNex all'indirizzo https://qunex.yale.edu/. Di seguito sono riportati i passaggi e i parametri principali utilizzati per elaborare i dati.
- Pre-elaborazione dei dati strutturali
- Pipeline di PreFreeSurfer. Eseguire i seguenti passaggi: correzione della distorsione del gradiente, allineamento di sequenze ripetute di immagini T1w e T2w con una trasformazione del corpo rigido a 6 gradi di libertà (DOF), allineamento AC-PC delle immagini T1w e T2w al modello di spazio MNI, estrazione cerebrale iniziale, correzione della distorsione di lettura, registrazione cross-modale di T1w e T2w nello spazio di volume nativo, correzione del campo di polarizzazione e registrazione del volume non lineare MNI.
- Oleodotto Freesurfer. Eseguire i seguenti passaggi: Eseguire il campionamento di T1w a 1 mm con l'interpolazione spline ed eseguire la ricognizione per generare superfici di sostanza bianca, che include la messa a punto della registrazione da T2w a T1w utilizzando l'algoritmo BBRegister di Freesurfer (vedere23 per ulteriori dettagli).
- Pipeline PostFreeSurfer. Eseguire i seguenti passaggi: convertire le uscite di ricognizione in GIFTI e NIFTI nello spazio del volume nativo, generare la maschera cerebrale finale e il volume del nastro corticale, generare mappe della mielina ed eseguire la trasformazione del volume non lineare da nativo a MNI.
- Pre-elaborazione dei dati funzionali
- Pipeline del volume fMRI. Eseguire i seguenti passaggi: correzione della distorsione, correzione del movimento basata su FLIRT, pre-elaborazione della mappa dei campi basata su TOPUP utilizzando una mappa del campo dell'eco di rotazione, correzione della distorsione dell'immagine EPI e registrazione da EPI a T1w, ricampionamento della spline in un solo passaggio nello spazio dell'atlante (MNI), normalizzazione dell'intensità tramite rimozione del campo di polarizzazione e mascheramento del cervello.
- fMRI Tubazione di superficie. Eseguire i seguenti passaggi per mappare le serie temporali del volume a una rappresentazione combinata di superficie e volume, ordinata grigia memorizzata in formato CIFTI: costruzione del nastro fMRI, levigatura della superficie, elaborazione sottocorticale e generazione di serie temporali dense.
- Preparare i dati BOLD. Calcola statistiche quantitative di controllo qualità che riflettono il movimento e le sue proprietà artefatte per identificare i frame danneggiati. Fare riferimento alla documentazione di QuNex per le opzioni disponibili per generare statistiche quantitative QC. Queste statistiche spesso includono statistiche temporali segnale-rumore BOLD e di scrubbing del movimento, come la soglia di spostamento del fotogramma e la soglia RMSE (Root Mean Squared Error) normalizzata dell'intensità dell'immagine. A seconda dei criteri specifici dello studio, ignorare o interpolare i frame problematici identificati.
- Estrai il segnale di disturbo. Estrai i segnali di disturbo dai ventricoli cerebrali, dalla sostanza bianca e dalla materia grigia per eseguire la regressione dei segnali di disturbo nelle fasi successive.
9. Pre-elaborazione dei dati fNIRS
NOTA: I dati fNIRS sono stati analizzati seguendo le migliori pratiche nell'analisi dei dati fNIRS25 utilizzando NeuroDOT26, un ambiente open-source per l'analisi dei dati ottici dai livelli di luce grezza alle mappe a livello di voxel della funzione cerebrale, che sono co-registrate nell'anatomia di un partecipante specifico o di un atlante. Tutti i passaggi descritti di seguito possono essere eseguiti con NeuroDOT. Ulteriori informazioni sulle impostazioni e sui parametri specifici per ciascuno dei passaggi evidenziati di seguito sono disponibili nelle esercitazioni e negli script all'indirizzo https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. Infine, la registrazione dell'optodo al cuoio capelluto richiede l'ottenimento delle coordinate dell'optodo fNIRS relative al tessuto cerebrale sottostante, che può essere eseguita utilizzando un digitalizzatore 3D o capsule di vitamina E come fiduciali, se disponibili. Entrambi i metodi sono descritti in questa sezione e vengono forniti i riferimenti ai relativi pacchetti software.
