Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-mätningar med hjälp av en helhuvud-optodmatris och kortdistanskanaler

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

Vi presenterar en metod för att samtidigt samla in fMRI- och fNIRS-signaler från samma försökspersoner med helhuvuds-fNIRS-täckning. Protokollet har testats med tre unga vuxna och kan anpassas för datainsamling för utvecklingsstudier och kliniska populationer.

Abstract

Funktionell nära-infraröd spektroskopi (fNIRS) är en bärbar neuroavbildningsmetodik, mer robust mot rörelse och mer kostnadseffektiv än funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI), vilket gör den mycket lämplig för att genomföra naturalistiska studier av hjärnans funktion och för användning med utvecklings- och kliniska populationer. Både fNIRS- och fMRI-metoder detekterar förändringar i hjärnans syresättning under funktionell hjärnaktivering, och tidigare studier har visat hög rumslig och tidsmässig överensstämmelse mellan de två signalerna. Det finns dock ingen kvantitativ jämförelse mellan de två signalerna som samlats in samtidigt från samma personer med helhuvudstäckning. Denna jämförelse är nödvändig för att på ett heltäckande sätt validera aktiveringar på områdesnivå och funktionell konnektivitet mot fMRI-guldstandarden, vilket i sin tur har potential att underlätta jämförelser av de två signalerna under hela livslängden. Vi adresserar denna lucka genom att beskriva ett protokoll för samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-signaler som: i) ger fNIRS-täckning för hela huvudet; ii) inkluderar kortdistansmätningar för regression av den icke-kortikala, systemiska fysiologiska signalen; och iii) implementerar två olika metoder för optode-to-scalp co-registration av fNIRS-mätningar. fMRI- och fNIRS-data från tre försökspersoner presenteras, och rekommendationer för att anpassa protokollet till testutvecklings- och kliniska populationer diskuteras. Det nuvarande upplägget med vuxna tillåter skanningssessioner på i genomsnitt cirka 40 minuter, vilket inkluderar både funktionella och strukturella skanningar. Protokollet beskriver de steg som krävs för att anpassa fNIRS-utrustningen för användning i magnetisk resonansmiljö (MR), ger rekommendationer för både dataregistrering och optod-till-skalp-samregistrering och diskuterar potentiella modifieringar av protokollet för att passa detaljerna i det tillgängliga MR-säkra fNIRS-systemet. Representativa ämnesspecifika svar från en blinkande schackbrädesuppgift illustrerar genomförbarheten av protokollet för att mäta fNIRS-signaler för hela huvudet i MR-miljön. Detta protokoll kommer att vara särskilt relevant för forskare som är intresserade av att validera fNIRS-signaler mot fMRI under hela livslängden.

Introduction

Kognitiv funktion har studerats i den vuxna mänskliga hjärnan via funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) i nästan tre decennier. Även om fMRI ger hög rumslig upplösning och både funktionella och strukturella bilder, är det ofta inte praktiskt för studier som utförs i naturalistiska sammanhang eller för användning med spädbarn och kliniska populationer. Dessa begränsningar begränsar avsevärt vår förståelse av hjärnans funktion. Ett alternativ till fMRI är användningen av portabla metoder som är mer kostnadseffektiva och robusta mot rörelse, såsom funktionell nära-infraröd spektroskopi (fNIRS)1,2,3. fNIRS har använts med spädbarn och småbarn för att bedöma hjärnans funktion inom en rad kognitiva domäner, såsom språkutveckling, bearbetning av socialt relevant information och objektbearbetning 4,5,6. fNIRS är också en neuroradiologisk modalitet som är särskilt lämplig för testning av kliniska populationer på grund av dess potential för upprepad testning och övervakning i åldrarna 7,8,9. Trots dess breda användbarhet finns det inga studier som kvantitativt jämför fMRI- och fNIRS-signaler som samlats in samtidigt från samma försökspersoner med täckning av hela huvudet. Den här jämförelsen är nödvändig för att på ett omfattande sätt validera aktiveringar på områdesnivå och funktionell anslutning mellan intresseregioner (ROI) mot fMRI-guldstandarden. Att etablera denna intermodala korrespondens har dessutom potential att förbättra tolkningen av fNIRS när det är den enda insamlade signalen över både typisk och atypisk utveckling.

Både fMRI- och fNIRS-signaler detekterar förändringar i hjärnans syresättning (CBO) under funktionell hjärnaktivering10,11. fMRI förlitar sig på förändringar i elektromagnetiska fält och ger en hög rumslig upplösning av CBO-förändringar12. fNIRS, däremot, mäter absorptionsnivåer av nära-infrarött ljus med hjälp av en serie ljusemitterande och ljusdetekterande optoder2. Eftersom fNIRS mäter förändringar i absorption vid olika våglängder kan den bedöma koncentrationsförändringar i både oxy- och deoxihemoglobin. Tidigare studier med samtidiga inspelningar av fMRI- och fNIRS-signaler med ett litet antal optoder har visat att de två signalerna har hög rumslig och tidsmässig korrespondens10. Det finns starka korrelationer mellan blod-syrenivåberoende (BOLD) fMRI och optiska mått11,13, där deoxihemoglobin visar den högsta korrelationen med BOLD-svaret, vilket rapporterats av tidigare arbete som jämför den temporala dynamiken hos fNIRS och fMRI hemodynamiska responsfunktioner (HRF)14. Dessa tidiga studier implementerade motoriska responsparadigm (dvs. fingerknackning) och använde ett begränsat antal optoder som täckte primära motoriska och premotoriska cortexområden. Under det senaste decenniet har studier utökat fokus till att omfatta ett större batteri av kognitiva uppgifter och vilolägessessioner, även om man fortfarande använder ett begränsat antal optoder som täcker specifika ROI. Dessa studier har visat att variabiliteten i fNIRS/fMRI-korrelationer är beroende av optodens avstånd från hårbotten och hjärnan15. Dessutom kan fNIRS tillhandahålla funktionella konnektivitetsåtgärder i viloläge som är jämförbara med fMRI16,17.

Det nuvarande protokollet bygger på tidigare arbete och adresserar viktiga begränsningar genom att i) tillhandahålla fNIRS-täckning för hela huvudet, ii) inkludera kortdistansmätningar för regression av icke-kortikala fysiologiska signaler, iii) implementera två olika metoder för optod-till-skalp-samregistrering av fNIRS-mätningar och iv) möjliggöra bedömning av test-retest-tillförlitligheten för signalen över två oberoende sessioner. Detta protokoll för samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-signaler utvecklades ursprungligen för att testa unga vuxna. Ett av målen med studien var dock att skapa en experimentell uppställning för att samla in samtidiga fMRI/fNIRS-signaler som sedan kan anpassas för att testa utvecklingspopulationer. Därför kan det nuvarande protokollet också användas som utgångspunkt för att utveckla ett protokoll för att testa små barn. Förutom att använda fNIRS-täckning för hela huvudet, syftar protokollet också till att införliva de senaste framstegen inom området fNIRS-hårdvara, såsom inkludering av kortdistanskanaler för att mäta den systemiska fysiologiska signalen (dvs. vaskulära förändringar som härrör från icke-kortikala källor, såsom blodtryck, andnings- och hjärtsignaler)18,19 ; och användningen av en 3D-struktursensor för samregistrering av optod till hårbotten20. Även om fokus för det nuvarande protokollet ligger på resultaten av en visuellt blinkande schackbrädesuppgift, innehåller hela experimentet två sessioner med en blandning av traditionella blockuppgiftsdesigner, vilotillståndssessioner och naturalistiska filmvisningsparadigm.

