Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نقدم طريقة لجمع إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS في وقت واحد من نفس الموضوعات مع تغطية fNIRS كاملة الرأس. تم اختبار البروتوكول مع ثلاثة شباب ويمكن تكييفه لجمع البيانات للدراسات التنموية والسكان السريريين.

Abstract

التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) هو منهجية تصوير عصبي محمولة ، أكثر قوة للحركة وأكثر فعالية من حيث التكلفة من التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) ، مما يجعله مناسبا للغاية لإجراء الدراسات الطبيعية لوظائف المخ وللاستخدام مع السكان التنمويين والسريريين. تكتشف كل من منهجيات fNIRS و fMRI التغيرات في أكسجة الدم الدماغية أثناء تنشيط الدماغ الوظيفي ، وقد أظهرت الدراسات السابقة تطابقات مكانية وزمانية عالية بين الإشارتين. ومع ذلك ، لا توجد مقارنة كمية بين الإشارتين اللتين تم جمعهما في وقت واحد من نفس الأشخاص مع تغطية fNIRS بالكامل. هذه المقارنة ضرورية للتحقق بشكل شامل من عمليات التنشيط على مستوى المنطقة والاتصال الوظيفي مقابل المعيار الذهبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، والذي بدوره لديه القدرة على تسهيل المقارنات بين الإشارتين عبر العمر. نعالج هذه الفجوة من خلال وصف بروتوكول لجمع البيانات في وقت واحد من الرنين المغناطيسي الوظيفي وإشارات fNIRS التي: ط) يوفر تغطية fNIRS كاملة الرأس. ii) يتضمن قياسات قصيرة المدى لانحدار الإشارة الفسيولوجية الجهازية غير القشرية ؛ و iii) ينفذ طريقتين مختلفتين للتسجيل المشترك للبصريات إلى فروة الرأس لقياسات fNIRS. يتم تقديم بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS من ثلاثة مواضيع ، وتناقش توصيات لتكييف البروتوكول لاختبار السكان النمائيين والسريريين. يسمح الإعداد الحالي مع البالغين بجلسات المسح الضوئي لمدة 40 دقيقة تقريبا في المتوسط ، والتي تتضمن عمليات المسح الوظيفية والهيكلية. يحدد البروتوكول الخطوات المطلوبة لتكييف معدات fNIRS للاستخدام في بيئة الرنين المغناطيسي (MR) ، ويقدم توصيات لكل من تسجيل البيانات والتسجيل المشترك من البصر إلى فروة الرأس ، ويناقش التعديلات المحتملة للبروتوكول لتناسب تفاصيل نظام fNIRS الآمن MR المتاح. توضح الاستجابات التمثيلية الخاصة بالموضوع من مهمة رقعة الشطرنج الوامضة جدوى البروتوكول لقياس إشارات fNIRS كاملة الرأس في بيئة MR. سيكون هذا البروتوكول مناسبا بشكل خاص للباحثين المهتمين بالتحقق من صحة إشارات fNIRS مقابل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي عبر العمر.

Introduction

تمت دراسة الوظيفة المعرفية في الدماغ البشري البالغ عن طريق التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) لما يقرب من ثلاثة عقود. على الرغم من أن التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي يوفر دقة مكانية عالية وصورا وظيفية وهيكلية ، إلا أنه غالبا ما يكون غير عملي للدراسات التي أجريت في السياقات الطبيعية أو للاستخدام مع الرضع والسكان السريريين. هذه القيود تحد بشكل كبير من فهمنا لوظائف الدماغ. بديل للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي هو استخدام منهجيات محمولة أكثر فعالية من حيث التكلفة وقوية للحركة ، مثل التحليل الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) 1،2،3. تم استخدام fNIRS مع الرضع والأطفال الصغار لتقييم وظائف المخ عبر مجموعة من المجالات المعرفية ، مثل تطوير اللغة ومعالجة المعلومات ذات الصلة اجتماعيا ومعالجة الأشياء 4،5،6. fNIRS هي أيضا طريقة تصوير عصبي مناسبة بشكل خاص لاختبار السكان السريريين نظرا لقدرتها على الاختبار والمراقبة المتكررة عبر الأعمار7،8،9. على الرغم من قابليته للتطبيق على نطاق واسع ، لا توجد دراسات تقارن كميا إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS التي تم جمعها في وقت واحد من نفس الموضوعات مع تغطية كاملة للرأس. هذه المقارنة ضرورية للتحقق بشكل شامل من عمليات التنشيط على مستوى المنطقة والاتصال الوظيفي بين مناطق الاهتمام (ROIs) مقابل المعيار الذهبي للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي. علاوة على ذلك ، فإن إنشاء هذه المراسلات متعددة الوسائط لديه القدرة على تعزيز تفسير fNIRS عندما تكون الإشارة الوحيدة التي تم جمعها عبر كل من التطوير النموذجي وغير النمطي.

تكتشف كل من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS التغيرات في أكسجة الدم الدماغية (CBO) أثناء تنشيط الدماغالوظيفي 10,11. يعتمد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي على التغيرات في المجالات الكهرومغناطيسية ويوفر دقة مكانية عالية لتغييرات CBO12. في المقابل ، يقيس fNIRS مستويات امتصاص الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء باستخدام سلسلة من البصريات الباعثة للضوءوالكشف عن الضوء 2. نظرا لأن fNIRS يقيس التغيرات في الامتصاص عند أطوال موجية مختلفة ، فيمكنه تقييم تغيرات التركيز في كل من أوكسي وديوكسي هيموغلوبين. أظهرت الدراسات السابقة باستخدام التسجيلات المتزامنة لإشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS مع عدد صغير من البصريات أن الإشارتين لهما تطابق مكاني وزماني مرتفع10. هناك ارتباطات قوية بين الرنين المغناطيسي الوظيفي المعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) والمقاييس البصرية11,13 ، حيث يظهر ديوكسي هيموغلوبين أعلى ارتباط مع استجابة BOLD ، كما ورد في العمل السابق الذي يقارن الديناميات الزمنية لوظائف الاستجابة الديناميكية للدم fNIRS والرنين المغناطيسي الوظيفي (HRFs)14. نفذت هذه الدراسات المبكرة نماذج الاستجابة الحركية (أي النقر بالإصبع) واستخدمت عددا محدودا من البصريات التي تغطي مناطق القشرة الحركية الأولية وقبل الحركية. في العقد الماضي ، وسعت الدراسات التركيز ليشمل مجموعة أكبر من المهام المعرفية وجلسات الراحة ، على الرغم من أنها لا تزال تستخدم عددا محدودا من البصريات التي تغطي عائد استثمار محدد. أظهرت هذه الدراسات أن التباين في ارتباطات fNIRS / fMRI يعتمد على مسافة البصر من فروة الرأس والدماغ15. علاوة على ذلك ، يمكن أن يوفر fNIRS تدابير اتصال وظيفية في حالة الراحة مماثلة للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي16,17.