- Generazione di una mesh di testa specifica per il soggetto e creazione del modello di luce
- Segmentare l'immagine T1w nei tipi di tessuto pertinenti per creare un modello segmentato della testa: cuoio capelluto, cranio, liquido cerebrospinale (CSF), materia grigia e sostanza bianca. Utilizzare sia le immagini T1w che T2w, se disponibili, poiché ognuna di esse fornisce informazioni complementari sui tipi di tessuto rilevanti.
NOTA: Questo passaggio viene eseguito nel protocollo corrente con la funzione "Segment5R_fs" di NeuroDOT, che prende come input le informazioni dalla segmentazione volumetrica di Freesurfer28. Altri pacchetti software comunemente disponibili per la segmentazione del tessuto cerebrale sono SPM29 e AFNI30. - Genera una mesh della testa dal modello della testa segmentata utilizzando il pacchetto software Mimics tramite NeuroDOT. Se si utilizza un digitalizzatore 3D per posizionare le posizioni degli optodi sul modello della testa, seguire le raccomandazioni di Fieldtrip per la localizzazione degli optodi31. In alternativa, se le capsule di vitamina E vengono utilizzate come fiduciali per l'identificazione delle coordinate delle coppie sorgente-rivelatore, identificare manualmente le posizioni delle sorgenti e dei rivelatori nell'immagine T1w (vedere32 per un esempio).
- Posizionare le posizioni della sorgente e del rivelatore ottenute tramite il digitalizzatore 3D o le capsule di vitamina E sui loci pertinenti sulla rete utilizzando NeuroDOT.
- Impostare i seguenti parametri per calcolare la matrice di sensibilità per il modello di testa specifico del soggetto utilizzando il pacchetto software NIRFAST tramite NeuroDOT: risoluzione della voxelazione: 2; etichette regionali: CSF, bianco, grigio, osso, pelle; coefficienti di assorbimento per le regioni: CSF [0,004, 0,004], bianco [0,0167, 0,0208]; grigio [0,018 0,0192], osso [0,0116, 0,0139], pelle [0,74, 0,64]; coefficienti di dispersione per le regioni: CSF [0,3, 0,3], bianco [1,1908, 1,0107]; grigio [0,8359, 0,6726], osso [0,94, 0,84], pelle [0,64, 0,74], indice di rifrazione per regioni: CSF [1,4, 1,4], bianco [1,4, 1,4]; grigio [1.4, 1.4], osso [1.4, 1.4], pelle [1.4, 1.4].
NOTA: Il protocollo utilizza il pacchetto software NIRFAST (versione 9.1)33,34, che utilizza un modello di luce diretta a elementi finiti basato sull'approssimazione della diffusione all'equazione del trasporto radiativo. Per calcolare il modello di luce, NIRFAST si basa su tre tipi di informazioni: i) la forma del contorno del tessuto, ii) la distribuzione interna delle proprietà ottiche di base e iii) le posizioni delle sorgenti e dei rivelatori sulla superficie (vedi 35,36 per ulteriori dettagli). I metodi Monte Carlo possono essere impiegati come alternativa per calcolare le soluzioni dell'equazione di diffusione per diversi tipi di tessuto37,38. - Visualizza un esempio della sensibilità della misurazione come valutazione qualitativa.
- Segmentare l'immagine T1w nei tipi di tessuto pertinenti per creare un modello segmentato della testa: cuoio capelluto, cranio, liquido cerebrospinale (CSF), materia grigia e sostanza bianca. Utilizzare sia le immagini T1w che T2w, se disponibili, poiché ognuna di esse fornisce informazioni complementari sui tipi di tessuto rilevanti.
- Elaborazione dei dati grezzi dalle misurazioni del rivelatore sorgente
- Visualizzare il livello medio di luce per ciascuna sorgente e rilevatore in una rappresentazione 2D dell'array di immagini. Rimuovere le coppie sorgente-rivelatore con deviazione standard temporale superiore al 7,5%36. Se i dati vengono acquisiti a una frequenza di almeno 3 Hz, utilizzare la soglia di potenza cardiaca per rifiutare le misurazioni della coppia sorgente-rivelatore poiché un buon accoppiamento optodo-cuoio capelluto mostrerà caratteristiche coerenti con la frequenza del polso (~1 Hz).
- Detrend dei dati per rimuovere il trend lineare in ogni misurazione. Filtro passa-alto (taglio 0,02 Hz) i dati per rimuovere la deriva delle basse frequenze. Invece di filtrare, un'alternativa consiste nell'aggiungere un fattore di deriva nel GLM come regressore.
- Filtro passa-basso (1 Hz) i dati per rimuovere le oscillazioni cardiache.
