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摘要

便携式神经影像学方法 (功能近红外光谱) 提供了研究的大脑在以前无法进入的地区的进展;在这里, 科特迪瓦农村。创新的方法和发展的文化适当的神经影像协议允许新的研究大脑的发展和儿童的学习结果在严重的贫困和逆境的环境。

摘要

便携式神经影像学方法提供了新的进展, 研究大脑功能和大脑发育与以前无法访问的人口和偏远地区。本文介绍了野外功能近红外光谱 (fNIRS) 成像技术在科特迪瓦农村乡村地区儿童语言、阅读和认知发展研究中的发展。在方法上的创新和文化上适当的神经影像协议的发展允许第一次研究大脑的发展和儿童的学习结果在理解环境。本文阐述了运输和建立移动实验室的协议, 讨论了野外与实验室神经影像的考虑, 并提出了发展神经影像同意程序和建立有意义的长期与当地政府和科学伙伴的合作。便携式神经影像学方法可用于研究复杂的儿童发育环境, 包括严重的贫困和逆境对大脑发育的影响。在这里提出的议定书是为世界上可可的主要来源科特迪瓦而开发的, 在可可部门有关于童工的报告是普遍的。然而, 关于童工对大脑发育和学习的影响却知之甚少。现场神经影像学方法有可能对这些紧迫问题产生新的见解, 并在全球范围内发展儿童。

引言

便携式 fNIRS 成像提供了研究的能力, 在实验室以外的大脑功能和发展, 在以前无法进入的设置或与理解的人口。认知神经科学领域的许多知识来源于在大学或医院实验室进行的影像学研究, 主要是在西方国家。根据设计, 这有助于在研究中很少提到的问题: 大部分是已知的大脑是基于研究与参与者为他们的实验室设置在 (主要) 西方国家是容易接近的。这是, 大多数神经影像学研究的参与者谁住在合理接近的神经影像实验室, 并有时间和资源, 参与研究的必要。作为一个学科, 认知神经科学的目的是了解大脑和影响其发展的因素, 包括儿童的环境和他们的早期生活经历的强大影响1,2,3。方法, 以提高领域的能力, 研究发展, 在更广泛的人类经验, 可以大大提高理解的复杂关系之间的大脑发展和生活经验, 塑造它。

本文提出了一种用于野外神经影像的方案, 该协议是为在撒哈拉以南非洲地区, 特别是在科特迪瓦南部地区使用而开发的。这一领域的神经影像研究计划的目的是了解儿童的阅读发展在一个高风险的文盲环境。科特迪瓦的青年 (15-24 岁) 识字率为 53%, 尽管93% 小学入学率为4。科特迪瓦是世界上可可的主要来源, 在可可农业部门估计有130万童工, 有5。然而, 关于童工对大脑发育和学习的影响, 特别是学习阅读, 人们知之甚少。应用认知神经科学的最新工具,即便携式影像学方法, 可以对儿童的学习结果产生宝贵的洞察力。例如, 与 fNIRS 的现场神经影像学可以允许确定在哪些目标的教育方案或干预可能对儿童的学习结果的最大影响。

fNIRS 神经影像非常适合野外研究。类似于功能性磁共振成像 (fMRI), fNIRS 测量大脑的血流动力学反应6。然而, fNIRS 使用一系列的发光 optodes 和光探测器, 而不是产生电磁场。在测试区或附近没有对金属的限制, 也没有必要的电屏蔽, 如脑电图 (eeg) 的情况。fNIRS 的一个主要优点是它的可移植性 (即,某些系统可能适合于手提箱) 和易用性。fNIRS 也易于与儿童一起使用;这个孩子在实验中舒适地坐在椅子上, 而 fNIRS 系统比 fMRI 更能容忍运动。与 fmri 相比, fNIRS 也提供了单独的措施, 氧 (评论) 和氧合血红蛋白 (HbO) 在录音, 与 fmri, 产生一个联合的血氧浓度密度 (大胆) 措施。fNIRS 有优越的时间分辨率功能磁共振成像: 采样率可以在7-15 赫兹之间变化. fNIRS 具有良好的空间分辨率: fNIRS 在人类皮层中的记录深度小于 fmri, 测量深度约3至4厘米, 非常适合研究皮质功能, 特别是与婴儿和儿童谁比成人更薄的头骨3,7,8,9,10。

该领域的神经影像协议概述了旅行和建立一个便携式神经影像实验室在低资源环境下的考虑。该议定书还强调了与当地科学伙伴进行有意义的长期合作的基本性质, 以及这种方法为建立当地科学能力提供了何种途径。从语言、阅读和认知任务的电池中收集和分析 fNIRS 脑数据的神经影像协议, 包括为成像研究创建符合文化需要的知情同意程序的建议。虽然该议定书是为在科特迪瓦农村的小学生进行认知发展研究而设计的, 但该议定书对于在具有挑战性、资源低的环境中进行的任何现场神经成像研究都非常相关, 而且可以适应于新上下文.