يعتمد البروتوكول الحالي على العمل السابق ويعالج القيود الرئيسية من خلال i) توفير تغطية fNIRS كاملة الرأس ، ii) بما في ذلك قياسات المسافات القصيرة لانحدار الإشارات الفسيولوجية غير القشرية ، iii) تنفيذ طريقتين مختلفتين للتسجيل المشترك للبصريات إلى فروة الرأس لقياسات fNIRS و iv) تمكين تقييم موثوقية الاختبار وإعادة الاختبار للإشارة عبر جلستين مستقلتين. تم تطوير هذا البروتوكول لجمع البيانات في وقت واحد من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS في البداية لاختبار الشباب. ومع ذلك ، كان أحد أهداف الدراسة هو إنشاء إعداد تجريبي لجمع إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي / fNIRS المتزامنة التي يمكن تكييفها لاحقا لاختبار المجموعات التنموية. لذلك ، يمكن أيضا استخدام البروتوكول الحالي كنقطة انطلاق لتطوير بروتوكول لاختبار الأطفال الصغار. بالإضافة إلى استخدام تغطية fNIRS للرأس بالكامل ، يهدف البروتوكول أيضا إلى دمج التطورات الحديثة في مجال أجهزة fNIRS ، مثل تضمين قنوات المسافات القصيرة لقياس الإشارة الفسيولوجية الجهازية (أي التغيرات الوعائية الناشئة عن المصادر غير القشرية ، مثل ضغط الدم وإشارات الجهاز التنفسي والقلب)18,19 ; واستخدام مستشعر هيكل 3D للتسجيل المشترك للبصر إلى فروة الرأس20. على الرغم من أن تركيز البروتوكول الحالي ينصب على نتائج مهمة رقعة الشطرنج الوامضة المرئية ، إلا أن التجربة بأكملها تتضمن جلستين مع مزيج من تصميمات مهام الكتلة التقليدية ، وجلسات حالة الراحة ، ونماذج مشاهدة الأفلام الطبيعية.

يصف البروتوكول الخطوات اللازمة لتكييف معدات fNIRS للاستخدام في بيئة التصوير بالرنين المغناطيسي ، بما في ذلك تصميم الغطاء والمحاذاة الزمنية عبر مزامنة الزناد والاختبارات الوهمية المطلوبة قبل بدء جمع البيانات. كما لوحظ ، ينصب التركيز هنا على نتائج مهمة رقعة الشطرنج الوامضة ، لكن الإجراء العام ليس محددا للمهمة ويمكن أن يكون مناسبا لأي عدد من النماذج التجريبية. ويحدد البروتوكول كذلك الخطوات المطلوبة أثناء جمع البيانات، والتي تشمل وضع غطاء fNIRS ومعايرة الإشارة، وإعداد المعدات التجريبية والمشاركة، فضلا عن تنظيف ما بعد التجربة وتخزين البيانات. ينتهي البروتوكول بتقديم نظرة عامة على خطوط الأنابيب التحليلية الخاصة بالمعالجة المسبقة لبيانات fNIRS و fMRI.

Protocol

تمت الموافقة على البحث من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) في جامعة ييل. تم الحصول على الموافقة المستنيرة لجميع المواد. كان على الأشخاص اجتياز فحص التصوير بالرنين المغناطيسي لضمان مشاركتهم الآمنة. تم استبعادهم إذا كان لديهم تاريخ من الاضطراب الطبي أو العصبي الخطير الذي من المحتمل أن يؤثر على الأداء المعرفي (أي اضطراب عصبي معرفي أو اكتئابي أو صدمة أو انفصام الشخصية أو اضطراب الوسواس القهري).

ملاحظة: يستخدم البروتوكول الحالي جهاز CW-NIRS مع 100 قناة لمسافات طويلة و 8 قنوات قصيرة المسافات (32 مصدر الصمام الثنائي الليزري ، λ = 785/830 نانومتر بمتوسط طاقة 20 ميجاوات / طول موجي ، و 38 كاشفا للصمام الثنائي الضوئي للانهيارات الجليدية) تم أخذ عينات منها عند 1.95 هرتز. تم جمع فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي والرنين المغناطيسي الوظيفي على ماسح ضوئي Siemens 3 Tesla Prisma باستخدام ملف رأس مكون من 20 قناة. تم جمع جميع البيانات في مركز ييل لتصوير الدماغ (https://brainimaging.yale.edu/). ويلاحظ في جميع أنحاء البروتوكول تعديلات خاصة بالنظام لجمع بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS المتزامنة.

1. تعديلات وتطوير معدات fNIRS لجمع البيانات في وقت واحد

ملاحظة: الخطوات من 3 إلى 6 خاصة بنظام NIRScoutXP وقد لا تنطبق على أنظمة fNIRS الأخرى بسبب الاختلاف في برنامج الاستحواذ والأشباح المتاحة لتقييم البصريات.

