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.
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Articolo metodologico
Raccolta simultanea di dati di fMRI e fNIRS utilizzando un array di optodi a testa intera e canali a breve distanza
In questo articolo
Sommario
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.
Introduzione
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
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Protocollo
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....
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Risultati
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 most.......
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Discussione
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 misurazi.......
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Dichiarazioni
Le spese di pubblicazione di questo articolo sono sponsorizzate da NIRx. Gli autori non hanno nient'altro da rivelare.
Ringraziamenti
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.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 280 gommini compatibili con risonanza magnetica a basso profilo per cappucci NIRx | GRM-LOP | ||
| 4 cappucci NIRS a 128 posizioni con 128 fessure non popolate in layout 10-5 | NIRx | CP-128-128S | Dimensioni: 52, 54, 56, 60 |
| 8 fasci di 4 fibre rivelatrici con punta a basso profilo; Compatibile con risonanza magnetica, MEG e TMS. | NIRx | DET-FBO- LOW | lungo 10 m |
| 8 fasci di 4 fibre sorgente laser con punta a basso profilo compatibile con la risonanza magnetica | NIRx | SRC-FBO- LAS-LOW | lungo 10 m |
| Set di 8 rivelatori a canale corto con gommini ad anello specializzati che si adattano a gommini a basso profilo | NIRx | DET-SHRT-SET | Divide un singolo rivelatore in 8 canali corti che possono essere posizionati ovunque su un singolo cappuccio NIRS |
| Magnetom 3T PRISMA | Siemens | N/A | 128 canali, bobine di testa 64/32/20 canali, ampiezza di gradiente max 80 mT/m, velocità di risposta 200 T/m/s, sequenze neuronali complete |
| NIRScout XP Core System Unit | NIRx | NSXP- CHS | Fino a 64 illuminatori Laser-2 (o 32 laser-4) o 64 illuminatori LED-2; fino a 32 rivelatori; in grado di effettuare misurazioni in tandem (multi-sistema) e hyperscanning (multi-soggetto); compatibile con EEG, tDCS, eye-tracking e altre modalità; moduli disponibili per compatibilità fMRI, TMS, MEG Software |
| NIRStar | NIRx | N/A | Versione 15.3 |
| Replicatore di porte parallele NIRx | NIRx | ACC-LPT-REP | Il replicatore parallelo prot viene fornito con tre componenti: scatola del replicatore di porta parallela, cavo di alimentazione USB e adattatore BNC |
| Unità di pulsazione fisiologica | Siemens | PPU098 | Pletismografia ottica che consente l'acquisizione del ritmo cardiaco. |
| Unità respiratoria | Siemens | PERU098 | Unità destinata all'acquisizione dell'ampiezza respiratoria (mediante un sistema pneumatico e una cintura di ritenuta). |
| Sensore di struttura Mark II | Occipitale | 101866 (SN) | Sensore di struttura 3D per la digitalizzazione degli optodi. |
Riferimenti
- 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).
- Quaresima, V., Ferrari, M.
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Ristampe e permessi