研究方案

这里描述的所有方法都得到了特拉华大学机构审查委员会 (IRB) 的批准。

1. 移动实验室的运输和设置

  1. 与 fNIRS 设备一起旅行
    1. 运输 fNIRS 设备。
      注: fNIRS 设备可作为托运行李在一家大型国际航空公司运输, 但必须与指定航空公司确认。设备限制可能因原产地或目的地国而异。另外, fNIRS 设备也可以装运。
    2. 了解为目的地国进口或使用 fNIRS 设备的程序, 如果适用, 请获得适当的进口批准文件。
    3. 准备检查。
      注: 当局 (例如,运输安全管理) 保留检查托运行李的权利。易碎的 fNIRS 纤维光学在检查期间可能损坏。安排适当的文件陪同所有设备。
  2. 现场必备的实验室设备
    1. 为野外气候条件做好准备。
      注: 现场的温度和湿度情况可能会有很大的不同, 从实验室设置, 可能会影响设备的功能和寿命, 以及参与实验的舒适性。在高湿度条件下运行的电子设备, 一般在60% 以上, 更容易受到腐蚀, 因为过量的湿气会在零件上沉淀, 并与金属部件发生反应。室内实验室的湿度水平 (例如,在大学大楼内) 一般在30-50% 之间。科特迪瓦南部的湿度可达80-95%。建立一个低功耗要求的便携式空调机组。
    2. 确保足够的电力供应。由于电力供应可能无法在农村地区, 或可能只间歇性或没有足够的功率, 使用便携式太阳能发电机的电力小到中型电子。提供一个柴油发电机作为后备力量。雇用一位熟悉农村环境中的电力供应挑战的当地电工。
    3. 准备一个合适的实验室结构, 最小的设置时间, 如一个大的定制帐篷, 不透明和防水的屋顶和墙壁。
      注: 设施 (例如,当地学校的教室) 不太可能可用, 或提供防水和安静的测试空间。
  3. 设置便携式实验室 (图 1)
    1. 组装移动实验室 (例如,定制帐篷)。确保实验室足够大, 可以容纳参加者在办公桌上的座位, 两个实验者的座位, 刺激演示电脑, fNIRS 数据收集计算机, fNIRS 便携单元, 三维 (3D) 数字化仪, 和便携空调。

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图1。示意图.(A) 实验室设置示意图。(B) 为数据收集准备参与者。请单击此处查看此图的较大版本.

2. 地方研究小组和科学伙伴

  1. 投资形成科学合作, 并在研究框架内为当地研究人员提供机会。
  2. 与当地的科学机构建立伙伴关系, 以包容。在地方一级获得同行的认可对于在该地区传播最终的研究发现很重要。
  3. 在进行任何研究活动之前, 先咨询相关的地方当局, 以获得授权和许可操作。熟悉目标国家的道德审查程序, 并在没有正式的科学审查程序的情况下进行适当的住宿。
    注: 例如, 可以在高等教育和研究部 (或类似的政府机构) 中与代表进行直接沟通和批准, 以代替道德审查程序。