  1. إعداد قبعات fNIRS
    1. تحديد القبعات fNIRS اللازمة للدراسة. لدراسة البالغين ، تأكد من توفر أحجام الغطاء التالية (سم): 54 و 56 و 58 و 60.
    2. ملاحظة: أحجام الغطاء خاصة بالنظام المستخدم في هذا البروتوكول. لذلك ، قد يكون هناك اختلاف في الأحجام المحددة اللازمة لأنظمة NIRS المختلفة.
    3. باستخدام كبسولات فيتامين E ومادة طاردة للماء (على سبيل المثال ، نسيج نايلون مع طلاء PU) ، قم بإعداد fiducials. لف الكبسولات بالمادة المختارة وقم بخياطة (أو لصق) الإيمانات في المناطق المختارة (انظر الشكل 1 أ). تعمل كبسولات فيتامين E كعلامات إيمانية لتحديد موضع قنوات fNIRS بالنسبة لأنسجة المخ الأساسية باستخدام صورة T1w.
    4. حدد عدد الاعتمادات اعتمادا على صفيف البصريات وطريقة التسجيل المشترك. تتطلب بعض الدراسات فقط الكشف عن عدد قليل من المعالم التشريحية ، في حين أن البعض الآخر قد يستفيد من وضع fiducials بجانب كل optode.
    5. إذا كان غطاء fNIRS فضفاضا جدا في الجزء الخلفي من الرأس ، فقم بتوصيل حزامين على جانبي الغطاء باستخدام قماش مرن (مع عراوي مقطوعة مسبقا) وأزرار لزيادة قابلية ضبط الغطاء. عبر المشاركين وبغض النظر عن مدى إحكام الغطاء ، قم بتأمين الأشرطة لضمان إعداد غطاء متسق.
    6. إذا كان الجزء الأمامي من الغطاء ضيقا جدا على الجبهة ، فضع مخازن مطاطية على تلك البصريات التي تتلامس مباشرة مع الجلد. إذا لم يوفر مورد fNIRS مخازن مؤقتة ، فقم بإنشائها باستخدام ملصقات قماشية من اللباد. في حالة استخدام مخازن مطاطية ، استخدمها لجميع المشاركين بغض النظر عن ملاءمة الغطاء لضمان إعداد غطاء متسق. تأكد من أن المكونات الموجودة في المخازن المؤقتة المطاطية لا تحتوي على مكونات معدنية للحماية من القطع الأثرية في صور التصوير بالرنين المغناطيسي.
  2. إعداد معدات fNIRS في غرف التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي والماسح الضوئي
    1. ضع جهاز fNIRS في غرفة التحكم بالقرب من أحد أدلة الموجات المؤدية إلى غرفة الماسحة الضوئية. استخدم سطحا مرتفعا (على سبيل المثال ، براز متدرج) إذا لزم الأمر للتأكد من أن جهاز fNIRS قريب من أدلة الموجات قدر الإمكان من أجل زيادة طول الألياف.
    2. باستخدام شبكة الكابلات الشبكية ، قم بتجميع الألياف الضوئية في مجموعات. حدد هذه المجموعات استنادا إلى صفيف البصريات المختار. من الناحية المثالية ، سيتم تجميع الألياف الضوئية بحيث يتم وضع جميع البصريات في المجموعة على نفس الجانب من الرأس (اليسار مقابل اليمين).
    3. قم بتوصيل الألياف الضوئية بجهاز fNIRS وتوجيه الحزم إلى غرفة الماسح الضوئي من خلال أدلة الموجة. قبل طلب الألياف الضوئية ، قم بقياس المسافة بين جهاز fNIRS ومركز تجويف الماسح الضوئي للتأكد من أن طول الألياف الضوئية سيكون كافيا.
    4. أحضر الألياف الضوئية إلى طاولة الماسحة الضوئية. استخدم جسرا آمنا للتصوير بالرنين المغناطيسي لتثبيت الألياف الضوئية للتأكد من أن وزن الألياف لا يتسبب في ترهل الألياف ومنعها من سحب الغطاء بعيدا عن رأس الشخص (انظر الشكل 1 ب).
  3. إعداد مربع النسخ المتماثل للمنفذ المتوازي
    1. قم بتثبيت أحدث إصدار من برنامج NIRStar على كمبيوتر الحصول على بيانات fNIRS.
    2. قم بتوصيل جهاز النسخ المتماثل للمنفذ المتوازي بالكبل الذي ينقل النبضة الشبيهة بالترانزستور الترانزستور المنطقي (TTL) من الماسح الضوئي كما هو موضح في دليل تشغيل الشركة المصنعة (الإصدار R2.1 ؛ انظر الشكل 1C). تتوافق نبضة TTL مع نبضة توقيت الشريحة المرسلة مباشرة من الماسحة الضوئية. عندما يرسل الماسح الضوئي نبضة ، سيضيء أحد مؤشرات LED.
    3. قم بتوصيل صندوق النسخ المتماثل للمنفذ المتوازي بجهاز fNIRS عبر إدخال منفذ متوازي. سيؤدي هذا إلى إرسال مشغل إلى برنامج NIRStar كلما تم اكتشاف نبضة TTL من الماسح الضوئي. ستنعكس إشارة الزناد على شاشة تسجيل الحصول على البيانات كخط منقط. يضمن هذا الإعداد مزامنة جمع بيانات fNIRS و fMRI لأنه في كل مرة يتم فيها جمع نبضة توقيت الشريحة في الماسح الضوئي ، سينعكس ذلك في دفق بيانات fNIRS المسجل بواسطة برنامج الحصول على NIRStar.
  4. إعداد الشبح الثابت لتقييم البصريات
    1. ضع البصريات في الجهاز الوهمي الثابت الذي يوفره مورد fNIRS. يعتمد ترتيب البصريات على الشبح على نوع أداة fNIRS وعدد المصادر وأجهزة الكشف المتاحة. تحقق من ترتيب optod الصحيح في دليل بدء تشغيل الموفر من الشركة المصنعة.
    2. تأكد من أن الشبح محمي تماما من أي مصدر ضوء. يوفر بعض الموردين حقيبة مناسبة تساعد على حماية البصريات من أي مصدر إضاءة خارجي.
    3. قم بتوصيل جميع المصادر المتاحة وحزم الكاشف في فانتوم fNIRS وفقا لترتيب البصريات المحدد.
    4. قم بتوصيل fNIRS الوهمي بكمبيوتر الاستحواذ وابدأ برنامج الاستحواذ NIRStar.
  5. إجراء اختبار أداة الضوضاء المظلمة الوهمية
    1. ضمن عنصر القائمة تكوين الأجهزة لبرنامج الحصول على NIRStar ، افتح علامة التبويب إعداد القناة . تأكد من تعيين العدد الإجمالي للمصادر وأجهزة الكشف بشكل صحيح ضمن عدد المصادر وعدد الكاشفات . قم بتأكيد هذه الإعدادات بالنقر فوق موافق.
    2. قم بتشغيل نافذة اختبار الضوضاء المظلمة بالنقر فوق عنصر قائمة التشخيص في قائمة نافذة NIRStar الرئيسية.
    3. قم بإجراء الاختبار بالضغط على زر تشغيل الاختبار . احفظ نتائج الاختبار بالضغط على زر حفظ النتائج .
      ملاحظة: راجع "دليل بدء الاستخدام: استكشاف أخطاء Static Phantom" الخاصة بالشركة المصنعة للحصول على إرشادات حول كيفية تفسير النتائج.
  6. إجراء اختبار المعايرة الوهمية
    1. ضمن عنصر القائمة تكوين الأجهزة في برنامج الحصول على NIRStar ، افتح علامة التبويب إعداد القناة . تأكد من تعيين العدد الإجمالي للمصادر وأجهزة الكشف بشكل صحيح ضمن عدد المصادر وعدد الكاشفات .
    2. ضمن عنصر القائمة تكوين الأجهزة ، افتح علامة التبويب إخفاء القناة . قم بإخفاء جميع القنوات بالضغط على زر تحديد الكل .
    3. ضمن عنصر القائمة تكوين الأجهزة ، في علامة التبويب مواصفات الأجهزة ، اختر فانتوم ثابت ضمن نوع الدراسة. قم بتأكيد هذه الإعدادات بالنقر فوق موافق.
    4. ابدأ المعايرة بالضغط على زر المعايرة . بمجرد اكتمال المعايرة، اضغط على زر التفاصيل لعرض نتائج المعايرة التفصيلية.
      ملاحظة: راجع "دليل بدء الاستخدام: استكشاف أخطاء Static Phantom" الخاصة بالشركة المصنعة للحصول على إرشادات حول كيفية تفسير النتائج.

figure-protocol-7483
الشكل 1. معدات لجمع البيانات في وقت واحد من قياسات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS. (أ) كيس مصنوع من مادة سوداء مقاومة للماء لتخزين كبسولات فيتامين E المخيطة على غطاء fNIRS المجاور لكل بصر. (ب) جسر آمن للتصوير بالرنين المغناطيسي لتثبيت الألياف الضوئية فوق الأرض حتى تتمكن من الوصول إلى رأس المشارك أثناء جمع البيانات. (C) جهاز نسخ المنفذ المتوازي الذي ينقل النبضات من الماسح الضوئي إلى جهاز fNIRS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تصميم المهام التجريبية

  1. حدد مدة جلسة المسح الضوئي من خلال مراعاة راحة المشارك داخل الماسح الضوئي. على سبيل المثال ، تتضمن الدراسة التي تم تسليط الضوء عليها هنا صورتين هيكليتين (T1w و T2w) لمدة إجمالية تبلغ حوالي 14 دقيقة ، وخمس عمليات تشغيل وظيفية لمدة إضافية تبلغ حوالي 25 دقيقة.
    ملاحظة: سيكون من الضروري تجريب الدراسة مع العديد من المشاركين لتحديد المدة المناسبة للدراسة لأن العوامل الخاصة بالدراسة (على سبيل المثال ، عمر المشارك وحجم الغطاء) ستحدد مستوى الراحة.
  2. تصميم مهام التصوير العصبي بما يتماشى مع أهداف البحث. سيكون هذا خاصا بالدراسة. هنا ، يتم تقديم الإجراء (والنتائج التمثيلية) لمهمة رقعة الشطرنج الوامضة.

3. وضع غطاء fNIRS ومعايرة الإشارة في يوم الاختبار

ملاحظة: تتم جميع الخطوات أدناه في غرف التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي أو الموافقة ، ما لم يذكر خلاف ذلك.