Protokollet beskriver de steg som behövs för att anpassa fNIRS-utrustningen för användning i MR-miljön, inklusive cap-design, tidsjustering via triggersynkronisering och fantomtester som krävs innan datainsamlingen påbörjas. Som nämnts ligger fokus här på resultaten av den blinkande schackbrädesuppgiften, men den övergripande proceduren är inte uppgiftsspecifik och kan vara lämplig för ett antal experimentella paradigm. Protokollet beskriver vidare de steg som krävs under datainsamlingen, som inkluderar placering av fNIRS-lock och signalkalibrering, installation av deltagar- och experimentutrustning, samt städning efter experiment och datalagring. Protokollet avslutas med att ge en översikt över de analytiska pipelines som är specifika för förbehandling av fNIRS- och fMRI-data.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forskningen godkändes av Institutional Review Board (IRB) vid Yale University. Informerat samtycke erhölls för alla försökspersoner. Försökspersonerna var tvungna att genomgå MRT-screening för att säkerställa att de deltog på ett säkert sätt. De uteslöts om de hade en historia av allvarlig medicinsk eller neurologisk störning som sannolikt skulle påverka kognitiv funktion (dvs. en neurokognitiv eller depressiv störning, trauma, schizofreni eller tvångssyndrom).

OBS: Det nuvarande protokollet använder en CW-NIRS-enhet med 100 långdistanskanaler och 8 kortdistanskanaler (32 laserdiodkällor, λ = 785/830 nm med en genomsnittlig effekt på 20mW/våglängd och 38 lavinfotodioddetektorer) samplade vid 1.95 Hz. MRI- och fMRI-skanningar samlades in på en Siemens 3 Tesla Prisma-skanner med hjälp av en 20-kanals huvudspole. All data samlades in vid Yale Brain Imaging Center (https://brainimaging.yale.edu/). Systemspecifika modifieringar för att samla in samtidiga fMRI- och fNIRS-data noteras i hela protokollet.

1. modifiering och utveckling av fNIRS-utrustning för samtidig datainsamling

OBS: Steg 3 till 6 är specifika för NIRScoutXP-systemet och kanske inte gäller för andra fNIRS-system på grund av variation i förvärvsprogramvaran och tillgängliga fantomer för optodbedömning.

  1. Förberedelse av fNIRS-mössorna
    1. Identifiera de fNIRS-tak som behövs för studien. För en vuxenstudie, se till att följande kepsstorlekar finns tillgängliga (i cm): 54, 56, 58 och 60.
    2. OBS: Kapsylstorlekar är specifika för det system som används i detta protokoll. Därför kan det finnas variationer i de specifika storlekar som behövs för olika NIRS-system.
    3. Använd vitamin E-kapslar och ett vattenavvisande material (t.ex. nylontyg med PU-beläggning) för att förbereda fiducialerna. Slå in kapslarna med det valda materialet och sy (eller limma) fiducialerna på de valda områdena (se figur 1A). Vitamin E-kapslar fungerar som fiduciella markörer för att identifiera positionen för fNIRS-kanalerna i förhållande till den underliggande hjärnvävnaden med hjälp av T1w-bilden.
    4. Bestäm antalet fiducialer beroende på optodmatris och samregistreringsmetod. Vissa studier kommer bara att kräva detektering av ett fåtal anatomiska landmärken, medan andra kan dra nytta av att placera fiducials bredvid varje optod.
    5. Om fNIRS-kepsen är för lös på baksidan av huvudet, fäst två remmar på vardera sidan av kepsen med elastiskt tyg (med förskurna knapphål) och knappar för att öka lockets justerbarhet. Över deltagarna och oavsett hur hårt locket är, fäst remmarna för att säkerställa en konsekvent kepsinställning.
    6. Om lockets framsida sitter för hårt mot pannan, placera gummibuffertar på de optoder som är i direkt kontakt med huden. Om fNIRS-leverantören inte tillhandahåller buffertar, skapa dem med hjälp av filttygsklistermärken. Om du använder gummibuffertar, använd dem för alla deltagare oavsett lockets passform för att säkerställa en konsekvent kepsinställning. Se till att ingredienserna i gummibuffertarna inte har några metalliska komponenter som skyddar mot artefakter i MR-bilderna.
  2. Installation av fNIRS-utrustning i MRT-kontroll- och skannerrummen
    1. Placera fNIRS-enheten i kontrollrummet nära en av vågledarna som leder till skannerrummet. Använd en förhöjd yta (t.ex. en stegpall) om det behövs för att säkerställa att fNIRS-enheten är så nära vågledarna som möjligt för att maximera fiberlängden.
    2. Använd nätkabelnät och bunta ihop de optiska fibrerna i grupper. Bestäm dessa grupper baserat på den valda optodmatrisen. Helst kommer optiska fibrer att grupperas så att alla optoder i gruppen ska placeras på samma sida av huvudet (vänster kontra höger).
    3. Anslut de optiska fibrerna till fNIRS-enheten och styr buntarna in i skannerrummet genom vågledarna. Innan du beställer de optiska fibrerna, mät avståndet mellan fNIRS-enheten och mitten av skannerhålet för att säkerställa att längden på de optiska fibrerna är tillräcklig.
    4. Ta med de optiska fibrerna till skannerbordet. Använd en MRT-säker brygga för att hålla de optiska fibrerna för att säkerställa att fibrernas vikt inte får fibrerna att sjunka och för att förhindra att de drar bort locket från motivets huvud (se figur 1B).
  3. Uppställning av parallellportreplikatorbox
    1. Installera den senaste versionen av NIRStar-programvaran på fNIRS-datainsamlingsdatorn.
    2. Anslut parallellportreplikatorn till kabeln som sänder den transistor-transistor Logic (TTL)-liknande pulsen från skannern enligt tillverkarens triggermanual (version R2.1; se figur 1C). TTL-pulsen motsvarar en slice timing puls som skickas direkt från skannern. När skannern skickar en puls tänds en av LED-indikatorerna.
    3. Anslut parallellportreplikatorboxen till fNIRS-enheten via en parallellportingång. Detta skickar en utlösare till NIRStar-programvaran när en TTL-puls från skannern upptäcks. Triggersignalen kommer att återspeglas på datainsamlingsinspelningsskärmen som en prickad linje. Denna inställning säkerställer synkronisering av fNIRS- och fMRI-datainsamling eftersom varje gång en skivtidspuls samlas in i skannern kommer detta att återspeglas i fNIRS-dataströmmen som registreras av NIRStar-insamlingsprogramvaran.
  4. Förberedelse av det statiska fantomet för optodbedömning
    1. Placera optoderna i den statiska fantomenheten som tillhandahålls av fNIRS-leverantören. Placeringen av optoderna på fantomen beror på typen av fNIRS-instrument och antalet tillgängliga källor och detektorer. Kontrollera rätt optodarrangemang i leverantörens komma igång-guide från tillverkaren.
    2. Se till att fantomen är helt avskärmad från alla ljuskällor. Vissa leverantörer tillhandahåller ett passande fodral som hjälper till att skydda optoderna från alla externa ljuskällor.
    3. Anslut alla tillgängliga källor och detektorbuntar till fNIRS-fantomen enligt det specificerade optodarrangemanget.
    4. Anslut fNIRS-fantomen till förvärvsdatorn och starta NIRStar-insamlingsprogramvaran.
  5. Utföra ett test av fantommörkt brusinstrument
    1. Under menyalternativet Konfigurera maskinvara i NIRStar-förvärvsprogramvaran öppnar du fliken Kanalinställningar. Se till att det totala antalet tillgängliga källor och detektorer är korrekt inställt under Antal källor och Antal detektorer. Bekräfta dessa inställningar genom att klicka på OK.
    2. Starta testfönstret för mörkt brus genom att klicka på menyalternativet Diagnostik i huvudmenyn i NIRStar-fönstret.
    3. Kör testet genom att trycka på knappen Kör test . Spara testresultaten genom att trycka på knappen Spara resultat .
      OBS: Se tillverkarens "Komma igång-guide: Felsökning av statisk fantom" för vägledning om hur du tolkar resultaten.
  6. Utföra ett fantomkalibreringstest
    1. Under menyalternativet Konfigurera maskinvara i programvaran för NIRStar-förvärv öppnar du fliken Kanalinställningar . Se till att det totala antalet tillgängliga källor och detektorer är korrekt inställt under Antal källor och Antal detektorer .
    2. Under menyalternativet Konfigurera maskinvara öppnar du fliken Kanalmaskering . Maskera alla kanaler genom att trycka på knappen Välj alla .
    3. Under menyalternativet Konfigurera maskinvara på fliken Maskinvaruspecifikation väljer du Statisk fantom under Studietyp. Bekräfta dessa inställningar genom att klicka på OK.
    4. Starta kalibreringen genom att trycka på knappen Kalibrera . När kalibreringen är klar, tryck på knappen Detaljer för att view detaljerade kalibreringsresultat.
      OBS: Se tillverkarens "Komma igång-guide: Felsökning av statisk fantom" för vägledning om hur du tolkar resultaten.