3. 知情同意和儿童同意

  1. 制定一个在文化上合适的同意程序, 并确保参与者、他们的家人和社区了解研究的情况和他们参与研究的决定。
  2. 在典型的协议开发中回顾当地的风俗和历史, 包括需要进行研究的小组的成员。
    1. 在进行研究之前, 请务必征得当地领导人 (如村长、社区长老、等) 的明确同意。
      注意: 这可能是由祖先的祝福或任何其他的方式典型的社区表达。经过村长的同意, 文化习俗可能包括把酒倒在地上, 并要求祖先批准和保佑研究活动。
  3. 在更正式的层次上, 征求父母和教育者团体的同意, 他们负责就儿童参与学校批准的活动作出决定。例如, 在科特迪瓦的家长教师小组 ("管理 Ecoles-COGES" 委员会) 是国家初等教育系统的主要利益攸关者, 由学生家长任命的成员组成, 以维护他们在决策中的利益和在与子女教育有关的所有其他方面。
  4. 批准地方当局的所有研究活动, 例如科特迪瓦教育部或高等教育和研究部。该项目将在5月举行的国家没有一个正式的程序, 通过 IRB 的道德批准。检查法规, 以确保获得伦理批准的研究的正确协议被遵循。
    注: 在获得批准时, 科特迪瓦没有正式的 IRB 审查程序。作为替代, 研究小组着手编写类似于 IRB 申请的文件提交教育部。与教育部、高等教育部和研究官员举行了多次会议, 研究小组向所有官员介绍了拟议的研究计划, 随后进行了小组讨论和问答会议。道德上的批准是直接从教育部获得的, 其形式是签署了一份授权书, 允许在特定学校与儿童进行研究。这项研究得到了特拉华大学 IRB 的伦理认可。
  5. 在儿童同意程序中, 用简单的词语来解释研究目的。当地社区可能高度重视儿童的服从, 在这种情况下, 儿童可能同意参加或继续参加一项研究, 尽管他们不愿意这样做, 因为文化的期望。确保同意程序认真传达自愿参与研究。
  6. 明确界定研究将如何使参与者受益, 以及他们是否会获得参与研究的补偿。确保补偿在文化和参与者方面都是适当的。
  7. 由受训的研究小组成员, 同时也是语言和文化团体的成员, 以当地或首选语言进行所有同意和同意程序。

4. fNIRS 头皮放置及测量

  1. 收集磁头测量
    1. 指导参加者坐在椅子上, 并解释在头部测量过程中的期望。
    2. 使用标准卷尺, 测量之间的距离: (1) nasion 和 inion 周围的头部, (2) nasion 和 inion 上方的头部通过中线中央 (Cz)11, 和 (3) 之间的距离, 左, 右耳耳屏在顶部头通过 Cz。
  2. fNIRS 帽和 optodes 在参与者头上的位置3,8,9,12
    1. 将 fNIRS optode 支架盖放在参与者头上, 将 cap 与国际10-20 系统的头皮位置对齐,11。确保所有参与者的 cap 位置相同。将顶盖上的点 (例如,探头支架) 与头皮位置对齐。
      注: 例如, 将头顶部的前面 frontopolar (FP) 位置居中。这个位置对应于10% 的 nasion-inion 在顶部的距离背 nasion 位置。
    2. 用皮带固定盖子, 确保参与者舒适。
  3. 3D 数字化仪测量
    1. 一旦盖帽到位, 指示参加者仍然坐在位置为获得3D 数字化仪测量关键的10-20 系统头皮位置11和每个 optode 的地方持有人。
    2. 安排3D 数字化仪设备。将一个传感器放在参与者头上, 并将其固定 (即使用弹性或毛发附件), 并将第二块传感器放在参与者后面。让参与者坐在椅子上, 回到桌子上。将第二个传感器放在直接在参与者头部后面的表上。确保两个传感器在获得3D 数字化仪测量过程中都不移动。
    3. 在数据收集计算机上打开 "集体讨论" 软件13 。确保3D 数字化仪系统通过相应的 COM 端口与头脑风暴软件进行通信。
    4. 将3D 数字化仪触笔移动到每个探头位置, 并跨越关键10-20 系统位置 (nasion、inion、左耳、右耳、Cz)。在每个位置, 通过数据收集计算机上的头脑风暴功能获取位置数据。
  4. 在头皮上放置发光 optodes 和探测器
    1. 在3D 数字化仪数据收集后, 引导参与者舒适地坐在刺激展示计算机前。
    2. 使用 fNIRS 内置软件, 选择与实验设计相对应的探头排列。fNIRS 探头可以放置在整个头部 (即,全头覆盖范围), 或者, 可以将阵列置于感兴趣的一般区域之上。例如, 该协议使用了 10 x 3 探针阵列 (30 探头排列在3行10探头中)。这个探针安排被安置了到最大地叠加左半球语言区域和他们的右半球同系物, 并且正面裂片 (图 2)。
    3. 确保每个探头 (发射器和探测器) 编号, 编号系统对应于探头排列图。
    4. 使用 fNIRS 内置软件中的 optode 映射作为指南, 将每个 optode 放在适当的 optode 打开的盖子上。optode 映射指示数组中每个 optode 的位置 (例如, 10 x 3)。
    5. 移动任何头发的方式, 以确保直接接触之间的 optode 和参与者的头皮。
    6. 所有 optodes 就位后, 使用 fNIRS 系统内置软件检查信号质量。
    7. 根据需要调整单个探头, 直到达到足够的信号质量。一旦所有 optodes 的信号质量检查已经通过, 继续进行实验任务。