  1. جمع قياسات الرأس واختيار غطاء fNIRS
    1. بمجرد توقيع المشارك على نماذج الموافقة ذات الصلة وتلقي التعليمات الخاصة بالمهام القادمة ، قم بتوجيهه للجلوس على كرسي موجود في غرفة التحكم.
    2. باستخدام شريط قياس ناعم قياسي ، لف الشريط حول أوسع محيط ممكن لرأس المشارك ؛ من الجزء الأبرز من الجبهة (غالبا 1 أو 2 أصابع فوق الحاجب) إلى أوسع جزء من مؤخرة الرأس والظهر. حاول العثور على أوسع محيط.
    3. اختر حجم الغطاء الأقرب إلى المحيط المقاس.
  2. إرفاق مجسات كاشف المسافات القصيرة بالغطاء
    ملاحظة: هذه الخطوة خاصة بأنظمة NIRx وقد لا تنطبق على أجهزة fNIRS الأخرى.
    1. ضع مجسات كاشف المسافات القصيرة عن طريق إمساك القاعدة بإحكام وتحريكها حول جزء الجروميت الذي يمر عبر شبكة غطاء fNIRS (انظر الشكل 2 أ). احرص على عدم سحب مجسات كاشف المسافات القصيرة من الكابل لأن ذلك قد يؤدي إلى تلف الكابل.
      ملاحظة: عند تحديد توزيع المجسات ، يرجى الرجوع إلى العمل الأخير الذي يقارن بين التوزيعات الكاملة مقابل التوزيعات الخاصة بعائد الاستثمار18.
    2. استخدم مشابك منظم الألياف التي توفرها الشركة المصنعة لإدارة الكابلات إذا لزم الأمر. تأكد من توجيه كابلات كاشف المسافات القصيرة نحو الجزء الخلفي من الغطاء للحفاظ على المنطقة المحيطة بالوجه نظيفة.
  3. وضع غطاء fNIRS والبصريات على رأس المشارك
    1. اطلب من المشارك وضع الغطاء عن طريق تحريكه لأسفل مباشرة من أعلى رأسه ، كما لو كان يرتدي قبعة شتوية. تأكد من أن الغطاء مستقيم وأن الأذنين في ثقوب الأذن.
    2. اطلب من المشارك شد حزام الذقن بقدر ما هو مريح. أحكم ربط الأشرطة الخلفية وتأكد من أن الغطاء متصل بإحكام وأن مآخذ البصريات محكمة على الرأس.
    3. ضع ملصقات خضراء لتحديد المواقع الإيمانية الرئيسية وفقا لمواضع النظام 10-20 (inion و nasion والنقاط قبل الأذنية الأمامية للأذن و Cz)21.
      ملاحظة: الملصقات الخضراء ضرورية في حالة استخدام مستشعر هيكل 3D لتحديد الإحداثيات المكانية لمواقع المصدر والكاشف البصري. قد يختلف هذا اعتمادا على نوع مستشعر هيكل 3D. يستخدم البروتوكول الحالي مستشعر هيكل (Mark II) من Occipital20.
    4. باستخدام شريط قياس ، قم بمحاذاة النقاط الموجودة على الغطاء بشكل متماثل مع نقاط فروة الرأس عن طريق التأكد من أن i) النقاط قبل الأذنية متساوية البعد من نقطة Cz و ii) أن inion ونقطة nasion متساويان من نقطة Cz. تأكد من أن موضع الحد الأقصى متطابق لجميع المشاركين.
  4. الحصول على نموذج لرأس المشارك باستخدام محول رقمي مستشعر هيكل 3D
    1. اطلب من المشارك الجلوس ساكنا من أجل إنشاء نموذج 3D لرأسه.
    2. افتح بنية التطبيق على جهاز لوحي أو iPad.
      ملاحظة: يصف البروتوكول الخطوات اللازمة لإنشاء شبكة رأس باستخدام مستشعر الهيكل (Mark II) من Occipital20. قد تختلف هذه الخطوات عبر الأنظمة.
    3. تأكد من إيقاف تشغيل الإعدادات التالية: لون عالي الدقة وتعريض تلقائي للأشعة تحت الحمراء ومتعقب محسن.
    4. توسيط المشارك بحيث يكون رأسه بالكامل داخل مربع 3D على الشاشة ، ويتم تقديم رأسه بالكامل ، ولا يوجد الكثير من أكتافهم في الإطار .
    5. قم بالمشي بزاوية 360 درجة بعناية حول المشارك لإنشاء المسح الضوئي ثلاثي الأبعاد. انتظر حتى يلتقط التطبيق الصورة كل 90 درجة تقريبا قبل المتابعة (انظر الشكل 3 أ).
    6. بعد التقاط الفحص بالكامل ، اضغط على الزر الموجود على يمين الشاشة لإنشاء عرض 3D.
    7. تحقق من العرض للتأكد من أنه واضح وأن هناك تفاصيل كافية للتأكد من وضع البصريات والملصقات الائتمانية الخضراء. قم بتخزين الفحص 3D في خادم HIPAA المحمي.
  5. تجهيز المشارك لدخول غرفة الماسح الضوئي
    1. بعد إنشاء نموذج 3D ، قم بإزالة الملصقات الخضراء ، واطلب من المشارك وضع سدادات الأذن في آذانه.
    2. اتبع التعليمات الموجودة في مركز التصوير بالرنين المغناطيسي للتأكد من أن المشارك آمن لدخول غرفة الماسح الضوئي. تتضمن هذه الخطوة عادة التأكيد مع المشارك على عدم وجود معادن في جسمه والمرور عبر جهاز الكشف عن المعادن كفحص نهائي. غالبا ما تطلب معظم مراكز التصوير استبيان سلامة التصوير بالرنين المغناطيسي الذي يكمله الشخص قبل وصوله.
  6. وضع مجسات المصدر والكاشف على غطاء fNIRS
    1. في غرفة الماسح الضوئي ، وجه المشارك للجلوس بشكل مريح على طاولة الماسح الضوئي.
    2. أثناء تثبيت كل جروميت بصري بيد واحدة ، استخدم قضيبا آمنا للتصوير بالرنين المغناطيسي باليد الأخرى لدفع الشعر بعيدا عن مركز الجروميت (انظر الشكل 2 ب). عندما يتم تحريك الشعر بشكل كاف خارج المنطقة (من الناحية المثالية بحيث تكون فروة الرأس مرئية) ، اضغط بقوة على البصر في الجروميت.
    3. تأكد من أنه بمجرد تحرير التوتر على الجروميت ، لا يعود الشعر لسد مركز البصرية. في حالة استخدام مجموعة رأس كاملة ، يوصى بتوجيه البصريات في الجزء الخلفي من الرأس مع توجيه أليافها نحو الأمام وتلك البصريات في مقدمة الرأس مع توجيه أليافها نحو الخلف. هذا التكوين للألياف البصرية سيمنعها من التشابك أو التجعيد عندما يستلقي المشارك ويضع رأسه في ملف رأس التصوير بالرنين المغناطيسي.
      ملاحظة: يتم تنفيذ عملية إدخال الألياف ومحاذاتها بسرعة وسهولة أكبر مع وجود اثنين من المجربين على كل جانب من المشاركين ، مع وضع حد أقصى في وقت واحد.
    4. رتب الألياف الضوئية بدقة في حزم باستخدام منظمات الكابلات (انظر الشكل 2B والشكل 3B). قم بإجراء معايرة اختبار وقياس قوة الإشارة باستخدام برنامج NIRStar. سيستغرق وضع البصريات والمعايرة التي يقوم بها باحثان من ذوي الخبرة حوالي 10 دقائق.
    5. اضبط البصريات الفردية حسب الحاجة حتى يتم تحقيق جودة إشارة كافية عن طريق إزاحة الشعر المتداخل من البصريات التي بها مشكلات. قم بإزالة البصريات من الغطاء لإزاحة الشعر باستخدام ملاقط بلاستيكية (انظر الشكل 2 ب).

