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我们提出了一种同时收集来自同一受试者的fMRI和fNIRS信号的方法,并覆盖了整个头部fNIRS。该协议已在三名年轻人中进行了测试,并可用于发育研究和临床人群的数据收集。
功能性近红外光谱 (fNIRS) 是一种便携式神经成像方法,比功能性磁共振成像 (fMRI) 更稳健、更具成本效益,因此非常适合进行脑功能的自然研究以及用于发育和临床人群。fNIRS和fMRI方法都可以检测功能性大脑激活过程中脑血氧的变化,先前的研究表明,这两种信号之间存在高度的空间和时间对应关系。然而,没有对同时从具有全头fNIRS覆盖的相同受试者收集的两个信号进行定量比较。这种比较对于根据 fMRI 金标准全面验证区域级激活和功能连接是必要的,这反过来又有可能促进在整个生命周期内对两种信号进行比较。我们通过描述一种同时收集fMRI和fNIRS信号数据的协议来解决这一差距,该协议:i)提供全头fNIRS覆盖;ii) 包括非皮质全身生理信号回归的短距离测量;iii)实施两种不同的方法,用于fNIRS测量的光电点到头皮共同配准。介绍了来自三个受试者的 fMRI 和 fNIRS 数据,并讨论了调整方案以测试发育和临床人群的建议。目前成人的设置允许平均约 40 分钟的扫描会话,其中包括功能和结构扫描。该协议概述了使fNIRS设备适应磁共振(MR)环境所需的步骤,为数据记录和光电管到头皮共同配准提供了建议,并讨论了协议的潜在修改,以适应现有MR-safe fNIRS系统的具体情况。来自闪烁棋盘任务的代表性特定受试者响应说明了该协议在 MR 环境中测量全头 fNIRS 信号的可行性。该协议对于有兴趣在整个生命周期内针对 fMRI 验证 fNIRS 信号的研究人员尤其重要。
近三十年来,人们一直在通过功能性磁共振成像 (fMRI) 在成人大脑中研究认知功能。尽管功能磁共振成像(fMRI)提供了高空间分辨率以及功能和结构图像,但对于在自然环境中进行的研究或用于婴儿和临床人群的研究,它通常不实用。这些限制极大地限制了我们对大脑功能的理解。fMRI 的替代方案是使用更具成本效益且对运动更稳健的便携式方法,例如功能性近红外光谱 (fNIRS)1,2,3。fNIRS已被用于婴幼儿,以评估一系列认知领域的大脑功能,例如语言发展,社会相关信息的处理和对象处理4,5,6。fNIRS也是一种神经影像学方法,特别适合检测临床人群,因为它有可能在7,8,9岁人群中重复检测和监测。尽管其适用性很广,但没有研究定量比较同时从同一受试者收集的具有全头部覆盖率的 fMRI 和 fNIRS 信号。这种比较对于根据 fMRI 金标准全面验证区域级激活和感兴趣区域 (ROI) 之间的功能连接是必要的。此外,建立这种模态间对应关系有可能增强对fNIRS的解释,因为它是典型和非典型发育中唯一收集的信号。
fMRI 和 fNIRS 信号都检测功能性脑激活期间脑血氧 (CBO) 的变化10,11。fMRI 依赖于电磁场的变化,并提供 CBO 变化的高空间分辨率12。相比之下,fNIRS使用一系列发光和光检测光电管2测量近红外光的吸收水平。由于fNIRS测量不同波长的吸收变化,因此它可以评估氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。先前使用少量光极同时记录 fMRI 和 fNIRS 信号的研究表明,这两种信号具有很高的空间和时间对应关系10。血氧水平依赖性 (BOLD) fMRI 与光学测量之间存在很强的相关性11,13,脱氧血红蛋白与 BOLD 反应的相关性最高,正如先前比较 fNIRS 和 fMRI 血流动力学反应函数 (HRF) 的时间动力学的工作所报告的那样14。这些早期研究实施了运动反应范式(即手指敲击),并使用了有限数量的光电管覆盖初级运动和运动前皮层区域。在过去的十年中,研究已经扩大了关注范围,包括更多的认知任务和静息状态会话,尽管仍然使用有限数量的视光管来覆盖特定的ROI。这些研究表明,fNIRS/fMRI 相关性的变异性取决于光与头皮和大脑的距离15.此外,fNIRS可以提供与fMRI相当的静息态功能连接测量16,17。
目前的协议建立在先前工作的基础上,并通过以下方式解决了关键限制:i)提供全头fNIRS覆盖,ii)包括用于非皮层生理信号回归的短距离测量,iii)实施两种不同的方法,用于fNIRS测量值的光电到头皮共同配准,以及iv)能够在两个独立的会话中评估信号的重测可靠性。这种用于同时收集fMRI和fNIRS信号数据的协议最初是为测试年轻人而开发的。然而,该研究的目标之一是创建一个实验装置,用于收集同时的fMRI / fNIRS信号,这些信号随后可以用于测试发育人群。因此,目前的协议也可以作为制定测试幼儿的协议的起点。除了使用全头fNIRS覆盖外,该协议还旨在结合fNIRS硬件领域的最新进展,例如包括短距离通道来测量全身生理信号(即由非皮质来源引起的血管变化,如血压、呼吸和心脏信号)18,19;以及使用 3D 结构传感器进行光电与头皮共配准20.尽管本协议的重点是视觉闪烁棋盘任务的结果,但整个实验包括两个会话,混合了传统的块任务设计、静止状态会话和自然主义观影范式。