5. 实验任务

  1. 设计每个神经影像学任务, 并根据研究目标进行适当数量的试验和条件。了解神经影像的任务会因研究目的而异。例如, 本协议中使用了三任务: (1) 语言处理和阅读任务, (2) 一个押韵判断任务, (3) 认知灵活性任务。
    注: 押韵判断任务的程序 (和代表结果) 被强调。
  2. 将噪音取消耳机放在参与者头上, 注意不要干扰 fNIRS 探头的放置。确保耳机将向参与者提供听觉语音刺激, 并阻止任何环境噪音。
    注: 实验室测试通常发生在一个声音衰减室。现场实验室测试不提供相同程度的噪音控制, 并消除噪音耳机可以确保所有参与者安静的测试条件。
  3. 指示参与者面对计算机显示器, 并在屏幕中间的交叉, 并保持静止在实验。在计算机屏幕上显示所有实验任务。
  4. 押韵判断任务
    1. 指示参与者听听觉通过耳机提出的单词对。请参与者指示单词对是否押韵 (例如, "猫"-"帽子" 或 "猫"-"log"), 并按键盘上的按钮。
    2. 在本例中, 使用与事件相关的设计。让参加者完成12非押韵和12押韵试验分开由抖动之间刺激间隔时间在8和十七年代之间。
      注意: 应以适合参与者的方式创建任务。在这里引用的研究中, 研究人员正在调查语言、认知和阅读的发展。阅读神经影像学的任务开发的单词, 这将是适当的儿童识字能力最低。同时, 根据阅读评估中获得的分数, 孩子们被选为神经影像学范式。
  5. 昏暗的灯光, 并开始记录在内置摄像机的参与者。
  6. 在 fNIRS 命令计算机上开始 fNIRS 数据记录, 并在刺激演示计算机上开始执行任务。
  7. 监视参与者在所有任务中的表现。在任务和运行之间提供中断。
  8. 确保由 fNIRS 命令计算机接收来自实验性刺激的演示计算机的触发。
  9. 在所有任务结束时, 停止收集视频和 fNIRS 数据。

6. 实验后任务测量

  1. 将每个 optode 从 optode 支架盖上卸下。
  2. 在不打乱 optode 持有人盖帽的位置在参加者的头, 指示参加者坐在一个位置获得第二个3D 数字化仪测量。
  3. 重复3D 数字化仪测量, 如在 fNIRS 头皮放置和测量部分 4, 以确保在实验过程中对头皮探头位置的任何中断都可以通过比较两个位置文件来检测。
  4. 从参与者的头上卸下 optode 支架盖。
  5. 在实验结束时, 为参与者提供一份小礼物 (例如,书籍和学校用品) 和研究小组对他们参与的致谢。

7. 传播数据的计划

  1. 与社区成员和有关地方当局分享研究结果, 最终将其转化为处理调查问题的政策。
    注意: 参加者可能不会直接从实验中受益。
  2. 制定计划, 对参与社区进行后续访问。编写当地教育人员可以使用的报告和工具。例如, 应向该区域的学校官员提供以当地语文制作的任何评估。准备研究小组的成员, 他们会说当地的语言, 与社区领袖会面, 交流研究结果。
  3. 制定计划, 在区域学术刊物和区域语言中公布研究结果, 如果适用的话。例如, 如果在法语国家进行研究, 研究结果应以法文分发。
  4. 制定计划, 以满足和提交研究结果的报告, 政府部门批准的研究计划。

8. 备份数据

  1. 确保将数据导出并备份到多个便携式硬盘驱动器上, 因为不太可能提供联机数据存储的 internet 访问。将数据传输到联机数据存储中, 因为有足够的 internet 连接可用。

9. 数据分析

注意: fNIRS14存在多个数据分析包。近红外光谱的统计参数映射 (SPM)15 , Homer216 (广泛使用), 和 fNIRS 工具箱17,18 (新的和越来越普及) 用于 fNIRS 数据分析。该协议利用近红外光谱技术对数据分析方法进行了回顾, 但对研究人员选择优选的分析方法有很好的判断。