Figure 1
Figur 1. Utrustning för samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-mätningar. (A) Påse gjord av svart, vattenavvisande material för förvaring av vitamin E-kapslar sydda på fNIRS-locket intill varje optod. (B) MRI-säker brygga för att hålla de optiska fibrerna ovanför golvet så att de kan nå deltagarens huvud under datainsamlingen. C) Parallellportreplikator som överför pulser från skannern till fNIRS-enheten. Klicka här för att se en större version av denna figur.

2. Utformning av experimentella uppgifter

  1. Bestäm hur länge skanningssessionen ska pågå genom att ta hänsyn till hur bekväm deltagaren är i skannern. Till exempel innehåller studien som lyfts fram här två strukturella bilder (T1w och T2w) under en total varaktighet på cirka 14 minuter och fem funktionella körningar under en ytterligare varaktighet på cirka 25 minuter.
    OBS: Att pilottesta studien med flera deltagare kommer att vara nödvändigt för att identifiera lämplig längd på studien eftersom studiespecifika faktorer (t.ex. deltagarens ålder, kepsstorlek) kommer att avgöra komfortnivån.
  2. Designa hjärnavbildningsuppgifterna i linje med forskningsmålen. Detta kommer att vara studiespecifikt. Här presenteras proceduren (och representativa resultat) för en blinkande schackbrädesuppgift.

3. Placering av fNIRS-lock och signalkalibrering på testdagen

OBS: Alla steg nedan sker i MRT-kontroll- eller samtyckesrummen, om inget annat anges.

  1. Insamling av huvudmått och val av fNIRS-lock
    1. När deltagaren har undertecknat de relevanta samtyckesformulären och fått instruktionerna för de kommande uppgifterna, hänvisa dem att sitta på en stol i kontrollrummet.
    2. Använd ett vanligt mjukt måttband och linda tejpen runt största möjliga omkrets av deltagarens huvud; Från den mest framträdande delen av pannan (ofta 1 eller 2 fingrar ovanför ögonbrynet) till den bredaste delen av bakhuvudet och runt om. Försök att hitta den bredaste omkretsen.
    3. Välj den storlek på locket som ligger närmast den uppmätta omkretsen.
  2. Fästa kortdistansdetektorsonderna på locket
    OBS: Detta steg är specifikt för NIRx-system och kanske inte gäller för andra fNIRS-enheter.
    1. Placera kortdistansdetektorsonderna genom att ta ett stadigt tag i basen och skjuta den runt den del av genomföringen som går genom nätet på fNIRS-locket (se figur 2A). Var försiktig så att du inte drar ut kortdistansdetektorsonderna från kabeln eftersom det kan skada kabeln.
      OBS: När du bestämmer fördelningen av sonderna, se det senaste arbetet som jämför helhuvud kontra ROI-specifika fördelningar18.
    2. Använd fiberorganisatörsklämmorna som tillhandahålls av tillverkaren för kabelhantering om det behövs. Se till att kortavståndsdetektorkablarna är orienterade mot baksidan av locket för att hålla området runt ansiktet fritt.
  3. Placering av fNIRS-locket och optoderna på deltagarens huvud
    1. Be deltagaren att ta på sig mössan genom att skjuta den rakt ner från toppen av huvudet, som om de skulle ta på sig en vintermössa. Se till att locket är rakt och att öronen är i öronhålen.
    2. Be deltagaren att dra åt hakremmen så mycket som är bekvämt. Dra åt de bakre remmarna och se till att locket sitter ordentligt fast och att optoduttagen sitter tätt mot huvudet.
    3. Placera gröna klistermärken för att markera viktiga fiduciella platser enligt de 10-20 systempositionerna (inion, nasion, pre-auricular points framför örat och Cz)21.
      OBS: De gröna klistermärkena är nödvändiga om du använder 3D-struktursensorn för att bestämma de rumsliga koordinaterna för källans och detektorns optodplatser. Detta kan variera beroende på typ av 3D-struktursensor. Det nuvarande protokollet använder en struktursensor (Mark II) från Occipital20.
    4. Använd ett måttband och rikta symmetriskt in punkterna på locket med hårbottenpunkterna genom att se till att i) de pre-aurikulära punkterna är på samma avstånd från Cz-punkten och ii) inionen och nasionspunkten är på samma avstånd från Cz-punkten. Se till att cap-positionen är identisk för alla deltagare.
  4. Att få en modell av deltagarens huvud med hjälp av en digitaliserare med 3D-struktursensor
    1. Instruera deltagaren att sitta stilla för att skapa en 3D-modell av sitt huvud.
    2. Öppna programmet Struktur på en surfplatta eller iPad.
      OBS: Protokollet beskriver de steg som behövs för att skapa ett huvudnät med struktursensorn (Mark II) från Occipital20. Dessa steg kan variera mellan olika system.
    3. Se till att följande inställningar är avstängda: Högupplöst färg, IR-autoexponering och Förbättrad spårare.
    4. Centrera deltagaren så att hela huvudet är inom 3D-kvadraten på skärmen, hela huvudet återges och det inte finns för mycket av axlarna i ramen.
    5. Ta försiktigt en 360°-promenad runt deltagaren för att skapa 3D-skanningen. Vänta tills programmet tar bilden ungefär var 90° innan du fortsätter (se figur 3A).
    6. När hela skanningen har tagits trycker du på knappen till höger på skärmen för att skapa 3D-renderingen.
    7. Kontrollera renderingen för att se till att den är tydlig och att det finns tillräckligt med detaljer för att fastställa placeringen av optoderna och de gröna fiduciella klistermärkena. Lagra 3D-skanningen på en HIPAA-skyddad server.
  5. Förbereda deltagaren för att gå in i skannerrummet
    1. När 3D-modellen har genererats tar du bort de gröna klistermärkena och instruerar deltagaren att sätta öronproppar i öronen.
    2. Följ instruktionerna på plats på MR-bildcentret för att säkerställa att deltagaren är säker att komma in i skannerrummet. Detta steg innebär vanligtvis att man bekräftar med deltagaren att det inte finns några metaller i kroppen och passerar genom en metalldetektor som en sista kontroll. Ett MRT-säkerhetsfrågeformulär som fylls i av försökspersonen före ankomst krävs ofta av de flesta bildbehandlingscenter.
  6. Placering av käll- och detektorsonderna på fNIRS-locket
    1. I skannerrummet instruerar du deltagaren att sitta bekvämt på skannerbordet.
    2. Medan du stabiliserar varje otodgenomföring med ena handen, använd en MRI-säker applikator med den andra handen för att trycka bort håret från mitten av genomföringen (se figur 2B). När håret har flyttats tillräckligt ut ur området (helst så att hårbotten är synlig), tryck in optoden ordentligt i genomföringen.
    3. Se till att, när spänningen på genomföringen släpps, håret inte återgår för att ockludera mitten av optoden. Om du använder en helhuvudarray, rekommenderas det att orientera optoderna på baksidan av huvudet med fibrerna riktade mot framsidan och de optoderna på framsidan av huvudet med fibrerna riktade mot baksidan. Denna konfiguration av de optiska fibrerna kommer att förhindra att de trasslar in sig eller krymper när deltagaren ligger ner och placerar huvudet i MRT-huvudspolen.
      OBS: Denna fiberinsättnings- och -justeringsprocess utförs snabbare och enklare med två experimentatorer placerade på varje sida av deltagaren, med lock samtidigt.
    4. Ordna de optiska fibrerna snyggt i buntar med hjälp av kabelorganisatörer (se figur 2B och figur 3B). Utför en testkalibrering och mätning av signalstyrka med hjälp av NIRStar-programvaran. Placering och kalibrering av motstånd utförd av två erfarna forskare tar ca 10 min.
    5. Justera enskilda optoder efter behov tills tillräcklig signalkvalitet uppnås genom att förskjuta störande hår från de problematiska optoderna. Ta bort optoder från locket för att förskjuta hår med hjälp av en plastpincett (se figur 2B).