该协议描述了使fNIRS设备适应MRI环境所需的步骤,包括帽设计,通过触发同步进行时间对齐以及数据收集开始前所需的幻象测试。如前所述,这里的重点是闪烁棋盘任务的结果,但整个过程不是特定于任务的,可以适用于任何数量的实验范式。该协议进一步概述了数据收集过程中所需的步骤,包括fNIRS电容放置和信号校准,参与者和实验设备设置,以及实验后清理和数据存储。该协议最后概述了专门用于预处理fNIRS和fMRI数据的分析管道。
该研究得到了耶鲁大学机构审查委员会(IRB)的批准。所有受试者均获得知情同意。受试者必须通过 MRI 筛查以确保他们安全参与。如果他们有可能影响认知功能的严重躯体或神经系统疾病史(即神经认知或抑郁障碍、创伤、精神分裂症或强迫症),则被排除在外。
注意:当前协议使用具有 100 个长距离通道和 8 个短距离通道(32 个激光二极管源,λ = 785/830 nm,平均功率为 20mW / 波长,以及 38 个雪崩光电二极管探测器)的 CW-NIRS 设备,采样频率为 1.95 Hz。 MRI 和 fMRI 扫描是在西门子 3 特斯拉 Prisma 扫描仪上使用 20 通道头圈收集的。所有数据均在耶鲁大学脑成像中心(https://brainimaging.yale.edu/)收集。在整个协议中都记录了用于收集同时 fMRI 和 fNIRS 数据的特定系统修改。
1. 用于同步数据收集的fNIRS设备的修改和开发
注:步骤3至6特定于NIRScoutXP系统,可能不适用于其他fNIRS系统,因为采集软件和可用于光极评估的模型存在差异。
图 1.用于同时收集fMRI和fNIRS测量数据的设备。 (A) 由黑色防水材料制成的袋子,用于存放缝在每个光电管附近的fNIRS帽上的维生素E胶囊。(B) MRI 安全桥,用于将光纤固定在地板上方,以便在数据收集过程中它们可以到达参与者的头部。(C) 并行端口复制器,用于将脉冲从扫描仪传输到fNIRS设备。 请点击这里查看此图的较大版本.
2. 实验任务设计
3. fNIRS电容放置和测试当天的信号校准
注意:除非另有说明,否则以下所有步骤均在 MRI 控制室或同意室进行。
图2.用于fNIRS帽制备的短距离探测器和工具。 (A) 短距离探测器探头和橡胶缓冲器,安装在毛发最少的正面区域的fNIRS帽上。(B) 从左到右:电缆整理器将光纤排列成束,MRI 安全涂抹器在放置光电镜时推开头发,塑料镊子在 NIRS 帽设置期间根据需要从盖子上取下光电点以移位头发。 请点击这里查看此图的较大版本.
图3.3D结构传感器数字化仪和fNIRS帽放置。 (A) 实验者使用 3D 结构传感器数字化仪创建参与者头部的 3D 模型。绿色贴纸用于识别基准点位置。(B) 将光纤插入参与者头部的 fNIRS 帽中,并在信号校准之前使用电缆整理器排列成束。 请点击这里查看此图的较大版本.
4. 参与者设置
注意: 以下步骤在 MRI 扫描仪室进行。呼吸带和脉搏血氧仪的使用是可选的,只有当研究人员有兴趣从fNIRS数据中回归这些信号22时才需要。该协议使用呼吸带,它是呼吸单元的一部分,用于使用约束带获取呼吸振幅。同样,生理脉冲单元由光学体积描记法传感器组成,该传感器允许获取心律。
图4.参与者在 MRI 扫描仪中设置。 (A) MR 头线圈内的枕头,用于支撑参与者的头部,并在参与者设置之前将光纤排列成束。(B) 参与者躺在扫描仪床上,准备戴上 fNIRS 帽进行测试。头圈的顶部尚未放在参与者的脸上。 请点击这里查看此图的较大版本.
5. 信号记录前的扫描仪和fNIRS设备设置
6.同步信号记录
图5.闪烁棋盘范式作为实验任务。 参与者观看了一个黑白棋盘图案,白色方块每秒闪烁八次,与显示白色圆圈的灰色屏幕交替出现。作为注意力检查,参与者被指示在看到屏幕中间出现一个白色圆圈时用右手按下一个按钮。按下按钮后,圆圈变为红色。该任务在一次运行中完成,总共包括 22 个块:11 个闪烁的棋盘块和 11 个试验间期。闪烁棋盘周期持续 10 秒,试验间持续时间持续 20 秒。因此,闪烁棋盘的开始每 30 秒 (0.033 Hz) 发生一次。显示器由 PsychoPy v2021.2.4 生成,并通过 1080p DLP 投影系统投射到头线圈顶部的后向镜子上。参与者完成了此任务的一次运行(~6 分钟)。 请点击这里查看此图的较大版本.