  1. 使用 fNIRS 系统分析数据, 方法是4版15,19。这个工具箱的神经影像套件 SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) 分析近红外数据与一般线性模型的分析方法, 并允许创建的激活地图与超分辨率的本地化。
  2. 数据转换为 HbO 和评论
    1. 使用改进的啤酒-朗伯方程 (与近红外光谱 SPM) 将光学密度值转换成浓度变化的 HbO 和评论反应。
  3. 数据预处理
    1. 使用存在于预处理 fNIRS 数据的多个选项之一。
      注意: 于贝尔et al.17针对不同的噪声源提出了非常严格的方法16。这些包括基于特征向量的运动伪影的减少, 带通滤波技术, 以及基于特征向量的空间协方差的减少 (例如,呼吸, 血压, 心率)。他们还对 fNIRS 研究中的噪声源和统计分析的意义进行了详尽的评述。fNIRS 研究员必须调查最适合给定研究的预处理应用程序。下面, Worsely 和 Friston20和张成泽et al.的模型分析方法显示19 。
    2. 使用小波最小描述长度 (detrending) 算法分解 HbO 和评论浓度的变化, 以消除呼吸、血压变化、缩或参与者运动伪影造成的全球趋势, 并改善信噪比19。
    3. 应用带有血流动力学响应函数形状的低通滤波器对数据进行处理, 并使用 Worsely 和 Friston20 precoloring 方法消除时间相关性。
  4. 模型生成与统计分析
    1. 生成模型的 HbO 和评论含有实验变量积与相应的血流动力学响应函数的时间导数21。
      注意: 血流动力学应答功能在较高皮层区和参与者之间具有更大的变异性。这些类型的变异性可以通过扩展 HRF 包括时态导数来适应分析模型。使用时态导数对峰值血流动力学响应的时间进行模型差异21。
    2. 使用近红外光谱-SPM 创建模型的 hbo 和评论与对立的极性, 使一个重要的模型适合 hbo 表明增加浓度和评论降低浓度5,18。
    3. 设置实验相关的t-测试或F-测试对比, 以测试一个 (或多个) 变量 (给定设计矩阵) 对 fNIRS 时间序列数据的调制效果。
  5. 可视化结果
    1. 使用3D 数字化仪的数据, 向蒙特利尔神经研究所 (MNI) 空间进行近红外通道的空间注册。
    2. 使用已注册的 fNIRS 数据创建 HbO、评论和总血红蛋白 (THb) 的激活图 (基于一般线性模型和太阳管公式校正22,23。
    3. 将激活映射加载到适当的大脑模板上。例如, 最近金斯的儿科脑图谱为6-12 岁以下的儿童提供了一个标准化的模板24。

结果

3D 数字化仪获得的探针位置数据 (图 2) 可以在标准的大脑模板上进行可视化。使用近红外光谱仪的独立注册函数25将 fNIRS 通道注册到 MNI 空间。空间注册功能产生 MNI 坐标, 解剖标签, 和 Brodmann 面积最大的代表每个通道。

figure-results-298

讨论

本文提出了一种适用于偏远地区低资源环境的野外神经影像协议。该领域神经影像学协议的关键进展是首次在理解 (或从未研究过的) 情境中研究大脑功能及其发展的能力。本议定书的关键步骤包括与在没有电力或可利用设施的热带气候环境下进行高质量数据收集的流动实验室的旅行和建立。本议定书为与当地的科学、教育和政府机构建立强有力的伙伴关系提供了一项一般性指南, 我们强调了在成?...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项研究是通过雅各布斯基金会的早期职业奖学金 Jasinska (奖学金编号: 2015 118455) 进行的。作者还希望确认 Blahoua、？塔、阿丽亚娜、布莱斯袋鼠和伊薇特胶片在数据收集和现场支持方面的协助。特别感谢 Moapé、Ananguié、Affery 和 Becouefin 的家人和孩子们, 他们参与了这个研究项目和村庄的热情款待。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
LIGHTNIRS Main Unit Pack 120VShimadzu292-34000-42Component of the fNIRS system
HOLDER ASSY, ALL- CAPShimadzu594-07618-01Component of the fNIRS system
LIGHTNIRS connection cableShimadzu567-10976-11fNIRS system component
Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets)Shimadzu567-11350-01fNIRS system component
Dell Latitude LaptopShimadzu (from Dell)220-97322-00Master computer to run fNIRS applications
PATRIOT SEU (System Electronics Unit)POLHEMUS1A0453-001PATRIOT System component
Power SupplyPOLHEMUS2C0809PATRIOT System component
Power Supply cordPOLHEMUS17500B-BLKPATRIOT System component
RS-232 null modem cablePOLHEMUS1C0288PATRIOT System component
USB cablePOLHEMUS1C0289PATRIOT System component
RX2 Sensor 10' cablePOLHEMUS4A0492-20PATRIOT System component
TX2 Source 10' cablePOLHEMUS4A0506-20PATRIOT System component

参考文献

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