Figure 2
Figur 2. Kortdistansdetektorer och verktyg för förberedelse av fNIRS-lock. (A) Kortdistansdetektorsonder och gummibuffertar som ska fästas på fNIRS-locket över frontala områden där det finns minimalt med hår. (B) Från vänster till höger: Kabelorganisatörer för att ordna de optiska fibrerna i buntar, MRI-säkra applikatorer för att trycka bort håret under optodplacering och plastpincett för att ta bort optoder från locket om det behövs under NIRS-kepsinställningen för att förskjuta hår. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3. 3D-struktursensordigitaliserare och placering av fNIRS-lock. (A) Experimentator som använder digitaliseraren för 3D-struktursensorn för att skapa en 3D-modell av deltagarens huvud. Gröna klistermärken används för att identifiera förtroendeplatser. (B) Optiska fibrer som sätts in i fNIRS-locket på en deltagares huvud och arrangeras i buntar med hjälp av kabelorganisatörer före signalkalibrering. Klicka här för att se en större version av denna figur.

4. Inställning av deltagare

OBS: Följande steg utförs i MR-skannerrummet. Användningen av andningsbälte och pulsoximeter är frivillig och behövs endast om forskare är intresserade av att regressera dessa signaler från fNIRS-data22. Protokollet använder ett andningsbälte, som är en del av andningsenheten för förvärv av andningsamplituden med hjälp av ett fasthållningsbälte. På samma sätt består den fysiologiska pulsenheten av en optisk pletysmografisensor som gör det möjligt att registrera hjärtrytmen.

  1. Se till att 20-kanalshuvudspolen är placerad i skannern. Om du använder en fNIRS-matris med hela huvudet kommer 32- och 64-kanalsspolarna att vara för täta för vuxna deltagare.
  2. Placera en skumkudde inuti botten av MRT-huvudspolen för att stödja baksidan av deltagarens huvud (se figur 4A).
  3. Be deltagaren att lägga sig ner långsamt och försiktigt så att deras rörelse inte rör locket eller drar i de optiska fibrerna. Justera de optiska fiberbuntarna efter behov så att deltagarens huvud vilar bekvämt i huvudspolen (se figur 4B). Skannerbordet kan behöva höjas under detta steg beroende på var kablarna är placerade från vågledaren.
  4. Placera en kudde under deltagarens ben för att säkerställa att deltagaren är bekväm. Placera andningsbältet runt deltagarens midja.
  5. Be deltagaren att placera de brusreducerande hörlurarna runt öronen, var uppmärksam på att inte störa fNIRS-sondens placering. För att förhindra att hörlurarna glider, använd MRI-säkra kuddar på vardera sidan av huvudet mellan hörlurarna och insidan av huvudspolen. Ett kuddfodral kan användas för att förhindra att hörlurarna kommer i kontakt med huvudspolen.
  6. Placera pulsoximetern på försökspersonens pekfinger på deras icke-dominanta hand. Om du använder en knappruta för de experimentella uppgifterna, be deltagaren att hålla den med sin dominanta hand. Ge deltagaren instruktioner om hur man använder knapplådan.
  7. Placera klämkulan eller knapplarmet på försökspersonens icke-dominanta hand och instruera deltagaren hur man använder den. Testa alarmet genom att be deltagaren trycka på det.
  8. Skjut in deltagaren några centimeter i skannerhålet för att rikta in huvudet. Placera den övre delen av huvudspolen. Sätt sedan in mikrofonen och spegeln i motsvarande spolinsatser.
  9. Skjut in deltagaren långsamt i skannerhålet medan du håller i de optiska fibrerna. Denna process kommer att kräva två personer, som kommer att finnas på varje sida av skannerbordet. Se till att de optiska fibrerna försiktigt förs in i skannerhålet för att undvika att dra i optoderna eller klämma fibrerna mellan huvudspolen och skannerhålet.
  10. Efter att ha bekräftat med deltagaren att de är redo för skanningssessionen, återvänd till kontrollrummet och bekräfta via intercom-ljud att deltagaren kan höra experimentledaren och experimentatorn kan höra deltagaren.

Figure 4
Figur 4. Deltagaren ställs in i MR-skannern. (A) Kuddar inuti MR-huvudspolen som används för att stödja deltagarens huvud och optiska fibrer arrangerade i buntar innan deltagaren ställer upp. (B) Deltagare som ligger på skannerbädden med fNIRS-locket redo för testning. Toppen av huvudspolen har ännu inte placerats över deltagarens ansikte. Klicka här för att se en större version av denna figur.

5. Inställning av skanner och fNIRS-utrustning före signalinspelning

  1. På skannerdatorn väljer du relevanta strukturella och funktionella sekvenser för studien. När du beräknar en känslighetsljusmodell av fNIRS-data, samla in både T1w- och T2w-bilder för att få den bästa vävnadskontrastupplösningen.
  2. Kontrollera lokaliseraren för att bekräfta en bra huvudposition i skannerhålet. Kontrollera att full hjärntäckning erhålls från toppen av huvudet till lillhjärnan.
  3. Bekräfta med deltagaren att datorskärmen är synlig via huvudspolspegeln.
  4. Kör den första strukturella genomsökningen. Kör parallellt ytterligare ett kalibreringstest av fNIRS-optoderna för att kontrollera om deltagarinställningen påverkade signalstyrkan för någon av kanalerna.
  5. Efter att ha kört den första strukturella MRT-skanningen, samla in gradientekofältskartsekvenserna och kalibrera de brusreducerande hörlurarna för att säkerställa att hörlurarna kommer att kunna leverera auditiva stimuli till deltagaren, samt blockera eventuellt omgivande ljud.
    OBS: Vissa deltagare kan behöva justera sina hörlurar. Om så är fallet, gå in i skannerrummet igen och justera vadderingen runt hörlurarna, var uppmärksam på att inte störa fNIRS-sondens placering. Kör en annan lokaliserare, gradient ekofält, kartsekvenser och kalibreringstest av fNIRS-optoderna innan du fortsätter.