figure-protocol-14640
الشكل 2. كاشفات المسافات القصيرة وأدوات لإعداد غطاء fNIRS. (أ) مجسات كاشفة قصيرة المدى ومخازن مطاطية يتم تثبيتها بغطاء fNIRS فوق المناطق الأمامية حيث يوجد القليل من الشعر. (B) من اليسار إلى اليمين: منظمات الكابلات لترتيب الألياف الضوئية في حزم ، وأدوات تطبيق آمنة للتصوير بالرنين المغناطيسي لدفع الشعر بعيدا أثناء وضع البصريات ، وملاقط بلاستيكية لإزالة البصريات من الغطاء إذا لزم الأمر أثناء إعداد غطاء NIRS لإزاحة الشعر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-15437
الشكل 3. 3D هيكل محول الأرقام الاستشعار ووضع غطاء fNIRS. (أ) المجرب باستخدام محول رقمي مستشعر الهيكل ثلاثي الأبعاد لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد لرأس المشارك. تستخدم الملصقات الخضراء لتحديد المواقع الائتمانية. (ب) ألياف بصرية يتم إدخالها في غطاء fNIRS على رأس المشارك وترتيبها في حزم باستخدام منظمات الكابلات قبل معايرة الإشارة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. إعداد المشارك

ملاحظة: يتم إجراء الخطوات التالية في غرفة ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. يعد استخدام الحزام التنفسي ومقياس التأكسج النبضي اختياريا ولا يلزم إلا إذا كان الباحثون مهتمين بتراجع هذه الإشارات من بيانات fNIRS22. يستخدم البروتوكول حزام تنفسي ، وهو جزء من وحدة الجهاز التنفسي لاكتساب سعة الجهاز التنفسي باستخدام حزام تقييد. وبالمثل ، تتكون وحدة النبض الفسيولوجي من مستشعر تخطيط التحجم البصري الذي يسمح باكتساب إيقاع القلب.

  1. تأكد من وضع ملف الرأس المكون من 20 قناة في الماسحة الضوئية. في حالة استخدام صفيف fNIRS كامل الرأس ، ستكون ملفات الرأس المكونة من 32 و 64 قناة ضيقة جدا بالنسبة للمشاركين البالغين.
  2. ضع وسادة رغوية داخل الجزء السفلي من ملف رأس التصوير بالرنين المغناطيسي لدعم الجزء الخلفي من رأس المشارك (انظر الشكل 4 أ).
  3. اطلب من المشارك الاستلقاء ببطء وحذر حتى لا تحرك حركته الغطاء أو تسحب الألياف البصرية. اضبط حزم الألياف الضوئية حسب الحاجة للسماح لرأس المشارك بالراحة بشكل مريح داخل ملف الرأس (انظر الشكل 4 ب). قد يلزم رفع طاولة الماسحة الضوئية أثناء هذه الخطوة اعتمادا على مكان وجود الكابلات من موجه الموجة.
  4. ضع وسادة تحت ساقي المشارك لضمان راحة المشارك. ضع حزام الجهاز التنفسي حول خصر المشارك.
  5. اطلب من المشارك وضع سماعات إلغاء الضوضاء حول آذانه ، مع الانتباه إلى عدم التدخل في وضع مسبار fNIRS. لمنع سماعات الرأس من الانزلاق ، استخدم وسادات آمنة للتصوير بالرنين المغناطيسي على جانبي الرأس بين سماعات الرأس والجانب الداخلي لملف الرأس. يمكن استخدام غطاء وسادة لمنع سماعات الرأس من ملامسة ملف الرأس.
  6. ضع مقياس التأكسج النبضي على سبابة الشخص من يده غير المهيمنة. إذا كنت تستخدم صندوق أزرار للمهام التجريبية ، فاطلب من المشارك أن يمسكه بيده المهيمنة. زود المشارك بتعليمات حول كيفية استخدام مربع الأزرار.
  7. ضع كرة الضغط أو منبه الزر على اليد غير المهيمنة للموضوع ووجه المشارك إلى كيفية استخدامها. اختبر المنبه عن طريق مطالبة المشارك بالضغط عليه.
  8. حرك المشارك بضع بوصات في تجويف الماسح الضوئي لمحاذاة الرأس. ضع الجزء العلوي من ملف الرأس. بعد ذلك ، أدخل الميكروفون والمرآة في إدخالات الملف المقابلة.
  9. حرك المشارك ببطء في تجويف الماسحة الضوئية أثناء إمساك الألياف البصرية. ستتطلب هذه العملية شخصين ، سيتواجدان على كل جانب من طاولة الماسح الضوئي. تأكد من توجيه الألياف الضوئية بعناية إلى تجويف الماسح الضوئي لتجنب سحب البصريات أو قرص الألياف بين ملف الرأس وتجويف الماسح الضوئي.
  10. بعد التأكد مع المشارك من جاهزيته لجلسة المسح ، ارجع إلى غرفة التحكم وأكد عبر صوت الاتصال الداخلي أن المشارك يمكنه سماع المجرب ويمكن للمجرب سماع المشارك.

figure-protocol-18735
الشكل 4. إعداد مشارك في ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. (أ) الوسائد داخل ملف رأس التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدمة لدعم رأس المشارك والألياف البصرية مرتبة في حزم قبل إعداد المشارك. (ب) مشارك مستلق على سرير الماسح الضوئي مع غطاء fNIRS جاهز للاختبار. لم يتم وضع الجزء العلوي من ملف الرأس على وجه المشارك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

5. إعداد معدات الماسح الضوئي و fNIRS قبل تسجيل الإشارة

  1. على كمبيوتر الماسح الضوئي ، حدد التسلسلات الهيكلية والوظيفية ذات الصلة للدراسة. عند حساب نموذج ضوء الحساسية لبيانات fNIRS ، اجمع صور T1w و T2w للحصول على أفضل دقة تباين للأنسجة.
  2. تحقق من أداة تحديد الموقع للتأكد من وجود موضع رأس جيد داخل تجويف الماسحة الضوئية. تحقق من الحصول على تغطية كاملة للدماغ من أعلى الرأس إلى المخيخ.
  3. تأكد مع المشارك من أن شاشة الكمبيوتر مرئية عبر مرآة ملف الرأس.
  4. قم بتشغيل الفحص الهيكلي الأول. بالتوازي مع ذلك ، قم بإجراء اختبار معايرة آخر لبصريات fNIRS للتحقق مما إذا كان إعداد المشارك قد أثر على قوة الإشارة لأي من القنوات.
  5. بعد إجراء أول فحص للتصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي ، اجمع تسلسلات خريطة مجال الصدى المتدرج وقم بمعايرة سماعات إلغاء الضوضاء للتأكد من أن سماعات الرأس ستكون قادرة على توصيل المحفزات السمعية للمشارك ، بالإضافة إلى منع أي ضوضاء محيطة.
    ملاحظة: قد يحتاج بعض المشاركين إلى ضبط سماعات الرأس الخاصة بهم. إذا كانت هذه هي الحالة ، فأعد الدخول إلى غرفة الماسح الضوئي واضبط الحشوة حول سماعات الرأس ، مع مراعاة عدم التدخل في موضع مسبار fNIRS. قم بتشغيل مترجم آخر وتسلسلات خريطة حقل صدى التدرج واختبار معايرة بصريات fNIRS قبل المتابعة.