- Stimare il segnale superficiale globale calcolando la media di tutte le misurazioni della coppia sorgente-rivelatore da 8 mm. Utilizzare misurazioni a breve distanza come stima dei segnali fisiologici sistemici non corticali in quanto campionano principalmente il cuoio capelluto e il cranio.
- Far regredire il segnale globale da tutte le misurazioni39.
- Filtrare i dati passa-basso (cutoff di 0,5 Hz) per focalizzare ulteriormente i dati rimanenti intorno alla frequenza dello stimolo e sottocampionare i dati a 1 Hz 40,41,42 al fine di ridurre il carico computazionale.
- Implementare la censura del movimento utilizzando la varianza globale del corso temporale delle derivate temporali (GVTD)43. Il GVTD è calcolato come la radice quadratica media delle derivate temporali attraverso un insieme di misure o voxel43. Implementa la censura del movimento o lo scrubbing escludendo i punti temporali che superano la soglia di rumore GVTD.
- Ricostruzione del modello di luce e dei dati pre-elaborati in un volume di neuroimaging funzionale
- Ricostruire i cambiamenti relativi nell'assorbimento a 785 nm e 830 nm sulla base di un'inversione regolarizzata della matrice di sensibilità utilizzando la regolarizzazione di Tikhonov e la regolarizzazione della variante spaziale44.
- Calcolare le variazioni relative nella concentrazione di emoglobina tramite una decomposizione spettrale dei dati di assorbimento dipendenti dalla lunghezza d'onda44,45.
10. Analisi dei dati evocati da fMRI/fNIRS
- Eseguire un'analisi GLM di primo livello in una singola sessione (modellazione HRF, regressione dei segnali fisiologici, comprese le misurazioni fNIRS a breve distanza) per valutare in che modo l'attività cerebrale è correlata all'ipotesi statistica per un determinato soggetto.
NOTA: Un'alternativa al GLM è la media dei blocchi, che evita assunzioni a priori sulla forma dell'HRF. La media dei blocchi, tuttavia, non consente di modellare i fattori confondenti rilevanti nel segnale fNIRS insieme alla risposta emodinamica allo stimolo. - Eseguire analisi GLM di gruppo o di secondo livello per combinare le stime di primo livello dell'attivazione tra i soggetti.
- Estrai le stime degli effetti rilevanti dai singoli file GLM e combinale in file di gruppo.
- Calcola le statistiche desiderate. Un pacchetto ben consolidato per l'esecuzione di metodi di ricampionamento delle permutazioni di modelli GLM uni- e multivariati per l'inferenza statistica è FSL PALM46.
- Ottenere stime beta del GLM dell'intero cervello.
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Representative Results
Questa sezione presenta risposte rappresentative specifiche per soggetto per il compito a scacchiera lampeggiante per entrambi i segnali fMRI e fNIRS. In primo luogo, i dati grezzi rappresentativi della fNIRS e le valutazioni della qualità sono mostrati nella Figura 6 e nella Figura 7 per illustrare la fattibilità della configurazione sperimentale per misurare i segnali fNIRS nell'ambiente MRI. Nella Figura 8 è mostrato un diagramma dell'intera matrice di optodi della testa e del profilo di sensibilità.