7. 实验后清理和数据存储
8. fMRI数据预处理
注:使用 QuNex 24 对 fMRI 数据进行预处理,遵循 Human Connectome Project23 的最小预处理管道,QuNex24 是一个开源软件套件,支持跨神经成像模式的数据组织、预处理、质量保证和分析。有关下面突出显示的每个步骤的特定设置和参数的详细文档,请访问 QuNex 网站 https://qunex.yale.edu/.用于处理数据的主要步骤和参数如下。
9. fNIRS数据预处理
注:fNIRS 数据是按照 fNIRS 数据分析25 中使用 NeuroDOT 26 的最佳实践分析的,NeuroDOT26 是一个开源环境,用于分析从原始光水平到大脑功能体素级地图的光学数据,这些图谱共同配准到特定参与者或图谱的解剖结构。下面描述的所有步骤都可以用 NeuroDOT 执行。有关下面突出显示的每个步骤的特定设置和参数的其他文档,请参阅 https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta 的教程和脚本。最后,光电点到头皮配准需要获得相对于下层脑组织的fNIRS光电点坐标,这可以使用3D数字化仪或维生素E胶囊作为基准点(如果可用)来完成。本节将介绍这两种方法,并提供相关软件包的参考。
10. fMRI/fNIRS任务诱发数据分析
本节介绍了 fMRI 和 fNIRS 信号的闪烁棋盘任务的代表性受试者特定反应。首先,图6和图7显示了具有代表性的原始fNIRS数据和质量评估,以说明在MRI环境中测量fNIRS信号的实验装置的可行性。图8显示了整个头部光极阵列和灵敏度曲线的示意图。
该协议用于同时收集fMRI和fNIRS信号的数据,使用全头fNIRS光电阵列和短距离通道来测量和回归系统性非皮层生理信号。该协议中的关键步骤包括修改和开发用于在MRI环境中收集fNIRS信号的fNIRS设备。据我们所知,目前还没有一个交钥匙商业系统完全优化,可以使用全头fNIRS阵列同时捕获fMRI和fNIRS测量。目前的协议解决了这一差距,对于那些对两种信号的全头比较感兴趣的研究人员特别相关,尽管它?...
本文的发表费由NIRx赞助。作者没有其他可透露的。
这项研究得到了以下资金来源的支持:大脑与行为研究基金会的 NARSAD 青年研究员奖资助 (Grant #29736) (SSA)、比尔和梅琳达·盖茨基金会的全球大挑战资助 (Grant #INV-005792) (RNA) 和耶鲁大学心理学系的发现基金资助 (RNA)。作者还要感谢Richard Watts(耶鲁大学脑成像中心)在数据收集过程中的支持,以及Adam Eggebrecht,Ari Segel和Emma Speh(圣路易斯华盛顿大学)在数据分析方面的帮助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
280 low-profile MRI-compatible grommets for NIRs caps | NIRx | GRM-LOP | |
4 128-position NIRS caps with 128x unpopulated slits in 10-5 layout | NIRx | CP-128-128S | Sizes: 52, 54, 56, 60 |
8 bundles of 4x detector fibers with low-profile tip; MRI-, MEG-, and TMS-compatible. | NIRx | DET-FBO- LOW | 10 m long |
8 bundles of 4x laser source fibers with MRI-compatible low-profile tip | NIRx | SRC-FBO- LAS-LOW | 10 m long |
Bundle set of 8 short-channel detectors with specialized ring grommets that fit to low-profile grommets | NIRx | DET-SHRT-SET | Splits a single detector into 8 short channels that may be placed anywhere on a single NIRS cap |
Magnetom 3T PRISMA | Siemens | N/A | 128 channel capacity, 64/32/20 channel head coils, 80 mT/m max gradient amplitude, 200 T/m/s slew rate, full neuro sequences |
NIRScout XP Core System Unit | NIRx | NSXP- CHS | Up to 64x Laser-2 (or 32x laser-4) illuminators or 64 LED-2 illuminators; up to 32x detectors; capable of tandem (multi-system) and hyperscanning (multi-subject) measurements; compatible with EEG, tDCS, eye-tracking, and other modalities; modules available for fMRI, TMS, MEG compatibility |
NIRStar software | NIRx | N/A | Version 15.3 |
NIRx parallel port replicator | NIRx | ACC-LPT-REP | The parallel prot replicator comes with three components: parallel port replicator box, USB power cable and BNC adapter |
Physiological pulse unit | Siemens | PPU098 | Optical plethysmography allowing the acquisiton of the cardiac rhythm. |
Respiratory unit | Siemens | PERU098 | Unit intended for the acquisition of the respiratory amplitude (by means of a pneumatic system and a restraint belt). |
Structure Sensor Mark II | Occipital | 101866 (SN) | 3D structure sensor for optode digitization. |
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