6. تسجيل إشارة في وقت واحد

  1. تحقق مع المشارك عبر الاتصال الداخلي للتأكد من أنهم مرتاحون ويقومون بعمل جيد. قدم التعليمات الخاصة بالمهمة وذكر المشاركين بالحفاظ على رؤوسهم وجسمهم.
  2. قدم الإرشادات التالية ، الخاصة بمهمة رقعة الشطرنج الوامضة (الشكل 5).
    1. في هذه المهمة ، اطلب من المشارك أن ينظر دائما إلى منتصف شاشة العرض الموجودة أمامه (عبر المرآة). في بعض الأحيان ، ستعرض الشاشة رقعة شطرنج مع بلاطات تومض بترددات مختلفة. في أوقات أخرى ، سيرى المشارك دائرة بيضاء في منتصف الشاشة.
    2. عندما تظهر الدائرة البيضاء على الشاشة ، اطلب من المشارك الضغط على مربع الزر بإصبع السبابة. بعد الضغط على الزر ، ستتحول الدائرة إلى اللون الأحمر.
    3. تستخدم هذه المهمة تصميم كتلة بديلة. دع المشاركين يكملون جولة واحدة مدتها 6 دقائق ، والتي تتضمن 11 كتلة وامضة من رقعة الشطرنج كل منها 10 ثوان و 11 كتلة دائرية مدة كل منها 20 ثانية.
  3. ابدأ تسجيل بيانات fNIRS على كمبيوتر fNIRS وابدأ المهام على كمبيوتر عرض التحفيز. سيتم عرض البرنامج النصي للمهام التجريبية كإرشادات مهمة.
  4. ابدأ التشغيل الوظيفي الأول. بمجرد أن يرسل الماسح الضوئي أول نبضة TTL ، سيظهر هذا كإشارة تشغيل على شاشة تسجيل بيانات برنامج NIRStar. ستبدأ هذه النبضة الأولى أيضا المهمة التجريبية.
  5. مراقبة أداء المشاركين وحركتهم في جميع المهام. في بعض الحالات ، خاصة عند استخدام مجموعة بصريات كاملة الرأس وأغطية صغيرة الحجم ، قد يعاني بعض المشاركين من بعض الانزعاج عند ارتداء الغطاء. من المهم دائما مراقبة راحة المشارك.
    1. إذا لزم الأمر ، وفر استراحة للمشارك في منتصف الجلسة. خلال هذا الاستراحة ، إذا احتاج المشاركون إلى الجلوس ، وجمع مترجم ، وتشغيل تسلسل خريطة حقل صدى التدرج ، ومعايرة سماعة الرأس ومعايرة اختبار fNIRS مرة أخرى قبل المتابعة. عادة لا تكون هذه الخطوة مطلوبة عند اختبار الشباب في الماسح الضوئي إذا تم اتباع الخطوات الدقيقة في البروتوكول الحالي.
  6. أثناء جمع البيانات ، قم بتدوين الملاحظات المتعلقة بالجلسة (على سبيل المثال ، حجم الغطاء ، أو الوقت من اليوم ، أو البصريات التي لم تتم معايرتها جيدا ، أو أي شيء غير عادي).
  7. في نهاية جميع عمليات التشغيل الوظيفية ، توقف عن جمع بيانات fNIRS. قم بإجراء فحص هيكلي ثان إذا لزم الأمر.

figure-protocol-22822
الشكل 5. نموذج رقعة الشطرنج الوامض كمهمة تجريبية. شاهد المشاركون نمط رقعة الشطرنج بالأبيض والأسود مع مربعات بيضاء تومض ثماني مرات في الثانية بالتناوب مع شاشة رمادية تظهر دائرة بيضاء. كفحص للانتباه ، طلب من المشاركين الضغط على زر بأيديهم اليمنى عند رؤية دائرة بيضاء تظهر في منتصف الشاشة. عند الضغط على الزر ، تتحول الدائرة إلى اللون الأحمر. تم الانتهاء من المهمة في جولة واحدة تتألف من 22 كتلة في المجموع: 11 كتلة رقعة الشطرنج الوامضة و 11 فترة بين التجارب. استمرت فترات رقعة الشطرنج الوامضة لمدة 10 ثوان واستمرت الفترات بين المحاكمات لمدة 20 ثانية. وهكذا ، حدثت بداية رقعة الشطرنج الوامضة كل 30 ثانية (0.033 هرتز). تم إنشاء شاشات العرض بواسطة PsychoPy v2021.2.4 وتم عرضها على المرآة الخلفية المواجهة أعلى ملف الرأس عبر نظام عرض DLP بدقة 1080 بكسل. أكمل المشاركون جولة واحدة من هذه المهمة (~ 6 دقائق). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

7. تنظيف ما بعد التجربة وتخزين البيانات

  1. استخدم سرير الماسح الضوئي المزود بمحرك لإزالة المشارك ببطء من تجويف الماسح الضوئي ، مع الحرص على عدم الضغط على أي من الألياف البصرية. قم بإزالة الجزء العلوي من ملف الرأس واطلب من المشارك الجلوس ببطء.
  2. قم بإزالة غطاء fNIRS من رأس المشارك وإزالة كل بوتودا من الحلقات المعنية. غالبا ما يعلق الشعر في الحلقات حتى بعد إزالة البصريات ، لذا اطلب من المشاركين إزالة الغطاء ببطء وبعناية.
  3. قد يتم إزاحة بعض الحلقات في عملية فك الغطاء. تأكد من تحديد موقع جميع أجزاء الجروميت واستبدال أي أجزاء مفقودة قبل جلسة المسح للمشارك التالي.
  4. اطلب من المشاركين الانزلاق من على سرير الماسح الضوئي ، واشكرهم على وقتهم وقدم تعويضا ماليا ، إن أمكن.
  5. تأكد من تخزين سجلات المهام وبيانات fNIRS و fMRI ونسخها احتياطيا. قم بتطهير الغطاء بمحلول تنظيف بالرش ، على النحو الموصى به من قبل بائع fNIRS ، وامسح أطراف البصريات بمناديل كحولية آمنة من البلاستيك والمطاط.

8. المعالجة المسبقة لبيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي

ملاحظة: تمت معالجة بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي مسبقا باتباع الحد الأدنى من خطوط أنابيب المعالجة المسبقة من مشروع الشبكة العصبيةالبشرية 23 باستخدام QuNex24 ، وهي مجموعة برامج مفتوحة المصدر تدعم تنظيم البيانات والمعالجة المسبقة وضمان الجودة والتحليلات عبر طرائق التصوير العصبي. يمكن العثور على وثائق مفصلة حول الإعدادات والمعلمات المحددة لكل خطوة من الخطوات الموضحة أدناه على موقع QuNex على https://qunex.yale.edu/. يتم عرض الخطوات والمعلمات الرئيسية المستخدمة لمعالجة البيانات أدناه.