6. Samtidig signalinspelning

  1. Kontrollera med deltagaren via porttelefonen att de är bekväma och mår bra. Ge instruktioner för uppgiften och påminn deltagarna om att hålla huvudet och kroppen stilla.
  2. Ge följande instruktioner, som är specifika för den blinkande schackbrädesuppgiften (bild 5).
    1. I den här uppgiften instruerar du deltagaren att alltid titta på mitten av skärmen som är framför dem (via spegeln). Ibland visar skärmen ett schackbräde med brickor som flimrar med olika frekvenser. Andra gånger kommer deltagaren att se en vit cirkel i mitten av skärmen.
    2. När den vita cirkeln visas på skärmen ber du deltagaren att trycka på knapprutan med pekfingret. Efter knapptryckningen blir cirkeln röd.
    3. Den här uppgiften använder en alternerande blockdesign. Låt deltagarna genomföra en enda körning på 6 minuter, som inkluderar 11 blinkande schackbrädesblock på 10 s vardera och 11 cirkelblock på 20 s vardera.
  3. Börja fNIRS-datainspelning på fNIRS-datorn och påbörja uppgifter på stimuluspresentationsdatorn. Skriptet för de experimentella uppgifterna kommer att visas som uppgiftsinstruktioner.
  4. Starta den första funktionella körningen. När skannern skickar den första TTL-pulsen kommer detta att visas som en triggersignal på NIRStar-programvarans datainsamlingsskärm. Denna första puls kommer också att starta den experimentella uppgiften.
  5. Övervaka deltagarnas prestationer och rörelser under alla uppgifter. I vissa fall, särskilt när man använder en optodmatris med hela huvudet och små lock, kan vissa deltagare uppleva visst obehag när de bär locket. Det är viktigt att alltid övervaka deltagarens komfort.
    1. Om det behövs, ge deltagaren en paus mitt i sessionen. Under denna paus, om deltagarna behöver sitta upp, samla in en lokaliserare och kör gradientekofältskartsekvenserna, hörlurskalibrering och fNIRS-testkalibrering igen innan du fortsätter. Detta steg behövs vanligtvis inte när man testar unga vuxna i skannern om de exakta stegen i det nuvarande protokollet följs.
  6. Under datainsamlingen, gör anteckningar om sessionen (t.ex. kepsstorlek, tid på dygnet, optoder som inte var väl kalibrerade eller något ovanligt).
  7. I slutet av alla funktionella körningar slutar du samla in fNIRS-data. Kör en andra strukturell genomsökning om det behövs.

Figure 5
Figur 5. Blinkande schackbrädesparadigm som den experimentella uppgiften. Deltagarna tittade på ett svartvitt rutmönster med vita rutor som blinkade åtta gånger per sekund som växlade med en grå skärm som visade en vit cirkel. Som en uppmärksamhetskontroll instruerades deltagarna att trycka på en knapp med höger hand när de såg en vit cirkel visas i mitten av skärmen. När du trycker på knappen blir cirkeln röd. Uppgiften slutfördes i en enda omgång bestående av totalt 22 block: 11 blinkande schackbrädesblock och 11 inter-trial-perioder. Blinkande schackbrädesperioder varade i 10 s och perioder mellan försöken varade i 20 s. Således inträffade början av det blinkande schackbrädet var 30:e sekund (0,033 Hz). Displayerna genererades av PsychoPy v2021.2.4 och projicerades på den bakåtvända spegeln på toppen av huvudspolen via ett 1080p DLP-projektionssystem. Deltagarna genomförde en körning av denna uppgift (~6 min). Klicka här för att se en större version av denna figur.

7. Rensning efter experimentet och datalagring

  1. Använd den motoriserade skannerbädden för att långsamt ta bort deltagaren från skannerns hål, var försiktig så att du inte klämmer någon av de optiska fibrerna. Ta bort toppen av huvudspolen och låt deltagaren sitta upp långsamt.
  2. Ta bort fNIRS-locket från deltagarens huvud och ta bort varje optod från respektive genomföring. Hår fastnar ofta i genomföringarna även efter att optoderna har tagits bort, så instruera deltagarna att ta bort locket långsamt och försiktigt.
  3. Vissa genomföringar kan lossna under avtäckningsprocessen. Se till att hitta alla genomföringsdelar och byt ut de som saknas före nästa deltagares skanningssession.
  4. Låt deltagarna glida av skannerbädden, tacka dem för deras tid och ge ekonomisk kompensation, om tillämpligt.
  5. Se till att aktivitetsloggar, fNIRS och fMRI-data lagras och säkerhetskopieras. Desinficera locket med en sprayrengöringslösning, som rekommenderas av fNIRS-leverantören, och torka av optodspetsarna med plast- och gummisäkra alkoholservetter.

8. Förbehandling av fMRI-data

fMRI-data förbehandlades efter de minimala förbehandlingsrörledningarna från Human Connectome Project23 med QuNex24, en programvarusvit med öppen källkod som stöder dataorganisation, förbehandling, kvalitetssäkring och analyser över neuroradiologiska modaliteter. Detaljerad dokumentation om de specifika inställningarna och parametrarna för vart och ett av de steg som markeras nedan finns på QuNex webbplats på https://qunex.yale.edu/. De viktigaste stegen och parametrarna som används för att bearbeta data presenteras nedan.

  1. Förbearbeta strukturella data
    1. PreFreeSurfer-pipeline. Utför följande steg: Korrigering av gradientdistorsion, justering av upprepade körningar av T1w- och T2w-bilder med en 6 frihetsgraders (DOF) stel kroppstransformation, AC-PC-justering av T1w- och T2w-bilder till MNI-utrymmesmallen, initial hjärnextraktion, avläsningsdistorsionskorrigering, tvärmodal registrering av T1w och T2w i nativt volymutrymme, biasfältkorrigering och MNI icke-linjär volymregistrering.
    2. Freesurfer pipeline. Utför följande steg: Nedsampla T1w till 1 mm med spline-interpolering och kör recon-all för att generera ytor med vit substans, vilket inkluderar finjustering av T2w till T1w-registrering med Freesurfers BBRegister-algoritm (se23 för mer information).
    3. Pipeline efter FreeSurfer. Utför följande steg: Konvertera recon-all-utgångar till GIFTI och NIFTI i inbyggt volymutrymme, generera den slutliga hjärnmasken och den kortikala bandvolymen, generera myelinkartor och utför inbyggd till MNI icke-linjär volymtransformation.
  2. Förbearbeta funktionella data
    1. fMRI-volympipeline. Utför följande steg: distorsionskorrigering, FLIRT-baserad rörelsekorrigering, TOPUP-baserad förbehandling av fältkartor med hjälp av en spinnekofältkarta, EPI-bildförvrängningskorrigering och EPI till T1w-registrering, enstegs spline-omsampling till atlasutrymme (MNI), intensitetsnormalisering via borttagning av biasfält och hjärnmaskering.
    2. fMRI Yt-pipeline. Utför följande steg för att mappa volymens tidsserier till en kombinerad yt- och volym, gråkoordinatrepresentation lagrad i CIFTI-format: fMRI-bandkonstruktion, ytutjämning, subkortikal bearbetning och generering av täta tidsserier.
    3. Förbered FETSTIL-data. Beräkna kvantitativ QC-statistik som återspeglar rörelse och dess artefaktiska egenskaper för att identifiera dåliga bildrutor. Se QuNex-dokumentationen för tillgängliga alternativ för att generera kvantitativ QC-statistik. Den här statistiken innehåller ofta BOLD-temporal signal-till-brus- och rörelseskrubbningsstatistik, till exempel tröskelvärde för bildförskjutning och normaliserat RMSE-tröskelvärde (root mean squared error) för bildintensitet. Beroende på de studiespecifika kriterierna, ignorera eller interpolera de identifierade problematiska ramarna.
    4. Extrahera störande signal. Extrahera störande signaler från hjärnventriklar, vit substans och grå substans för att utföra störande signalregression i efterföljande steg.