Figura 6. Dati rappresentativi delle serie temporali fNIRS dopo filtraggio passa-banda e regressione superficiale del segnale. La colonna di sinistra mostra i dati a 785 nm e la colonna di destra mostra i dati a 830 nm. (A) serie temporali di dati fNIRS dopo l'applicazione del filtro passa-banda (taglio del filtro passa-alto: 0,02 Hz, taglio del filtro passa-basso: taglio 0,5 Hz) e regressione del segnale globale. L'asse y viene scalato logaritmicamente per evidenziare l'intervallo di livelli di luce per l'insieme di distanze sorgente-rivelatore. Le linee verticali indicano i punti temporali in cui inizia un nuovo blocco nel paradigma dello stimolo. Le linee verdi indicano l'inizio del blocco a scacchiera lampeggiante e le linee blu indicano l'inizio del periodo inter-trial. (B) Spettro del segnale fNIRS dopo l'applicazione del filtro passa-banda (taglio del filtro passa-alto: 0,02 Hz, taglio del filtro passa-basso: taglio 0,5 Hz) e regressione globale del segnale. Le frequenze al di sotto della frequenza di taglio sono significativamente attenuate. Lo spettro mostra un picco molto più forte alla frequenza di stimolo, cioè all'inizio dei blocchi a scacchiera lampeggianti (0,033 Hz), rispetto alle altre frequenze. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Valutazione della qualità dei dati fNIRS per un singolo soggetto. (A) Livelli medi di luce per un singolo soggetto nell'intero flusso di dati fNIRS. I colori bianco e giallo servono come valutazioni qualitative dell'accoppiamento ottimale per ciascun optodo. (B) Rapporto segnale/rumore (SNR) tra le misurazioni per un singolo soggetto nell'intero flusso di dati fNIRS. I colori bianco e giallo indicano un buon SNR. Gli optodi situati nella parte superiore del cappuccio fNIRS sopra le regioni sensomotorie tendono ad avere un SNR inferiore (in genere a causa di peli densi o di un cappuccio largo). (C) La varianza temporale in tutte le 100 coppie sorgente-rivelatore viene utilizzata per valutare e ottimizzare la qualità dei dati. Le coppie con varianza inferiore al 7,5% (linea rossa) vengono mantenute per ulteriori analisi. (D) Misurazioni che soddisfano la soglia di rumore (cioè varianza superiore al 7,5%). Per questo partecipante, il 97% degli optodi è considerato accettabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8. Configurazione dell'array di optodi a testa intera e profilo di sensibilità. (A) Configurazione di array di optodi con 32/30 sorgenti/rivelatori per un totale di 100 canali con copertura dell'intera testa e separazione di 30 mm e 8 canali a breve distanza con separazione di 8 mm. (B) Profilo di sensibilità per l'array di optodi dati i parametri specificati per la regolarizzazione di Tikhonov (0.01, 0.1). L'unità rappresenta la percentuale del campo piatto. Le aree con un'elevata confidenza hanno in genere un valore di campo piatto superiore a ~0,5%-1% Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Dopo la pre-elaborazione dei dati, le risposte fNIRS e fMRI per il compito flashing-checkerboard sono state stimate utilizzando un modello lineare generale standard (GLM). La matrice di progettazione è stata costruita utilizzando gli esordi e le durate di ciascuna presentazione dello stimolo convoluta con un HRF canonico. Per la fNIRS i risultati della delta HbO sono mostrati dato che il segnale di ossiemoglobina (ΔHbO) mostra un rapporto contrasto-rumore più elevato rispetto alla deossiemoglobina (ΔHbR) o all'emoglobina totale (ΔHbT)44,47. I dati fNIRS a livello di soggetto mostrano una maggiore attivazione nelle aree bilaterali della corteccia visiva durante i blocchi a scacchiera lampeggianti rispetto ai periodi inter-trial. Le tracce temporali dell'attività cerebrale nella corteccia visiva mostrano un aumento del segnale di HbO durante la presentazione della scacchiera lampeggiante e una diminuzione durante i periodi inter-prova (Figura 9A). Questo aumento emodinamico in risposta ai periodi lampeggianti a scacchiera non è stato osservato in un'area cerebrale non correlata (Figura 9B). Come previsto, la visualizzazione dei dati di HbO durante il periodo di lampeggiamento a scacchiera mostra un'attivazione bilaterale nelle aree della corteccia visiva (Figura 9C).
Figura 9. Tracce temporali delle risposte fNIRS HbO durante il paradigma sperimentale. Le tracce temporali sono mostrate per (A) l'attività nella corteccia visiva durante un blocco a scacchiera lampeggiante, (B) l'attività nell'area della corteccia visiva tra i blocchi a scacchiera lampeggianti e (C) l'attività in un'area cerebrale non correlata durante un blocco a scacchiera lampeggiante. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10. Risposte rappresentative di fNIRS HbO a soggetto singolo durante il periodo lampeggiante a scacchiera. Mappe dei dati medi a blocchi (HbO) dall'inizio della scacchiera lampeggiante mostrate per tre soggetti. I dati includono il periodo di 10 secondi di lampeggiamento a scacchiera e 5 secondi dopo per valutare l'attivazione cerebrale in risposta allo stimolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I dati fMRI a livello di soggetto mostrano una maggiore risposta del segnale BOLD nella corteccia visiva primaria e secondaria durante i periodi a scacchiera lampeggiante rispetto ai periodi inter-trial (Figura 11A). A livello sottocorticale, si osserva un aumento dell'attivazione nel nucleo genicolato laterale (LGN) del talamo, che è previsto poiché l'LGN riceve input visivi dalla retina (Figura 11B).
Figura 11. Stime rappresentative dell'attivazione della fMRI a soggetto singolo durante il periodo di flashing checkerboard. (Riga in alto) Stime di attivazione (beta) per tre soggetti ottenute da analisi statistiche di primo livello e che mostrano un coinvolgimento bilaterale delle aree della corteccia visiva primaria e secondaria durante il periodo di lampeggiamento a scacchiera. (Riga inferiore) Stime di attivazione sottocorticale che mostrano l'impegno del nucleo genicolato laterale (LGN) durante il periodo di flashing a scacchiera, che serve come valutazione qualitativa del fatto che i dati fMRI sono raccolti come previsto con la bobina di testa a 20 canali. La freccia rossa indica la posizione dell'LGN sulla mappa cerebrale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nel complesso, questi risultati illustrano la fattibilità dell'implementazione dell'attuale protocollo per raccogliere segnali fMRI e fNIRS simultanei con una popolazione adulta. Il protocollo consente un totale di 40 minuti di tempo di scansione e offre una copertura completa dei dati fNIRS. Abbiamo discusso della raccolta dei dati con un paradigma visuale flashing-checkerboard, ma il protocollo è applicabile anche ad altri paradigmi sperimentali. Si consiglia di valutare in anticipo il profilo di sensibilità dell'array fNIRS per garantire la massima sensibilità attraverso i canali rilevanti alle regioni corticali sottostanti di interesse.
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Discussion
Questo protocollo per la raccolta simultanea dei dati dei segnali fMRI e fNIRS utilizza un array di optodi fNIRS a testa intera e canali a breve distanza per misurare e far regredire i segnali fisiologici sistemici non corticali. I passaggi critici di questo protocollo includono la modifica e lo sviluppo dell'apparecchiatura fNIRS per la raccolta dei segnali fNIRS nell'ambiente MRI. Per quanto ne sappiamo, non esiste un sistema commerciale chiavi in mano completamente ottimizzato per l'acquisizione simultanea di misurazioni fMRI e fNIRS utilizzando un array fNIRS a testa intera. Il presente protocollo colma questa lacuna e sarà particolarmente rilevante per quei ricercatori interessati ad un confronto a testa intera dei due segnali, anche se può essere facilmente modificato per studi che indagano specifiche regioni di interesse.
Il protocollo delinea in dettaglio le modifiche chiave all'apparecchiatura fNIRS, tra cui la preparazione del tappo fNIRS con inserti per conservare le capsule di vitamina E, i miglioramenti del cappuccio per aumentare il comfort nelle aree frontali e la regolabilità nella parte posteriore della testa e un ponte sicuro RM su misura per portare le fibre ottiche fNIRS sul tavolo dello scanner. Una delle sfide principali quando si conduce uno studio simultaneo fMRI/fNIRS è garantire che la configurazione consenta ai partecipanti di riposare comodamente nello scanner. L'attuale configurazione con adulti consente sessioni di scansione per una media di circa 40 minuti, che includono sia scansioni funzionali che strutturali. La quantità di tempo in cui i partecipanti possono riposare comodamente nello scanner sarà determinata principalmente dal tipo di optodi forniti con il sistema fNIRS. Il presente protocollo utilizza un sistema NIRx NIRScout XP che ha optodi a basso profilo con una superficie piana, che consente alla maggior parte dei soggetti adulti di riposare comodamente nello scanner per l'intera durata dello studio. Infine, il protocollo include anche passaggi per l'allineamento temporale dei due flussi di dati tramite la sincronizzazione dei trigger tra le modalità, il posizionamento del cap fNIRS, la configurazione dei partecipanti e la registrazione del segnale.
Limitazioni e potenziali sfide
Potrebbe essere necessario modificare il protocollo per adattarlo alle specifiche dello strumento fNIRS disponibile. Un primo passo fondamentale è verificare con il fornitore fNIRS che gli optodi e le fibre ottiche siano adatti alla raccolta dei dati nell'ambiente RM. È probabile che i sistemi fNIRS varino in base al tipo di cappucci e optodi. Si consigliano cappucci ben aderenti e optodi a basso profilo con una superficie piana. In alternativa, lavori precedenti hanno descritto l'uso di sistemi di supporto su misura per evitare di applicare pressione sugli optodi fNIRS32.
Un altro aspetto che probabilmente varierà tra i dispositivi fNIRS è il sistema di attivazione disponibile per la sincronizzazione del segnale tra le modalità. Il protocollo attuale utilizza un replicatore di porte parallele per ricevere gli impulsi TTL dallo scanner e inviare trigger al software di acquisizione fNIRS. Dato che questo è un passaggio chiave per garantire la sincronizzazione tra le modalità, il ricercatore dovrebbe consultare il proprio fornitore fNIRS sul sistema raccomandato per la sincronizzazione del segnale.
Infine, l'attuale protocollo utilizza 8 canali a breve distanza, attualmente disponibili solo per un numero limitato di sistemi fNIRS. Se i canali a breve distanza non sono disponibili, un'alternativa è quella di implementare alcuni dei recenti approcci analitici per l'identificazione e la rimozione del segnale fisiologico sistemico 18,25,48,49,50,51. Per un recente confronto quantitativo delle tecniche di correzione disponibili, cfr.52.
Applicazioni del protocollo per testare popolazioni in via di sviluppo e cliniche
Il protocollo può essere modificato per la raccolta dei dati dei segnali fMRI e fNIRS con popolazioni cliniche e in via di sviluppo. I potenziali aggiustamenti necessari per queste popolazioni includono le dimensioni dei cappucci (poiché i cappucci sono specifici per età e dimensioni della testa), l'aggiunta di una sessione di formazione per familiarizzare il partecipante con l'ambiente dello scanner e l'inclusione di sessioni di scansione più brevi, tutte particolarmente rilevanti quando si testano neonati e bambini piccoli. Inoltre, i benefici dell'utilizzo di canali a breve distanza nei neonati e nei bambini piccoli non sono ancora chiari53, sebbene studi precedenti abbiano dimostrato che i canali a distanza di 10 mm sembrano catturare l'emodinamica extracerebrale nei neonati53,54. Le simulazioni Monte Carlo del trasporto di fotoni indicano che sono necessarie diverse distanze ottimali sorgente-rivelatore per i canali di separazione corta negli adulti e nei neonati in funzione dell'età e della posizione dell'optodo sul cuoio capelluto55. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per creare approcci standardizzati per eseguire la regressione della separazione breve nei neonati e nei bambini piccoli. Infine, gli studi che si basano su stimoli uditivi di buona qualità dovranno considerare attentamente i sistemi disponibili per la trasmissione dell'audio nello scanner MRI. Le cuffie con cancellazione attiva del rumore attualmente utilizzate con gli adulti possono essere facilmente spostate a causa del movimento della testa se utilizzate con neonati e bambini svegli. In questi casi, è necessario utilizzare cuffie specifiche per neonati. In alternativa, i neonati possono partecipare a una sessione di allenamento prima della scansione per ridurre al minimo il movimento della testa, anche se questa opzione può funzionare solo per i bambini più grandi.
Conclusione
Il protocollo consente la raccolta simultanea dei dati dei segnali fMRI e fNIRS. A differenza dei metodi disponibili, implementa un array fNIRS a testa intera e include misurazioni di canali a breve distanza. Inoltre, vengono descritti due diversi metodi per la co-registrazione optode-cuoio capelluto dei segnali fNIRS: i) capsule di vitamina E attaccate a ciascun optodo sui cappucci fNIRS e ii) un sensore di struttura 3D che consente la digitalizzazione delle posizioni degli optodi rispetto ai marcatori fiduciali sulla testa. L'attuale protocollo può essere facilmente adattato per raccogliere dati da specifiche regioni di interesse e attraverso una varietà di paradigmi sperimentali. Sebbene l'attuale protocollo sia stato testato con giovani adulti, vengono forniti anche suggerimenti su come adattarlo per l'uso con popolazioni cliniche e in via di sviluppo. Questo protocollo sarà particolarmente rilevante per coloro che sono interessati a convalidare le attivazioni a livello di area fNIRS e la connettività funzionale contro la fMRI per tutta la durata della vita.
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Disclosures
Le spese di pubblicazione di questo articolo sono sponsorizzate da NIRx. Gli autori non hanno nient'altro da rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata supportata dalle seguenti fonti di finanziamento: una sovvenzione NARSAD Young Investigator Award dalla Brain and Behavior Research Foundation (Grant # 29736) (SSA), una sovvenzione Global Grand Challenges dalla Bill and Melinda Gates Foundation (Grant #INV-005792) (RNA) e una sovvenzione Discovery Fund dal Dipartimento di Psicologia dell'Università di Yale (RNA). Gli autori desiderano anche ringraziare Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) per il suo supporto durante la raccolta dei dati e Adam Eggebrecht, Ari Segel ed Emma Speh (Washington University di St Louis) per la loro assistenza nell'analisi dei dati.
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. |
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