  1. المعالجة المسبقة للبيانات الهيكلية
    1. خط أنابيب PreFreeSurfer. قم بتنفيذ الخطوات التالية: تصحيح تشوه التدرج ، ومحاذاة عمليات التشغيل المتكررة لصور T1w و T2w مع تحويل جسم صلب 6 درجات من الحرية (DOF) ، ومحاذاة AC-PC لصور T1w و T2w إلى قالب مساحة MNI ، واستخراج الدماغ الأولي ، وتصحيح تشويه القراءة ، والتسجيل عبر الوسائط ل T1w و T2w في مساحة الحجم الأصلية ، وتصحيح مجال التحيز وتسجيل الحجم غير الخطي MNI.
    2. خط أنابيب فري سيرفر. قم بتنفيذ الخطوات التالية: قم بخفض العينة T1w إلى 1 مم مع استيفاء الشريحة وتشغيل recon-all لإنشاء أسطح المادة البيضاء ، والتي تتضمن الضبط الدقيق لتسجيل T2w إلى T1w باستخدام خوارزمية BBRegister الخاصة ب Freesurfer (انظر23 لمزيد من التفاصيل).
    3. خط أنابيب بوست فري سيرفر. قم بتنفيذ الخطوات التالية: تحويل جميع مخرجات recon-all إلى GIFTI و NIFTI في مساحة الحجم الأصلية ، وإنشاء قناع الدماغ النهائي وحجم الشريط القشري ، وإنشاء خرائط المايلين ، وإجراء تحويل الحجم غير الخطي الأصلي إلى MNI.
  2. المعالجة المسبقة للبيانات الوظيفية
    1. خط أنابيب حجم الرنين المغناطيسي الوظيفي. قم بتنفيذ الخطوات التالية: تصحيح التشويه ، وتصحيح الحركة القائم على FLIRT ، والمعالجة المسبقة للخريطة الميدانية المستندة إلى TOPUP باستخدام خريطة مجال صدى الدوران ، وتصحيح تشويه صورة EPI وتسجيل EPI إلى T1w ، وإعادة أخذ عينات من خطوة واحدة إلى مساحة الأطلس (MNI) ، وتطبيع الشدة عن طريق إزالة مجال التحيز وإخفاء الدماغ.
    2. خط أنابيب سطح الرنين المغناطيسي الوظيفي. قم بتنفيذ الخطوات التالية لتعيين السلاسل الزمنية لوحدة التخزين إلى سطح وحجم مدمجين ، وتمثيل إحداثي رمادي مخزن بتنسيق CIFTI: بناء شريط الرنين المغناطيسي الوظيفي ، وتنعيم السطح ، والمعالجة تحت القشرية ، وإنشاء سلاسل زمنية كثيفة.
    3. إعداد بيانات BOLD. حساب إحصائيات مراقبة الجودة الكمية التي تعكس الحركة وخصائصها الاصطناعية لتحديد الإطارات السيئة. يرجى الرجوع إلى وثائق QuNex لمعرفة الخيارات المتاحة لإنشاء إحصاءات مراقبة الجودة الكمية. غالبا ما تتضمن هذه الإحصائيات إحصائيات BOLD الزمنية للإشارة إلى الضوضاء وتنظيف الحركة مثل عتبة إزاحة الإطار وعتبة متوسط الجذر التربيعي لكثافة الصورة (RMSE). اعتمادا على المعايير الخاصة بالدراسة ، تجاهل أو استوفى الأطر الإشكالية المحددة.
    4. استخراج إشارة مزعجة. استخراج إشارات مزعجة من بطينات الدماغ والمادة البيضاء والمادة الرمادية لأداء انحدار الإشارة المزعجة في الخطوات اللاحقة.

9. المعالجة المسبقة لبيانات fNIRS

ملاحظة: تم تحليل بيانات fNIRS باتباع أفضل الممارسات في تحليل بيانات fNIRS25 باستخدام NeuroDOT26 ، وهي بيئة مفتوحة المصدر لتحليل البيانات البصرية من مستويات الضوء الخام إلى خرائط على مستوى فوكسل لوظائف المخ ، والتي يتم تسجيلها بشكل مشترك في تشريح مشارك معين أو أطلس. يمكن تنفيذ جميع الخطوات الموضحة أدناه باستخدام NeuroDOT. يمكن العثور على وثائق إضافية حول الإعدادات والمعلمات المحددة لكل خطوة من الخطوات الموضحة أدناه في البرامج التعليمية والبرامج النصية في https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. أخيرا ، يتطلب تسجيل البصريات إلى فروة الرأس الحصول على إحداثيات بصر fNIRS بالنسبة لأنسجة المخ الأساسية ، والتي يمكن إجراؤها باستخدام محول رقمي 3D أو كبسولات فيتامين E كائتمان إذا كانت متوفرة. يتم وصف كلتا الطريقتين في هذا القسم ويتم توفير مراجع لحزم البرامج ذات الصلة.

  1. توليد شبكة رأس خاصة بالموضوع وإنشاء نموذج ضوئي
    1. قسم صورة T1w إلى أنواع الأنسجة ذات الصلة لإنشاء نموذج رأس مجزأ: فروة الرأس والجمجمة والسائل النخاعي (CSF) والمادة الرمادية والمادة البيضاء. استخدم كل من صور T1w و T2w ، إن وجدت ، لأن كل منهما يساهم بمعلومات تكميلية عن أنواع الأنسجة ذات الصلة.
      ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة في البروتوكول الحالي باستخدام وظيفة NeuroDOT "Segment5R_fs" ، والتي تأخذ كمعلومات إدخال من التجزئة الحجمية ل Freesurfer28. حزم البرامج الأخرى المتاحة بشكل شائع لتجزئة أنسجة المخ هي SPM29 و AFNI30.
    2. قم بإنشاء شبكة رأس من نموذج الرأس المجزأ باستخدام حزمة برامج Mimics عبر NeuroDOT. إذا تم استخدام محول رقمي ثلاثي الأبعاد لوضع مواقع البصريات على نموذج الرأس ، فاتبع توصيات Fieldtrip لتوطين البصريات31. بدلا من ذلك ، إذا تم استخدام كبسولات فيتامين E كائتمان لتحديد إحداثيات أزواج كاشف المصدر ، فحدد يدويا مواقع المصادر وأجهزة الكشف في صورة T1w (انظر32 للحصول على مثال).
    3. ضع مواقع المصدر والكاشف التي تم الحصول عليها عبر محول الأرقام 3D أو كبسولات فيتامين E على المواضع ذات الصلة على الشبكة باستخدام NeuroDOT.
    4. اضبط المعلمات التالية لحساب مصفوفة الحساسية لنموذج الرأس الخاص بالموضوع باستخدام حزمة برامج NIRFAST عبر NeuroDOT: دقة الصوت: 2 ؛ تسميات المنطقة: CSF ، أبيض ، رمادي ، عظم ، جلد ؛ معاملات الامتصاص للمناطق: السائل الدماغي الشوكي [0.004 ، 0.004] ، أبيض [0.0167 ، 0.0208] ؛ رمادي [0.018 0.0192] ، عظم [0.0116 ، 0.0139] ، جلد [0.74 ، 0.64] ؛ معاملات التشتت للمناطق: CSF [0.3 ، 0.3] ، أبيض [1.1908 ، 1.0107] ؛ رمادي [0.8359 ، 0.6726] ، عظم [0.94 ، 0.84] ، جلد [0.64 ، 0.74] ، معامل انكسار للمناطق: CSF [1.4 ، 1.4] ، أبيض [1.4 ، 1.4] ؛ رمادي [1.4 ، 1.4] ، عظم [1.4 ، 1.4] ، جلد [1.4 ، 1.4].
      ملاحظة: يستخدم البروتوكول حزمة برمجيات NIRFAST (الإصدار 9.1)33,34، التي تستخدم نموذج ضوء أمامي محدود العناصر استنادا إلى تقريب الانتشار لمعادلة النقل الإشعاعي. لحساب نموذج الضوء ، يعتمد NIRFAST على ثلاثة أنواع من المعلومات: i) شكل حدود الأنسجة ، ii) التوزيع الداخلي للخصائص البصرية الأساسية و iii) مواقع المصادر وأجهزة الكشف على السطح (انظر 35,36 لمزيد من التفاصيل). يمكن استخدام طرق مونت كارلو كبديل لحساب حلول معادلة الانتشار لأنواع الأنسجة المختلفة37,38.
    5. تصور مثالا على حساسية القياس كتقييم نوعي.
  2. معالجة البيانات الأولية من قياسات كاشف المصدر
    1. عرض متوسط مستوى الضوء لكل مصدر وكاشف في تمثيل 2D لمجموعة التصوير. قم بإزالة أزواج كاشف المصدر ذات الانحراف المعياري الزمني الأكبر من 7.5٪36. إذا تم الحصول على البيانات بمعدل إطارات لا يقل عن 3 هرتز ، فاستخدم عتبة الطاقة القلبية لرفض قياسات زوج كاشف المصدر لأن اقتران البصريات وفروة الرأس الجيد سيظهر خصائص تتوافق مع معدل النبض (~ 1 هرتز) التردد.
    2. قم بإلغاء توجيه البيانات لإزالة الاتجاه الخطي في كل قياس. مرشح تمرير عالي (قطع 0.02 هرتز) البيانات لإزالة انحراف التردد المنخفض. بدلا من التصفية ، البديل هو إضافة عامل انجراف إلى GLM كتراجع.
    3. مرشح تمرير منخفض (1 هرتز) البيانات لإزالة التذبذبات القلبية.
    4. قم بتقدير الإشارة السطحية العالمية عن طريق حساب متوسط جميع قياسات زوج كاشف المصدر 8 مم. استخدم قياسات المسافات القصيرة كتقدير للإشارات الفسيولوجية الجهازية غير القشرية لأنها تأخذ عينات من فروة الرأس والجمجمة بشكل أساسي.
    5. انحدار الإشارة العالمية من جميع القياسات39.
    6. يقوم تمرير منخفض بتصفية البيانات (قطع 0.5 هرتز) لزيادة تركيز البيانات المتبقية حول تردد التحفيز وخفض عينة البيانات إلى 1 هرتز 40,41,42 من أجل تقليل الحمل الحسابي.
    7. تنفيذ الرقابة على الحركة باستخدام التباين العالمي للدورة الزمنية للمشتقات الزمنية (GVTD)43. يتم حساب GVTD كجذر متوسط مربع المشتقات الزمنية عبر مجموعة من القياسات أو voxels43. تنفيذ الرقابة على الحركة أو التنظيف عن طريق استبعاد النقاط الزمنية التي تتجاوز حد ضوضاء GVTD.
  3. إعادة بناء نموذج الضوء والبيانات المعالجة مسبقا في حجم التصوير العصبي الوظيفي
    1. إعادة بناء التغيرات النسبية في الامتصاص عند 785 نانومتر و 830 نانومتر بناء على انعكاس منظم لمصفوفة الحساسية باستخدام تنظيم تيخونوف والتنظيم المتغير مكانيا44.
    2. حساب التغيرات النسبية في تركيز الهيموجلوبين عن طريق التحلل الطيفي لبيانات الامتصاص المعتمدة على الطول الموجي44,45.