9. Förbehandling av fNIRS-data

OBS: fNIRS-data analyserades enligt bästa praxis i fNIRS-dataanalys25 med hjälp av NeuroDOT26, en miljö med öppen källkod för analys av optiska data från råa ljusnivåer till kartor på voxelnivå över hjärnans funktion, som är samregistrerade med anatomin hos en specifik deltagare eller en atlas. Alla steg som beskrivs nedan kan utföras med NeuroDOT. Ytterligare dokumentation om de specifika inställningarna och parametrarna för vart och ett av de steg som markeras nedan finns i självstudierna och skripten på https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. Slutligen kräver registrering av optod till hårbotten att man erhåller fNIRS-optodkoordinaterna i förhållande till den underliggande hjärnvävnaden, vilket kan göras med hjälp av en 3D-digitaliserare eller vitamin E-kapslar som fiducialer om sådana finns. Båda metoderna beskrivs i det här avsnittet och referenser till relevanta programvarupaket tillhandahålls.

  1. Generering av ett ämnesspecifikt huvudnät och skapande av ljusmodellen
    1. Segmentera T1w-bilden i relevanta vävnadstyper för att skapa en segmenterad huvudmodell: hårbotten, skalle, cerebrospinalvätska (CSF), grå substans och vit substans. Använd både T1w- och T2w-bilder, om sådana finns, eftersom var och en av dem bidrar med kompletterande information om de relevanta vävnadstyperna.
      OBS: Detta steg utförs i det aktuella protokollet med NeuroDOT:s funktion "Segment5R_fs", som tar som indata information från Freesurfers volymetriska segmentering28. Andra vanligt förekommande programpaket för segmentering av hjärnvävnad är SPM29 och AFNI30.
    2. Generera ett huvudnät från den segmenterade huvudmodellen med hjälp av mjukvarupaketet Mimics via NeuroDOT. Om en 3D-digitaliserare används för att placera ut optodplatserna på huvudmodellen, följ rekommendationerna för fältresa för optodlokalisering31. Alternativt, om vitamin E-kapslar används som fiducialer för identifiering av koordinater för käll-detektorpar, identifiera manuellt positionerna för källorna och detektorerna i T1w-bilden (se32 för ett exempel).
    3. Placera källans och detektorns platser som erhållits via 3D-digitiseraren eller vitamin E-kapslarna på relevanta platser på nätet med hjälp av NeuroDOT.
    4. Ställ in följande parametrar för att beräkna känslighetsmatrisen för den ämnesspecifika huvudmodellen med hjälp av NIRFAST-programvarupaketet via NeuroDOT: voxelationsupplösning: 2; regionetiketter: CSF, vit, grå, ben, hud; Utnyttjandekoefficienter för regioner: GSR [0,004, 0,004], vit [0,0167, 0,0208]. grå [0,018 0,0192], ben [0,0116, 0,0139], hud [0,74, 0,64]; spridningskoefficienter för regioner: GSR [0,3, 0,3], vit [1,1908, 1,0107]; grå [0,8359, 0,6726], ben [0,94, 0,84], hud [0,64, 0,74], brytningsindex för regioner: CSF [1,4, 1,4], vit [1,4, 1,4]; grå [1,4, 1,4], ben [1,4, 1,4], hud [1,4, 1,4].
      OBS: Protokollet använder NIRFAST-programvarupaketet (version 9.1)33,34, som använder en framåtriktad ljusmodell med finita element baserad på diffusionsapproximationen till strålningstransportekvationen. För att beräkna ljusmodellen förlitar sig NIRFAST på tre typer av information: i) vävnadens gränsform, ii) den interna fördelningen av optiska egenskaper vid baslinjen och iii) placeringen av källor och detektorer på ytan (se 35,36 för ytterligare detaljer). Monte Carlo-metoder kan användas som ett alternativ för att beräkna lösningar till diffusionsekvationen för olika vävnadstyper37,38.
    5. Visualisera ett exempel på mätningens känslighet som en kvalitativ bedömning.
  2. Bearbetning av rådata från källdetektormätningarna
    1. Visa den genomsnittliga ljusnivån för varje källa och detektor i en 2D-representation av bildmatrisen. Ta bort käll-detektorpar med mer än 7.5 % tidsmässig standardavvikelse36. Om data samlas in med en bildhastighet på minst 3Hz, använd hjärteffekttröskeln för att avvisa mätningar av källdetektorpar eftersom god optod-skalp-koppling kommer att uppvisa egenskaper som överensstämmer med pulsfrekvensen (~1 Hz).
    2. Ta bort trenden för data för att ta bort den linjära trenden i varje mätning. Högpassfilter (0,02 Hz cutoff) data för att ta bort lågfrekvent drift. Istället för filtrering är ett alternativ att lägga till en driftfaktor i GLM som en regressor.
    3. Lågpassfilter (1 Hz) data för att avlägsna hjärtsvängningar.
    4. Uppskatta den globala ytliga signalen genom att beräkna medelvärdet av alla 8 mm mätningar av källdetektorpar. Använd kortdistansmätningar som en uppskattning av systemiska icke-kortikala fysiologiska signaler eftersom de tar prover från främst hårbotten och skalle.
    5. Regressera ut den globala signalen från alla mätningar39.
    6. Lågpassfilter data (0,5 Hz cutoff) för att ytterligare fokusera återstående data runt stimulusfrekvensen och nedsampla data till 1 Hz 40,41,42 för att minska beräkningsbelastningen.
    7. Implementera rörelsecensur med hjälp av den globala variansen av de temporala derivatorna (GVTD) tidsförlopp43. GVTD beräknas som kvadratroten ur medelvärdet av de temporala derivatorna över en uppsättning mätningar eller voxlar43. Implementera rörelsecensur eller skrubbning genom att utesluta de tidpunkter som överskrider GVTD-bruströskeln.
  3. Rekonstruktion av ljusmodellen och förbearbetade data till en funktionell neuroradiologisk volym
    1. Rekonstruera relativa förändringar i absorption vid 785 nm och 830 nm baserat på en regulariserad inversion av känslighetsmatrisen med hjälp av Tikhonovregularisering och spatialt variantregularisering44.
    2. Beräkna relativa förändringar i hemoglobinkoncentration via en spektral nedbrytning av våglängdsberoende absorptionsdata44,45.

10. fMRI/fNIRS uppgiftsframkallade dataanalyser

  1. Kör GLM-analys på första nivån (HRF-modellering, regression av fysiologiska signaler, inklusive fNIRS-mätningar på korta avstånd) för att bedöma hur hjärnaktiviteten relaterar till den statistiska hypotesen för ett givet ämne.
    OBS: Ett alternativ till GLM är blockmedelvärdesbildning, som undviker a priori-antaganden om HRF:s form. Blockmedelvärdesbildning tillåter dock inte modellering av relevanta förväxlingsfaktorer i fNIRS-signalen tillsammans med den hemodynamiska responsen på stimulus.
  2. Kör GLM-analys på första nivån eller andra nivån för att kombinera uppskattningar av aktivering på första nivån mellan olika ämnen.
  3. Extrahera relevanta effektuppskattningar från de enskilda GLM-filerna och kombinera dem till gruppfiler.
  4. Beräkna önskad statistik. FSL PALM46 är ett väletablerat paket för att köra permutationsmetoder för både uni- och multivariata GLM-modeller för statistisk inferens.
  5. Få GLM-betauppskattningar för hela hjärnan.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I det här avsnittet presenteras representativa ämnesspecifika svar för den blinkande schackbrädesuppgiften för både fMRI- och fNIRS-signaler. För det första visas representativa rådata och kvalitetsbedömningar i figur 6 och figur 7 för att illustrera genomförbarheten av den experimentella uppställningen för att mäta fNIRS-signaler i MRI-miljön. Ett diagram över hela huvudets optodmatris och känslighetsprofil visas i figur 8.

Figure 6
Figur 6. Representativa fNIRS tidsseriedata efter bandpassfiltrering och ytlig signalregression. Vänster kolumn visar data vid 785 nm och höger kolumn visar data vid 830 nm. (A) fNIRS-datatidsserier efter applicering av bandpassfilter (högpassfilteravstängning: 0,02 Hz, lågpassfilteravstängning: 0,5 Hz-avstängning) och global signalregression. Y-axeln är loggskalad för att markera intervallet av ljusnivåer för uppsättningen av källdetektoravstånd. Vertikala linjer indikerar tidpunkter där ett nytt block börjar i stimulusparadigmet. Gröna linjer anger början på det blinkande schackbrädesblocket och blå linjer anger början på perioden mellan försöken. (B) Spektrum för fNIRS-signalen efter applicering av bandpassfiltret (högpassfilteravstängning: 0,02 Hz, lågpassfilteravstängning: 0,5 Hz-avstängning) och global signalregression. Frekvenser under gränsfrekvensen dämpas avsevärt. Spektrumet visar en mycket starkare topp vid stimulusfrekvensen, det vill säga i början av de blinkande schackbrädesblocken (0,033 Hz), i förhållande till andra frekvenser. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7. fNIRS datakvalitetsbedömning för ett enskilt ämne. (A) Genomsnittliga ljusnivåer för ett enskilt motiv över hela fNIRS-dataströmmen. Vita och gula färger fungerar som kvalitativa bedömningar av optimal koppling för varje optod. (B) Signal-brusförhållande (SNR) över mätningar för ett enskilt ämne över hela fNIRS-dataströmmen. Vita och gula färger indikerar bra SNR. Optoder som ligger på den övre delen av fNIRS-locket över sensomotoriska regioner tenderar att ha lägre SNR (vanligtvis på grund av tätt hår eller en löst sittande mössa). (C) Den tidsmässiga variansen i alla 100 källdetektorpar används för att utvärdera och optimera datakvaliteten. Par med varians under 7,5 % (röd linje) behålls för vidare analys. (D) Mätningar som uppfyller bullertröskeln (dvs. varians över 7,5 %). För denna deltagare anses 97 % av optoderna vara acceptabla. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8. Inställning av optodmatris med hela huvudet och känslighetsprofil. (A) Optode array-inställning med 32/30 källor/detektorer som resulterar i 100 kanaler med täckning av hela huvudet och 30 mm avstånd och 8 kanaler med korta avstånd med 8 mm separation. (B) Känslighetsprofil för optodmatrisen givet de specificerade parametrarna för Tikhonov-regularisering (0,01, 0,1). Enhet representerar procentandelen av det plana fältet. Områden med hög konfidens har vanligtvis ett platt fältvärde som är högre än ~0,5 %-1 % Klicka här för att se en större version av den här figuren.

Efter förbehandling av data uppskattades fNIRS- och fMRI-svar för den blinkande checkerboard-uppgiften med hjälp av ett standardramverk för allmän linjär modell (GLM). Designmatrisen konstruerades med hjälp av start- och varaktighet för varje stimuluspresentation i kombination med en kanonisk HRF. För fNIRS visas delta HbO-resultaten givet att oxi-hemoglobinsignalen (ΔHbO) uppvisar ett högre kontrast-brusförhållande jämfört med deoxi-hemoglobin (ΔHbR) eller totalt hemoglobin (ΔHbT)44,47. Patientdata visar ökad aktivering i bilaterala synbarksområden under de blinkande schackblocken jämfört med perioderna mellan försöken. Tidsspår av hjärnaktivitet i synbarken visar en ökning av HbO-signalen under presentationen av det blinkande schackbrädet och en minskning under perioder mellan försöken (Figur 9A). Denna hemodynamiska ökning som svar på blinkande schackbrädesperioder observeras inte i ett orelaterat hjärnområde (Figur 9B). Som förväntat visar visualisering av HbO-data under den blinkande schackbrädesperioden bilateral aktivering i synbarksområden (Figur 9C).

Figure 9
Figur 9. Tidsspår av fNIRS HbO-responser under det experimentella paradigmet. Tidsspår visas för (A) aktivitet i synbarken under ett blinkande schackbrädeblock, (B) aktivitet i synbarksområdet mellan blinkande schackbrädesblock och (C) aktivitet i ett orelaterat hjärnområde under ett blinkande schackbrädesblock. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 10
Figur 10. Representativa fNIRS HbO-svar med en försöksperson under den blinkande schackbrädesperioden. Kartor över blockmedelvärden (HbO) data från början av det blinkande schackbrädet som visas för tre ämnen. Data inkluderar 10 s blinkande schackbrädesperiod och 5 s efter för att bedöma hjärnaktivering som svar på stimulus. Klicka här för att se en större version av denna figur.

FMRI-data på försöksnivå visar större BOLD-signalrespons i primär och sekundär synbark under de blinkande schackbrädesperioderna i förhållande till perioderna mellan försöken (Figur 11A). På subkortikal nivå observeras ökad aktivering i den laterala geniculate nucleus (LGN) i talamus, vilket förväntas eftersom LGN tar emot visuell input från näthinnan (Figur 11B).

Figure 11
Figur 11. Representativa uppskattningar av fMRI-aktivering med en enda försöksperson under den blinkande schackbrädesperioden. (Översta raden) Aktiveringsuppskattningar (beta) för tre försökspersoner erhållna från statistisk analys på första nivån och som visar bilateralt engagemang av primära och sekundära synbarksområden under den blinkande schackbrädesperioden. (Nedersta raden) Uppskattningar av subkortikal aktivering som visar engagemang av den laterala geniculate nucleus (LGN) under den blinkande checkerboard-perioden, vilket fungerar som en kvalitativ bedömning av att fMRI-data samlas in som förväntat med 20-kanals huvudspolen. Den röda pilen pekar på platsen för LGN på hjärnkartan. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Sammantaget illustrerar dessa resultat möjligheten att implementera det nuvarande protokollet för att samla in samtidiga fMRI- och fNIRS-signaler med en vuxen befolkning. Protokollet tillåter totalt 40 minuters skanningstid och ger full täckning av fNIRS-data. Vi har diskuterat datainsamling med ett visuellt blinkande schackbrädeparadigm, men protokollet är också tillämpligt på andra experimentella paradigm. Vi rekommenderar att du bedömer känslighetsprofilen för fNIRS-arrayen i förväg för att säkerställa maximal känslighet över relevanta kanaler till de underliggande kortikala regionerna av intresse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Detta protokoll för samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-signaler använder en fNIRS-optodmatris med hela huvudet och kortdistanskanaler för att mäta och regressera de systemiska icke-kortikala fysiologiska signalerna. Kritiska steg i detta protokoll inkluderar modifiering och utveckling av fNIRS-utrustningen för insamling av fNIRS-signaler i MR-miljön. Så vitt vi vet finns det inget nyckelfärdigt kommersiellt system som är helt optimerat för att fånga samtidiga fMRI- och fNIRS-mätningar med hjälp av en fNIRS-matris med hela huvudet. Det nuvarande protokollet tar itu med denna lucka och kommer att vara särskilt relevant för de forskare som är intresserade av en jämförelse av de två signalerna i hela huvudet, även om det lätt kan modifieras för studier som undersöker specifika regioner av intresse.

Protokollet beskriver i detalj viktiga modifieringar av fNIRS-utrustningen, inklusive förberedelse av fNIRS-mössa med insatser för att lagra vitamin E-kapslar, förbättringar av locket för att öka komforten i frontala områden och justerbarhet på baksidan av huvudet, och en skräddarsydd MR-säker bro för att föra de optiska fibrerna till skannerbordet. En av de största utmaningarna när man genomför en samtidig fMRI/fNIRS-studie är att se till att upplägget gör det möjligt för deltagarna att vila bekvämt i skannern. Det nuvarande upplägget med vuxna tillåter skanningssessioner på i genomsnitt cirka 40 minuter, vilket inkluderar både funktionella och strukturella skanningar. Hur lång tid deltagarna kan vila bekvämt i skannern kommer i första hand att bestämmas av vilken typ av optoder som tillhandahålls med fNIRS-systemet. Det nuvarande protokollet använder ett NIRx NIRScout XP-system som har lågprofiloptoder med en plan yta, vilket gör att de flesta vuxna försökspersoner kan vila bekvämt i skannern under hela studien. Slutligen innehåller protokollet också steg för tidsmässig anpassning av de två dataströmmarna via triggersynkronisering över modaliteter, placering av fNIRS-tak, deltagarinställning och signalinspelning.

Begränsningar och potentiella utmaningar
Protokollet kan behöva modifieras för att passa specifikationerna för det tillgängliga fNIRS-instrumentet. Ett viktigt första steg är att kontrollera med fNIRS-leverantören för att säkerställa att optoderna och de optiska fibrerna är lämpliga för datainsamling i MR-miljön. fNIRS-system kommer sannolikt att variera med avseende på typen av lock och optoder. Välsittande lock och lågprofiloptoder med plan yta rekommenderas. Alternativt har tidigare arbete beskrivit användningen av skräddarsydda stödsystem för att undvika att applicera tryck på fNIRS-optoderna32.

En annan aspekt som sannolikt kommer att variera mellan fNIRS-enheter är det triggande systemet som är tillgängligt för signalsynkronisering över modaliteter. Det nuvarande protokollet använder en parallellportreplikatorbox för att ta emot TTL-pulserna från skannern och skicka triggers till fNIRS-insamlingsprogramvaran. Med tanke på att detta är ett viktigt steg för att säkerställa synkronisering över modaliteter, bör forskaren rådgöra med sin fNIRS-leverantör om det rekommenderade systemet för signalsynkronisering.

Slutligen använder det nuvarande protokollet 8 kortdistanskanaler, som för närvarande endast är tillgängliga för ett begränsat antal fNIRS-system. Om kortdistanskanaler inte är tillgängliga är ett alternativ att implementera några av de senaste analysmetoderna för identifiering och avlägsnande av den systemiska fysiologiska signalen 18,25,48,49,50,51. För en aktuell kvantitativ jämförelse av tillgängliga korrigeringstekniker, se52.

Tillämpningar av protokollet för testning av utvecklingspopulationer och kliniska populationer
Protokollet kan modifieras för datainsamling av fMRI- och fNIRS-signaler med utvecklings- och kliniska populationer. Potentiella justeringar som är nödvändiga för dessa populationer inkluderar mössstorlekar (eftersom mössorna är ålders- och huvudstorleksspecifika), tillägg av en utbildningssession för att bekanta deltagaren med skannermiljön och införandet av kortare skanningssessioner – som alla är särskilt relevanta vid testning av spädbarn och småbarn. Dessutom är fördelarna med att använda kortdistanskanaler hos spädbarn och småbarn fortfarande oklara53, även om tidigare studier har visat att 10 mm avståndskanaler verkar fånga extracerebral hemodynamik hos spädbarn53,54. Monte Carlo-simuleringar av fotontransport indikerar att olika optimala källdetektoravstånd behövs för korta separationskanaler hos vuxna och nyfödda som en funktion av ålder och optodplacering i hårbotten55. Ytterligare forskning behövs dock för att skapa standardiserade metoder för att utföra kortseparationsregression hos spädbarn och småbarn. Slutligen måste studier som förlitar sig på auditiva stimuli av god kvalitet noggrant överväga de tillgängliga systemen för leverans av ljud i MR-skannern. Aktiva brusreducerande hörlurar som för närvarande används med vuxna kan lätt förskjutas på grund av huvudrörelser när de används med vakna spädbarn och småbarn. I sådana fall bör spädbarnsspecifika hörlurar användas. Alternativt kan spädbarn delta i ett träningspass före skanningen för att minimera huvudets rörelser, även om det här alternativet kanske bara fungerar för äldre spädbarn.

Slutsats
Protokollet möjliggör samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-signaler. Till skillnad från tillgängliga metoder implementerar den en fNIRS-matris med hela huvudet och inkluderar kanalmätningar på korta avstånd. Vidare beskrivs två olika metoder för optod-till-skalp-samregistrering av fNIRS-signalerna: i) vitamin E-kapslar fästa vid varje optod på fNIRS-locken och ii) en 3D-struktursensor som möjliggör digitalisering av optodplatserna med avseende på fiduciella markörer på huvudet. Det nuvarande protokollet kan enkelt anpassas för att samla in data från specifika regioner av intresse och över en mängd olika experimentella paradigm. Även om det nuvarande protokollet har testats på unga vuxna, ges också förslag på hur man kan anpassa det för användning med utvecklings- och kliniska populationer. Detta protokoll kommer att vara särskilt relevant för dem som är intresserade av att validera fNIRS-aktiveringar på områdesnivå och funktionell konnektivitet mot fMRI under hela livslängden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Publiceringsavgifter för denna artikel sponsras av NIRx. Författarna har inget annat att avslöja.

Acknowledgments

Denna forskning stöddes av följande finansieringskällor: Ett NARSAD Young Investigator Award Grant från Brain and Behavior Research Foundation (Grant #29736) (SSA), ett Global Grand Challenges Grant från Bill and Melinda Gates Foundation (Grant #INV-005792) (RNA) och ett Discovery Fund Grant från Department of Psychology vid Yale University (RNA). Författarna vill också tacka Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) för hans stöd under datainsamlingen och Adam Eggebrecht, Ari Segel och Emma Speh (Washington University i St Louis) för deras hjälp med dataanalys.

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 Methodology Cerebral Blood Oxygenation Funktionell hjärnaktivering Aktiveringar på områdesnivå Funktionell konnektivitet FNIRS-täckning för hela huvudet Kortdistansmätningar Optode-to-scalp Co-registration
Samtidig datainsamling av fMRI- och fNIRS-mätningar med hjälp av en helhuvud-optodmatris och kortdistanskanaler
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