10. تحليلات البيانات التي يستحثها التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي / fNIRS

  1. قم بإجراء تحليل GLM من المستوى الأول لجلسة واحدة (نمذجة HRF ، وانحدار الإشارات الفسيولوجية ، بما في ذلك قياسات fNIRS قصيرة المدى) لتقييم كيفية ارتباط نشاط الدماغ بالفرضية الإحصائية لموضوع معين.
    ملاحظة: بديل GLM هو متوسط الكتلة ، والذي يتجنب الافتراضات المسبقة حول شكل HRF. ومع ذلك ، لا يسمح متوسط الكتلة بنمذجة العوامل المربكة ذات الصلة في إشارة fNIRS جنبا إلى جنب مع استجابة الدورة الدموية للحافز.
  2. قم بتشغيل تحليل GLM من المستوى الجماعي أو المستوى الثاني لدمج تقديرات المستوى الأول للتنشيط عبر الموضوعات.
  3. استخراج تقديرات التأثير ذات الصلة من ملفات GLM الفردية ودمجها في ملفات المجموعة.
  4. حساب الإحصاءات المطلوبة. حزمة راسخة لتشغيل طرق إعادة أخذ العينات التقليب لكل من نماذج GLM أحادية ومتعددة المتغيرات للاستدلال الإحصائي هي FSL PALM46.
  5. احصل على تقديرات GLM التجريبية للدماغ بالكامل.

النتائج

يقدم هذا القسم استجابات تمثيلية خاصة بالموضوع لمهمة رقعة الشطرنج الوامضة لكل من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS. أولا ، يتم عرض بيانات fNIRS الخام التمثيلية وتقييمات الجودة في الشكل 6 والشكل 7 لتوضيح جدوى الإعداد التجريبي لقياس إشارات fNIRS في ب?...

Discussion

يستخدم هذا البروتوكول لجمع البيانات في وقت واحد من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي و fNIRS صفيف بصريات fNIRS كامل الرأس وقنوات قصيرة المدى لقياس وتراجع الإشارات الفسيولوجية النظامية غير القشرية. تشمل الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول تعديل وتطوير معدات fNIRS لجمع إشارات fNIRS في بيئة التصوير با?...

Disclosures

رسوم النشر لهذه المقالة برعاية NIRx. ليس لدى المؤلفين أي شيء آخر يكشفون عنه.

Acknowledgements

تم دعم هذا البحث من قبل مصادر التمويل التالية: منحة جائزة NARSAD للباحثين الشباب من مؤسسة أبحاث الدماغ والسلوك (Grant #29736) (SSA) ، ومنحة التحديات الكبرى العالمية من مؤسسة بيل وميليندا غيتس (Grant #INV-005792) (RNA) ومنحة صندوق الاكتشاف من قسم علم النفس في جامعة ييل (RNA). ويود المؤلفون أيضا أن يشكروا ريتشارد واتس (مركز ييل لتصوير الدماغ) على دعمه أثناء جمع البيانات وآدم إيغبريشت وآري سيغل وإيما سبيه (جامعة واشنطن في سانت لويس) لمساعدتهم في تحليل البيانات.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
280 low-profile MRI-compatible grommets for NIRs capsNIRxGRM-LOP
4 128-position NIRS caps with 128x unpopulated slits in 10-5 layoutNIRxCP-128-128SSizes: 52, 54, 56, 60
8 bundles of 4x detector fibers with low-profile tip; MRI-, MEG-, and TMS-compatible. NIRxDET-FBO- LOW10 m long
8 bundles of 4x laser source fibers with MRI-compatible low-profile tipNIRxSRC-FBO- LAS-LOW10 m long
Bundle set of 8 short-channel detectors with specialized ring grommets that fit to low-profile grommetsNIRxDET-SHRT-SETSplits a single detector into 8 short channels that may be placed anywhere on a single NIRS cap
Magnetom 3T PRISMASiemensN/A128 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 UnitNIRxNSXP- CHSUp 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 softwareNIRxN/AVersion 15.3
NIRx parallel port replicatorNIRxACC-LPT-REPThe parallel prot replicator  comes with three components: parallel port replicator box, USB power cable and BNC adapter
Physiological pulse unitSiemensPPU098Optical plethysmography allowing the acquisiton of the cardiac rhythm.
Respiratory unitSiemensPERU098 Unit intended for the acquisition of the respiratory amplitude (by means of a pneumatic system and a restraint belt).
Structure Sensor Mark IIOccipital101866 (SN)3D structure sensor for optode digitization.

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. , (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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

FMRI FNIRS FNIRS

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved