JoVE Logo
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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

אנו מציגים שיטה לאיסוף סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS מאותם נבדקים עם כיסוי fNIRS של כל הראש. הפרוטוקול נבדק עם שלושה צעירים וניתן להתאים אותו לאיסוף נתונים עבור מחקרים התפתחותיים ואוכלוסיות קליניות.

Abstract

ספקטרוסקופיה תפקודית תת-אדומה קרובה (fNIRS) היא מתודולוגיית דימות מוחי ניידת, עמידה יותר לתנועה וחסכונית יותר מדימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI), מה שהופך אותה למתאימה ביותר לביצוע מחקרים נטורליסטיים של תפקוד המוח ולשימוש עם אוכלוסיות התפתחותיות וקליניות. הן מתודולוגיות fNIRS והן fMRI מזהות שינויים בחמצון הדם המוחי במהלך הפעלה תפקודית של המוח, ומחקרים קודמים הראו התאמה מרחבית וזמנית גבוהה בין שני האותות. עם זאת, אין השוואה כמותית בין שני האותות שנאספו בו זמנית מאותם נבדקים עם כיסוי fNIRS של ראש שלם. השוואה זו נחוצה כדי לאמת באופן מקיף הפעלות ברמת האזור וקישוריות תפקודית מול תקן הזהב fMRI, אשר בתורו יש פוטנציאל להקל על השוואה של שני האותות לאורך תוחלת החיים. אנו מטפלים בפער זה על ידי תיאור פרוטוקול לאיסוף נתונים סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS אשר: i) מספק כיסוי fNIRS לכל הראש; 2) כולל מדידות למרחקים קצרים עבור רגרסיה של האות הפיזיולוגי המערכתי שאינו קליפת המוח; ו-iii) מיישמת שתי שיטות שונות לרישום משותף של אופטודה לקרקפת של מדידות fNIRS. מוצגים נתוני fMRI ו-fNIRS משלושה נבדקים, ונדונות המלצות להתאמת הפרוטוקול לבדיקת אוכלוסיות התפתחותיות וקליניות. המערך הנוכחי עם מבוגרים מאפשר סבבי סריקה של כ-40 דקות בממוצע, הכוללים סריקות פונקציונליות ומבניות כאחד. הפרוטוקול מתאר את השלבים הדרושים להתאמת ציוד fNIRS לשימוש בסביבת התהודה המגנטית (MR), מספק המלצות הן לרישום נתונים והן לרישום משותף של אופטודה לקרקפת, ודן בשינויים אפשריים של הפרוטוקול כך שיתאים לפרטים הספציפיים של מערכת fNIRS הזמינה הבטוחה ל-MR. תגובות מייצגות ספציפיות לנושא ממשימת לוח משבצות מהבהב ממחישות את ההיתכנות של הפרוטוקול למדידת אותות fNIRS של ראש שלם בסביבת MR. פרוטוקול זה יהיה רלוונטי במיוחד עבור חוקרים המעוניינים לאמת אותות fNIRS כנגד fMRI לאורך תוחלת החיים.

Introduction

תפקוד קוגניטיבי נחקר במוח האנושי הבוגר באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) במשך כמעט שלושה עשורים. למרות ש-fMRI מספק רזולוציה מרחבית גבוהה ותמונות תפקודיות ומבניות, לעתים קרובות הוא אינו מעשי למחקרים שנערכו בהקשרים נטורליסטיים או לשימוש עם תינוקות ואוכלוסיות קליניות. אילוצים אלה מגבילים באופן משמעותי את הבנתנו את תפקוד המוח. חלופה ל-fMRI היא שימוש במתודולוגיות ניידות שהן חסכוניות יותר ועמידות יותר לתנועה, כגון ספקטרוסקופיה תפקודית של אינפרא-אדום קרוב (fNIRS)1,2,3. fNIRS שימש עם תינוקות וילדים צעירים כדי להעריך את תפקוד המוח במגוון תחומים קוגניטיביים, כגון התפתחות שפה, עיבוד מידע רלוונטי חברתית ועיבוד אובייקטים 4,5,6. fNIRS היא גם שיטת דימות מוחי המתאימה במיוחד לבדיקת אוכלוסיות קליניות בשל הפוטנציאל שלה לבדיקות וניטור חוזרים בקרב גילאי 7,8,9. למרות תחולתו הרחבה, אין מחקרים המשווים כמותית אותות fMRI ו-fNIRS שנאספו בו זמנית מאותם נבדקים עם כיסוי ראש שלם. השוואה זו נחוצה כדי לאמת באופן מקיף הפעלות ברמת האזור וקישוריות תפקודית בין אזורי עניין (ROIs) מול תקן הזהב fMRI. יתר על כן, לביסוס התאמה בין-מודאלית זו יש פוטנציאל לשפר את הפרשנות של fNIRS כאשר זהו האות היחיד שנאסף לאורך התפתחות טיפוסית ולא טיפוסית.

אותות fMRI ו-fNIRS מזהים שינויים בחמצון הדם המוחי (CBO) במהלך הפעלה תפקודיתשל המוח 10,11. fMRI מסתמך על שינויים בשדות אלקטרומגנטיים ומספק רזולוציה מרחבית גבוהה של שינויי CBO12. fNIRS, לעומת זאת, מודד את רמות הבליעה של אור אינפרא אדום קרוב באמצעות סדרה של אופטודות פולטות אור וגילוי אור2. מאחר ש-fNIRS מודד שינויים בבליעה באורכי גל שונים, הוא יכול להעריך שינויי ריכוז הן באוקסיהמוגלובין והן בדאוקסיהמוגלובין. מחקרים קודמים שהשתמשו בהקלטות סימולטניות של אותות fMRI ו-fNIRS עם מספר קטן של אופטודות הראו כי לשני האותות יש התאמה מרחבית וזמנית גבוהה10. ישנם מתאמים חזקים בין fMRI תלוי רמת חמצן בדם (BOLD) לבין מדדים אופטיים11,13, כאשר deoxyhemoglobin הראה את המתאם הגבוה ביותר עם תגובת BOLD, כפי שדווח על ידי עבודה קודמת המשווה את הדינמיקה הטמפורלית של פונקציות התגובה ההמודינמית fNIRS ו- fMRI (HRFs)14. מחקרים מוקדמים אלה יישמו פרדיגמות של תגובה מוטורית (כלומר, הקשה על אצבעות) והשתמשו במספר מוגבל של אופטודות המכסות אזורים מוטוריים ראשוניים וקליפת המוח הקדם-מוטורית. בעשור האחרון, מחקרים הרחיבו את המיקוד כדי לכלול סוללה גדולה יותר של משימות קוגניטיביות והפעלות במצב מנוחה, אם כי עדיין משתמשים במספר מוגבל של אופטודות המכסות ROI ספציפי. מחקרים אלה הראו כי השונות במתאמי fNIRS/fMRI תלויה במרחק של האופטודה מהקרקפת ומהמוח15. יתר על כן, fNIRS יכול לספק אמצעי קישוריות תפקודית במצב מנוחה הדומים ל-fMRI16,17.

הפרוטוקול הנוכחי מתבסס על עבודה קודמת ומתייחס למגבלות מרכזיות על ידי i) מתן כיסוי fNIRS לכל הראש, ii) כולל מדידות למרחקים קצרים עבור רגרסיה של אותות פיזיולוגיים שאינם קליפת המוח, iii) יישום שתי שיטות שונות לרישום משותף של אופטודה לקרקפת של מדידות fNIRS ו- iv) מאפשר הערכה של אמינות הבדיקה החוזרת של האות על פני שני מפגשים עצמאיים. פרוטוקול זה לאיסוף נתונים סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS פותח בתחילה לבדיקת צעירים. עם זאת, אחת ממטרות המחקר הייתה ליצור מערך ניסויי לאיסוף אותות fMRI/fNIRS בו זמנית שניתן להתאים לאחר מכן לבדיקת אוכלוסיות התפתחותיות. לכן, הפרוטוקול הנוכחי יכול לשמש גם כנקודת מוצא לפיתוח פרוטוקול לבדיקת ילדים צעירים. בנוסף לשימוש בכיסוי fNIRS של כל הראש, הפרוטוקול שואף גם לשלב את ההתקדמות האחרונה בתחום חומרת fNIRS, כגון הכללת ערוצים למרחקים קצרים למדידת האות הפיזיולוגי המערכתי (כלומר, שינויים בכלי הדם הנובעים ממקורות שאינם קליפת המוח, כגון לחץ דם, אותות נשימה ולב)18,19 ; ושימוש בחיישן מבנה תלת-ממדי לרישום משותף של אופטודה לקרקפת20. למרות שהפרוטוקול הנוכחי מתמקד בתוצאות של משימת לוח משבצות מהבהב חזותי, הניסוי כולו כולל שני מפגשים עם שילוב של עיצובים מסורתיים של משימות בלוקים, סשנים של מצב מנוחה ופרדיגמות נטורליסטיות של צפייה בסרטים.

הפרוטוקול מתאר את השלבים הדרושים להתאמת ציוד fNIRS לשימוש בסביבת MRI, כולל תכנון מכסה, יישור זמני באמצעות סנכרון טריגר ובדיקות פנטום הנדרשות לפני תחילת איסוף הנתונים. כאמור, ההתמקדות כאן היא בתוצאות משימת לוח המשבצות המהבהב, אך ההליך הכולל אינו ספציפי למשימה ויכול להתאים למספר רב של פרדיגמות ניסיוניות. הפרוטוקול מתאר גם את השלבים הנדרשים במהלך איסוף הנתונים, הכוללים מיקום מכסה fNIRS וכיול אותות, הגדרת משתתפים וציוד ניסיוני, כמו גם ניקוי לאחר ניסוי ואחסון נתונים. הפרוטוקול מסתיים במתן סקירה כללית של הצינורות האנליטיים הספציפיים לעיבוד מקדים של נתוני fNIRS ו-fMRI.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

המחקר אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית (IRB) באוניברסיטת ייל. התקבלה הסכמה מדעת לכל הנבדקים. הנבדקים היו צריכים לעבור בדיקת MRI כדי להבטיח את השתתפותם הבטוחה. הם נשללו אם הייתה להם היסטוריה של הפרעה רפואית או נוירולוגית חמורה שככל הנראה תשפיע על תפקוד קוגניטיבי (כלומר, הפרעה נוירו-קוגניטיבית או דיכאונית, טראומה, סכיזופרניה או הפרעה אובססיבית-כפייתית).

הערה: הפרוטוקול הנוכחי משתמש במכשיר CW-NIRS עם 100 ערוצים למרחקים ארוכים ו-8 ערוצים למרחקים קצרים (32 מקורות דיודות לייזר, λ = 785/830 ננומטר עם הספק ממוצע של 20mW / אורך גל, ו-38 גלאי פוטודיודות מפולת שלגים) שנדגמו ב-1.95 הרץ. סריקות MRI ו-fMRI נאספו בסורק Siemens 3 Tesla Prisma באמצעות סליל ראש בן 20 ערוצים. כל הנתונים נאספו במרכז לדימות המוח של ייל (https://brainimaging.yale.edu/). שינויים ספציפיים למערכת לאיסוף נתוני fMRI ו-fNIRS בו-זמנית מצוינים לאורך כל הפרוטוקול.

1. שינויים ופיתוח ציוד fNIRS לאיסוף נתונים בו זמנית

הערה: שלבים 3 עד 6 ספציפיים למערכת NIRScoutXP וייתכן שלא יחולו על מערכות fNIRS אחרות עקב שונות בתוכנת הרכישה ופאנטום זמין להערכת אופטודות.

  1. הכנת כובעי fNIRS
    1. זהה את מכסות fNIRS הדרושות למחקר. עבור מחקר למבוגרים, ודא שגדלי המכסות הבאים זמינים (בס"מ): 54, 56, 58 ו- 60.
    2. הערה: גדלי מכסות הם ספציפיים למערכת המשמשת בפרוטוקול זה. לכן, ייתכנו הבדלים בגדלים הספציפיים הדרושים למערכות NIRS שונות.
    3. בעזרת כמוסות ויטמין E וחומר דוחה מים (למשל, בד ניילון עם ציפוי PU), מכינים את הפידוקים. עטפו את הקפסולות בחומר שבחרתם ותפרו (או הדביקו את הפידוקים) לאזורים שנבחרו (ראו איור 1A). כמוסות ויטמין E משמשות כסמנים פידוקיאליים לזיהוי המיקום של תעלות fNIRS ביחס לרקמת המוח הבסיסית באמצעות תמונת T1w.
    4. קבע את מספר הפידוקיאלים בהתאם למערך האופטודות ולשיטת הרישום המשותף. מחקרים מסוימים ידרשו רק זיהוי של כמה ציוני דרך אנטומיים, בעוד שאחרים עשויים להפיק תועלת מהצבת פידוקיאלים ליד כל אופטודה.
    5. אם מכסה ה-fNIRS רופף מדי בחלק האחורי של הראש, חברו שתי רצועות משני צדי הכובע באמצעות בד אלסטי (עם חורי כפתורים חתוכים מראש) וכפתורים כדי להגביר את יכולת הכוונון של הכובע. בכל המשתתפים וללא קשר למידת הידוק המכסה, אבטחו את הרצועות כדי להבטיח הגדרת מכסה עקבית.
    6. אם החלק הקדמי של הכובע הדוק מדי על המצח, הניחו חוצצי גומי על אותם אופטודות שנמצאות במגע ישיר עם העור. אם ספק fNIRS אינו מספק חוצצים, צור אותם באמצעות מדבקות בד לבד. אם אתה משתמש במאגרי גומי, השתמש בהם עבור כל המשתתפים ללא קשר להתאמת המכסה כדי להבטיח הגדרת מכסה עקבית. ודא שלרכיבים במאגרי הגומי אין רכיבים מתכתיים להגנה מפני ממצאים בתמונות MR.
  2. הגדרת ציוד fNIRS בחדרי הבקרה והסורקים של MRI
    1. מקם את מכשיר ה-fNIRS בחדר הבקרה קרוב לאחד ממדריכי הגלים המובילים לחדר הסורקים. השתמש במשטח מוגבה (למשל, שרפרף צעד) במידת הצורך כדי להבטיח שהתקן fNIRS יהיה קרוב ככל האפשר למדריכי הגל על מנת למקסם את אורך הסיב.
    2. באמצעות רשת כבלי רשת, אגד את הסיבים האופטיים לקבוצות. קבע קבוצות אלה בהתבסס על מערך האופטודות שנבחר. באופן אידיאלי, סיבים אופטיים יקובצו כך שכל האופטודות בקבוצה ימוקמו באותו צד של הראש (שמאל לעומת ימין).
    3. חבר את הסיבים האופטיים להתקן fNIRS והנחה את החבילות לחדר הסורק דרך מנחי הגל. לפני הזמנת הסיבים האופטיים, מדדו את המרחק בין מכשיר ה-fNIRS למרכז הסורק כדי לוודא שאורך הסיבים האופטיים יספיק.
    4. הבא את הסיבים האופטיים לשולחן הסורק. השתמשו בגשר בטוח ל-MRI כדי להחזיק את הסיבים האופטיים כדי להבטיח שמשקל הסיבים לא יגרום לסיבים לשקוע וכדי למנוע מהם למשוך את הפקק הרחק מראשו של הנבדק (ראו איור 1B).
  3. הגדרת התיבה משכפל יציאות מקביליות
    1. התקן את הגרסה העדכנית ביותר של תוכנת NIRStar במחשב איסוף הנתונים fNIRS.
    2. חבר את משכפל היציאות המקביליות לכבל המשדר את הפולס דמוי הטרנזיסטור-טרנזיסטור לוגיקה (TTL) מהסורק כפי שמצוין במדריך ההדק של היצרן (גרסה R2.1; ראה איור 1C). פולס TTL מתאים לפעימת תזמון פרוסה שנשלחת ישירות מהסורק. כאשר הסורק שולח דופק, אחד מחווני ה- LED יידלק.
    3. חבר את תיבת משכפל היציאות המקביליות להתקן fNIRS באמצעות כניסת יציאה מקבילית. פעולה זו תשלח טריגר לתוכנת NIRStar בכל פעם שיזוהה פולס TTL מהסורק. אות ההדק ישתקף במסך הקלטת רכישת הנתונים כקו מקווקו. הגדרה זו מבטיחה סנכרון של fNIRS ואיסוף נתוני fMRI מכיוון שבכל פעם שנאסף פולס תזמון פרוסה בסורק, הדבר יבוא לידי ביטוי בזרם הנתונים fNIRS שנרשם על ידי תוכנת הרכישה NIRStar.
  4. הכנת הפנטום הסטטי להערכת אופטודה
    1. הכנס את האופטודות להתקן הפנטום הסטטי שסופק על ידי ספק fNIRS. סידור האופטודות על הפנטום יהיה תלוי בסוג מכשיר ה-fNIRS ובמספר המקורות והגלאים הזמינים. בדוק את סידור האופטודה הנכון במדריך תחילת העבודה של היצרן של הספק.
    2. ודא שהפנטום מוגן לחלוטין מכל מקור אור. ספקים מסוימים מספקים מארז מתאים המסייע להגן על האופטודות מכל מקור אור חיצוני.
    3. חבר את כל המקורות הזמינים ואת חבילות הגלאים לפאנטום fNIRS בהתאם לסידור האופטודות שצוין.
    4. חבר את פנטום fNIRS למחשב הרכישה והפעל את תוכנת הרכישה NIRStar.
  5. ביצוע בדיקת מכשיר פאנטום עם רעש כהה
    1. תחת פריט התפריט קביעת תצורה של חומרה של תוכנת הרכישה NIRStar, פתח את הכרטיסיה הגדרת ערוץ. ודא שתחת מספר מקורות ומספר גלאים המספר הכולל של מקורות וגלאים מוגדר כראוי. אשר הגדרות אלה על ידי לחיצה על אישור.
    2. הפעל את חלון בדיקת הרעש הכהה על-ידי לחיצה על פריט התפריט אבחון בתפריט הראשי של חלון NIRStar.
    3. הפעל את הבדיקה על-ידי לחיצה על לחצן הפעל בדיקה . שמור את תוצאות הבדיקה על-ידי לחיצה על לחצן שמור תוצאות .
      הערה: עיין ב"מדריך תחילת העבודה: פתרון בעיות בפנטום סטטי" של היצרן לקבלת הדרכה כיצד לפרש את התוצאות.
  6. ביצוע בדיקת כיול פנטום
    1. תחת פריט התפריט קביעת תצורה של חומרה בתוכנת הרכישה NIRStar, פתח את הכרטיסיה הגדרת ערוץ . ודא שתחת מספר מקורות ומספר גלאים המספר הכולל של מקורות וגלאים מוגדר כראוי.
    2. תחת פריט התפריט קביעת תצורה של חומרה , פתח את הכרטיסיה מיסוך ערוצים . הוסף מסיכה לכל הערוצים על-ידי לחיצה על הלחצן Select All .
    3. תחת פריט התפריט קביעת תצורה של חומרה , בכרטיסיה מפרט חומרה , בחר פנטום סטטי תחת סוג מחקר. אשר הגדרות אלה על-ידי לחיצה על אישור.
    4. התחל את הכיול על-ידי לחיצה על לחצן כיול . לאחר השלמת הכיול, לחץ על לחצן פרטים כדי להציג את תוצאות הכיול המפורטות.
      הערה: עיין ב"מדריך תחילת העבודה: פתרון בעיות בפנטום סטטי" של היצרן לקבלת הדרכה כיצד לפרש את התוצאות.

figure-protocol-6669
איור 1. ציוד לאיסוף נתונים בו זמנית של מדידות fMRI ו-fNIRS. (A) שקיק עשוי מחומר שחור דוחה מים לאחסון כמוסות ויטמין E שנתפרו על פקק fNIRS הסמוך לכל אופטודה. (B) גשר בטוח באמצעות MRI שיחזיק את הסיבים האופטיים מעל הרצפה כדי שיוכלו להגיע לראשו של המשתתף במהלך איסוף הנתונים. (C) משכפל יציאות מקבילי המשדר פולסים מהסורק להתקן fNIRS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

2. תכנון משימות ניסיוני

  1. החלט על משך סשן הסריקה על ידי התחשבות בנוחות המשתתפים בתוך הסורק. לדוגמה, המחקר המודגש כאן כולל שתי תמונות מבניות (T1w ו- T2w) למשך כולל של כ- 14 דקות, וחמש ריצות פונקציונליות למשך זמן נוסף של כ- 25 דקות.
    הערה: יהיה צורך בפיילוט של המחקר עם מספר משתתפים כדי לזהות את האורך המתאים של המחקר מכיוון שגורמים ספציפיים למחקר (למשל, גיל המשתתף, גודל המכסה) יקבעו את רמת הנוחות.
  2. תכננו את משימות הדימות המוחי בהתאם למטרות המחקר. זה יהיה ספציפי למחקר. כאן מוצגים ההליך (והתוצאות המייצגות) של משימת לוח דמקה מהבהב.

3. מיקום מכסה fNIRS וכיול אותות ביום הבדיקה

הערה: כל השלבים הבאים מתבצעים בחדרי הבקרה או ההסכמה של MRI, אלא אם כן נאמר אחרת.

  1. איסוף מדידות ראש ובחירת כובע fNIRS
    1. לאחר שהמשתתף חתם על טופסי ההסכמה הרלוונטיים וקיבל את ההוראות למשימות הבאות, יש לכוון אותו לשבת על כיסא הממוקם בחדר הבקרה.
    2. באמצעות סרט מדידה רך סטנדרטי, לעטוף את הסרט סביב היקף רחב ככל האפשר של ראש המשתתף; מהחלק הבולט ביותר של המצח (לרוב אצבע אחת או שתיים מעל הגבה) ועד לחלק הרחב ביותר של החלק האחורי של הראש והגב מסביב. נסו למצוא את ההיקף הרחב ביותר.
    3. בחר את גודל המכסה הקרוב ביותר להיקף הנמדד.
  2. חיבור גשושיות הגלאי למרחקים קצרים על הפקק
    הערה: שלב זה ספציפי למערכות NIRx וייתכן שלא יחול על התקני fNIRS אחרים.
    1. מקמו את גשושיות הגלאי למרחקים קצרים על-ידי אחיזה חזקה בבסיס והחלקתו סביב החלק של הגרומט שעובר דרך הרשת של מכסה ה-fNIRS (ראו איור 2A). היזהר לא למשוך את בדיקות הגלאי למרחקים קצרים מהכבל מכיוון שהדבר עלול לגרום נזק לכבל.
      הערה: בעת קביעת התפלגות הגשושיות, עיין בעבודה שנעשתה לאחרונה המשווה בין התפלגויות ראש שלם לעומת התפלגויות ספציפיות ל- ROI18.
    2. השתמש בתפסים של סדרן הסיב שסופקו על-ידי היצרן לניהול כבלים במידת הצורך. ודא שכבלי הגלאי למרחקים קצרים מכוונים לכיוון החלק האחורי של הכובע על מנת לשמור על האזור סביב הפנים נקי.
  3. הנחת מכסה fNIRS ואופטודות על ראש המשתתף
    1. בקשו מהמשתתפים לחבוש את הכובע על ידי החלקתו היישר מהחלק העליון של ראשם, כאילו הם חובשים כובע חורף. ודאו שהכובע ישר ושהאוזניים נמצאות בחורי האוזן.
    2. בקשו מהמשתתפים להדק את רצועת הסנטר ככל שנוח. הדקו את הרצועות האחוריות וודאו שהפקק מחובר היטב וששקעי האופטודה צמודים לראש.
    3. הדביקו מדבקות ירוקות לסימון מיקומי מפתח לפי 10-20 מיקומי המערכת (inion, nasion, pre-auricular points anterian to the ear and Cz)21.
      הערה: המדבקות הירוקות נחוצות אם משתמשים בחיישן המבנה התלת-ממדי כדי לקבוע את הקואורדינטות המרחביות של מיקומי המקור והגלאי. הדבר עשוי להשתנות בהתאם לסוג חיישן המבנה התלת-ממדי. הפרוטוקול הנוכחי משתמש בחיישן מבנה (סימן II) מבית Occipital20.
    4. באמצעות סרט מדידה, יישרו באופן סימטרי את הנקודות על הפקק עם נקודות הקרקפת על ידי וידוא כי i) הנקודות הקדם-אוריקולריות נמצאות במרחק שווה מנקודת Cz ו-ii) האינון ונקודת האף נמצאות במרחק שווה מנקודת Cz. ודא שמיקום המכסה זהה עבור כל המשתתפים.
  4. קבלת דגם של ראש המשתתף באמצעות דיגיטציה של חיישן מבנה תלת ממדי
    1. הנחו את המשתתפים לשבת בשקט על מנת ליצור מודל תלת ממדי של ראשם.
    2. פתח את מבנה היישום בטאבלט או ב- iPad.
      הערה: הפרוטוקול מתאר את השלבים הדרושים ליצירת רשת ראש עם חיישן המבנה (סימן II) מ- Occipital20. שלבים אלה עשויים להשתנות בין מערכות.
    3. ודא שההגדרות הבאות כבויות: צבע ברזולוציה גבוהה, חשיפה אוטומטית באמצעות אינפרא-אדום ורכיב מעקב משופר.
    4. מרכז את המשתתף כך שכל ראשו יהיה בתוך הריבוע התלת-ממדי על המסך, כל ראשו מעובד, ואין יותר מדי מהכתפיים שלו בפריים.
    5. צאו בזהירות לסיבוב של 360° סביב המשתתף כדי ליצור את הסריקה התלת-ממדית. המתן עד שהיישום ילכוד את התמונה בערך כל 90° לפני שתמשיך (ראה איור 3A).
    6. לאחר לכידת הסריקה כולה, לחץ על הלחצן בצד ימין של המסך כדי ליצור את עיבוד התלת-ממד.
    7. בדוק את הרינדור כדי לוודא שהוא ברור ויש מספיק פרטים כדי לוודא את המיקום של אופטודות ומדבקות ירוקות. אחסן את הסריקה התלת-ממדית בשרת מוגן HIPAA.
  5. הכנת המשתתף לכניסה לחדר הסורק
    1. לאחר יצירת המודל התלת-ממדי, הסירו את המדבקות הירוקות והורו למשתתף לשים אטמי אוזניים באוזניו.
    2. בצע את ההוראות הקיימות במרכז ההדמיה של MR כדי לוודא שהמשתתפים בטוחים להיכנס לחדר הסורקים. שלב זה כולל בדרך כלל אישור עם המשתתף כי אין מתכות בגופו ומעבר דרך גלאי מתכות כבדיקה סופית. שאלון בטיחות MRI שמולא על ידי הנבדק לפני ההגעה נדרש לעתים קרובות על ידי רוב מרכזי ההדמיה.
  6. הצבת בדיקות המקור והגלאי על מכסה fNIRS
    1. בחדר הסורקים, כוונו את המשתתף לשבת בנוחות על שולחן הסורק.
    2. בעת ייצוב כל גרומט אופטודה ביד אחת, השתמשו במוליך בטוח MRI ביד השנייה כדי להרחיק את השיער ממרכז הגרומט (ראו איור 2B). כאשר השיער הוזז מספיק מהאזור (באופן אידיאלי כך שהקרקפת נראית לעין), לחץ בחוזקה על האופטודה לתוך הגרומה.
    3. ודא כי ברגע שהמתח על הגרומט משתחרר, השיער אינו חוזר להסתיר את מרכז האופטודה. אם משתמשים במערך ראש שלם, מומלץ לכוון את האופטודות בחלק האחורי של הראש כאשר סיביהן מופנים לחזית ואת האופטודות בקדמת הראש כאשר סיביהן מופנים לאחור. תצורה זו של הסיבים האופטיים תמנע מהם להסתבך או להתכווץ כאשר המשתתף שוכב ומניח את ראשו בסליל הראש של MRI.
      הערה: תהליך החדרה ויישור סיבים זה מתבצע במהירות ובקלות רבה יותר עם שני נסיינים הממוקמים בכל צד של המשתתף, מכסים בו זמנית.
    4. סדרו את הסיבים האופטיים בצורה מסודרת בצרורות באמצעות מארגני כבלים (ראו איור 2B ואיור 3B). בצע כיול בדיקה ומדידה של עוצמת האות באמצעות תוכנת NIRStar. מיקום וכיול אופטודה המבוצעים על ידי שני חוקרים מנוסים יימשכו כ-10 דקות.
    5. התאימו אופטודות בודדות לפי הצורך עד להשגת איכות אות מספקת על ידי הרחקת שיער מפריע מהאופטודות הבעייתיות. הסירו אופטודות מהפקק כדי להזיז שיער באמצעות פינצטה מפלסטיק (ראו איור 2B).

figure-protocol-13288
איור 2. גלאים למרחקים קצרים וכלים להכנת מכסה fNIRS. (A) גשושיות גלאי למרחקים קצרים וחוצצי גומי שיחוברו למכסה fNIRS מעל אזורים קדמיים שבהם יש שיער מינימלי. (B) משמאל לימין: מארגני כבלים כדי לסדר את הסיבים האופטיים בצרורות, אפליקטורים בטוחים ל-MRI כדי להרחיק את השיער במהלך מיקום האופטודה, ופינצטה מפלסטיק כדי להסיר אופטודות מהפקק במידת הצורך במהלך הגדרת מכסה NIRS כדי להזיז את השיער. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-14052
איור 3. דיגיטציה של חיישן מבנה תלת-ממדי ומיקום מכסה fNIRS. (A) נסיין המשתמש בדיגיטציה של חיישן מבנה תלת-ממדי כדי ליצור מודל תלת-ממדי של ראש המשתתף. מדבקות ירוקות משמשות לזיהוי מיקומים פיקטיביים. (B) סיבים אופטיים המוחדרים למכסה fNIRS שעל ראשו של משתתף ומסודרים בצרורות באמצעות מארגני כבלים לפני כיול האותות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

4. הגדרת משתתף

הערה: השלבים הבאים מתבצעים בחדר סורק MRI. השימוש בחגורת נשימה ובמד דופק אוקסימטר הוא אופציונלי ונחוץ רק אם החוקרים מעוניינים לסגת אותות אלה מנתוני fNIRS22. הפרוטוקול משתמש בחגורת נשימה, שהיא חלק מיחידת הנשימה לרכישת משרעת הנשימה באמצעות חגורת ריסון. באופן דומה, יחידת הדופק הפיזיולוגי מורכבת מחיישן פלטיסמוגרפיה אופטי המאפשר רכישת קצב הלב.

  1. ודא שסליל הראש בן 20 הערוצים ממוקם בסורק. אם משתמשים במערך fNIRS עם ראש שלם, סלילי הראש של 32 ו-64 ערוצים יהיו הדוקים מדי עבור משתתפים בוגרים.
  2. הניחו כרית קצף בתוך החלק התחתון של סליל ראש ה-MRI כדי לתמוך בחלק האחורי של ראש המשתתפים (ראו איור 4A).
  3. בקשו מהמשתתפים לשכב לאט ובזהירות כדי שתנועתם לא תזיז את הפקק ולא תמשוך את הסיבים האופטיים. התאימו את חבילות הסיבים האופטיים לפי הצורך כדי לאפשר לראש המשתתף לנוח בנוחות בתוך סליל הראש (ראו איור 4B). ייתכן שיהיה צורך להרים את שולחן הסורק במהלך שלב זה, בהתאם למיקום הכבלים ממדריך הגלים.
  4. הניחו כרית מתחת לרגלי המשתתפים כדי להבטיח שהמשתתף ירגיש בנוח. הניחו את חגורת הנשימה סביב מותני המשתתף.
  5. בקשו מהמשתתפים להניח את האוזניות מבטלות הרעשים סביב אוזניהם, תוך זהירות לא להפריע למיקום הבדיקה fNIRS. כדי למנוע מהאוזניות להחליק, השתמש ברפידות בטוחות MRI משני צדי הראש בין האוזניות לצד הפנימי של סליל הראש. ניתן להשתמש בכיסוי כרית כדי למנוע מהאוזניות ליצור מגע עם סליל הראש.
  6. הניחו את מד הדופק אוקסימטר על האצבע המורה של היד הלא דומיננטית של הנבדק. אם אתם משתמשים בתיבת כפתורים עבור משימות הניסוי, בקשו מהמשתתפים להחזיק אותה ביד הדומיננטית שלהם. ספק למשתתף הוראות כיצד להשתמש בתיבת הלחצנים.
  7. הניחו את כדור הלחיצה או אזעקת הכפתור על היד הלא דומיננטית של הנבדק והנחו את המשתתף כיצד להשתמש בו. בדוק את האזעקה על ידי בקשת המשתתף ללחוץ עליה.
  8. החלק את המשתתף כמה סנטימטרים לתוך משעמם הסורק כדי ליישר את הראש. מקם את החלק העליון של סליל הראש. לאחר מכן, הכנס את המיקרופון ואת המראה בסליל המתאים תוספות.
  9. החלק את המשתתף באיטיות לתוך בור הסורק תוך אחיזת הסיבים האופטיים. תהליך זה ידרוש שני אנשים, אשר ימוקמו בכל צד של שולחן הסורק. ודא שהסיבים האופטיים מונחים בזהירות לתוך בור הסורק כדי למנוע משיכת האופטודות או צביטת הסיבים בין סליל הראש לבור הסורק.
  10. לאחר אישור עם המשתתף כי הוא מוכן לסשן הסריקה, יש לחזור לחדר הבקרה ולאשר באמצעות אינטרקום אודיו כי המשתתף יכול לשמוע את הנסיין והנסיין יכול לשמוע את המשתתף.

figure-protocol-17185
איור 4. המשתתף מוגדר בסורק MRI. (A) כריות בתוך סליל ראש ה-MR המשמשות לתמיכה בראש המשתתף וסיבים אופטיים המסודרים בצרורות לפני הגדרת המשתתף. (B) משתתף שוכב על מיטת הסורק עם מכסה fNIRS מוכן לבדיקה. החלק העליון של סליל הראש טרם הונח על פני המשתתף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

5. הגדרת סורק וציוד fNIRS לפני הקלטת אותות

  1. במחשב הסורק, בחר את הרצפים המבניים והפונקציונליים הרלוונטיים למחקר. בעת חישוב מודל אור רגישות של נתוני fNIRS, אסוף תמונות T1w ו- T2w כדי לקבל את רזולוציית ניגודיות הרקמה הטובה ביותר.
  2. בדוק את הלוקליזר כדי לוודא מיקום ראש טוב בתוך משעמם הסורק. ודא כי כיסוי מוחי מלא מתקבל מהחלק העליון של הראש אל המוח הקטן.
  3. ודא עם המשתתף שמסך המחשב גלוי דרך מראת סליל הראש.
  4. הפעל את הסריקה המבנית הראשונה. במקביל, הפעל בדיקת כיול נוספת של האופטודות fNIRS כדי לבדוק אם הגדרת המשתתפים השפיעה על עוצמת האות של אחד הערוצים.
  5. לאחר ביצוע סריקת ה-MRI המבנית הראשונה, אספו את רצפי מפת שדות ההד ההדרגתיים וכילו את האוזניות מבטלות הרעשים כדי להבטיח שהאוזניות יוכלו לספק גירויים שמיעתיים למשתתף, כמו גם לחסום רעשי סביבה.
    הערה: ייתכן שחלק מהמשתתפים יצטרכו לכוונן את האוזניות שלהם. אם זה המקרה, היכנס מחדש לחדר הסורק וכוונן את הריפוד סביב האוזניות, תוך זהירות לא להפריע למיקום הבדיקה fNIRS. הפעל לוקלייזר נוסף, רצפי מפת שדה הד הדרגתי ובדיקת כיול של האופטודות fNIRS לפני שתמשיך.

6. הקלטת אותות בו זמנית

  1. בדוק עם המשתתפים באמצעות האינטרקום כדי לוודא שהם מרגישים בנוח ועושים בסדר. ספקו את ההוראות למשימה והזכירו למשתתפים לשמור על ראש וגוף דוממים.
  2. ספקו את ההוראות הבאות, ספציפיות למשימת לוח המשבצות המהבהב (איור 5).
    1. במשימה זו, הנחו את המשתתפים להסתכל תמיד על אמצע מסך התצוגה שנמצא מולם (דרך המראה). לפעמים, המסך יציג לוח דמקה עם אריחים מהבהבים בתדרים שונים. בפעמים אחרות, המשתתף יראה עיגול לבן באמצע המסך.
    2. כאשר העיגול הלבן מופיע על המסך, בקשו מהמשתתף ללחוץ על תיבת הלחצן עם האצבע המורה. לאחר לחיצת הכפתור, העיגול יהפוך לאדום.
    3. משימה זו משתמשת בעיצוב בלוק לסירוגין. תנו למשתתפים להשלים ריצה אחת של 6 דקות, הכוללת 11 בלוקים מהבהבים של 10 שניות כל אחד ו-11 בלוקים מעגליים של 20 שניות כל אחד.
  3. התחל להקליט נתוני fNIRS במחשב fNIRS והתחל משימות במחשב מצגת הגירוי. הסקריפט עבור המשימות הניסיוניות יוצג כהוראות משימה.
  4. התחל את ההפעלה הפונקציונלית הראשונה. ברגע שהסורק שולח את פולס ה-TTL הראשון, הוא יופיע כאות טריגר במסך הקלטת הנתונים של תוכנת NIRStar. פעימה ראשונה זו תתחיל גם את משימת הניסוי.
  5. עקוב אחר הביצועים והתנועה של המשתתפים לאורך כל המשימות. במקרים מסוימים, במיוחד בעת שימוש במערך אופטודה עם ראש שלם וכובעים בגודל קטן, חלק מהמשתתפים עשויים לחוות אי נוחות מסוימת בעת חבישת הכובע. חשוב תמיד לפקח על הנוחות של המשתתף.
    1. במידת הצורך, ספק הפסקה למשתתף באמצע הפגישה. במהלך הפסקה זו, אם המשתתפים צריכים לשבת, לאסוף לוקלייזר ולהריץ שוב את רצפי מפת שדה ההד ההדרגתי, כיול האוזניות וכיול בדיקת fNIRS לפני שתמשיך. שלב זה בדרך כלל אינו נחוץ בעת בדיקת מבוגרים צעירים בסורק אם עוקבים אחר השלבים המדויקים בפרוטוקול הנוכחי.
  6. במהלך איסוף הנתונים, רשום הערות לגבי ההפעלה (למשל, גודל מכסה, שעה ביום, אופטודות שלא כוילו היטב, או כל דבר יוצא דופן).
  7. בסוף כל הריצות הפונקציונליות, הפסק לאסוף נתוני fNIRS. הפעל סריקה מבנית שנייה במידת הצורך.

figure-protocol-20858
איור 5. פרדיגמת לוח דמקה מהבהבת כמשימה ניסיונית. המשתתפים צפו בתבנית לוח משבצות בשחור-לבן עם ריבועים לבנים מהבהבים שמונה פעמים בשנייה לסירוגין עם מסך אפור המציג עיגול לבן. כבדיקת קשב, המשתתפים הונחו ללחוץ על כפתור ביד ימין כאשר ראו עיגול לבן מופיע במרכז המסך. בלחיצה על הכפתור, העיגול הופך לאדום. המשימה הושלמה בריצה אחת שכללה 22 בלוקים בסך הכל: 11 בלוקים מהבהבים של לוח דמקה ו-11 תקופות בין ניסויים. תקופות לוח דמקה מהבהב נמשכו 10 שניות ותקופות בין משפטים נמשכו 20 שניות. לפיכך, תחילת לוח הדמקה המהבהב התרחשה כל 30 שניות (0.033 הרץ). התצוגות נוצרו על ידי PsychoPy v2021.2.4 והוקרנו על המראה הפונה האחורית בחלק העליון של סליל הראש באמצעות מערכת הקרנת DLP 1080p. המשתתפים השלימו ריצה אחת של משימה זו (~ 6 דקות). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

7. ניקוי לאחר ניסוי ואחסון נתונים

  1. השתמש במיטת הסורק הממונעת כדי להסיר באיטיות את המשתתף מבור הסורק, תוך זהירות שלא לצבוט אף אחד מהסיבים האופטיים. הסירו את החלק העליון של סליל הראש ובקשו מהמשתתף לשבת לאט.
  2. הסר את מכסה fNIRS מראשו של המשתתף והסר כל אופטודה מהגרומט המתאים. לעתים קרובות השיער נתקע בגרומט גם לאחר הסרת האופטודות, לכן יש להנחות את המשתתפים להסיר את הכובע לאט ובזהירות.
  3. חלק מהגרומט עלול להשתחרר בתהליך הסרת המכסה. הקפד לאתר את כל חלקי הגרומט ולהחליף את אלה שחסרים לפני סשן הסריקה של המשתתף הבא.
  4. בקש מהמשתתפים להחליק ממיטת הסורק, להודות להם על זמנם ולספק פיצוי כספי, אם רלוונטי.
  5. ודא שיומני משימות, נתוני fNIRS ו-fMRI מאוחסנים ומגובים. יש לחטא את הפקק בתמיסת ניקוי בתרסיס, בהתאם להמלצת ספק fNIRS, ולנגב את קצות האופטודה במגבוני אלכוהול בטוחים לשימוש בפלסטיק וגומי.

8. עיבוד מקדים של נתוני fMRI

הערה: נתוני ה-fMRI עובדו מראש בהתאם לצינורות העיבוד המקדים המינימליים מפרויקט הקונקטום האנושי23 באמצעות QuNex24, חבילת תוכנה בקוד פתוח התומכת בארגון נתונים, עיבוד מקדים, אבטחת איכות וניתוחים בשיטות דימות מוחי. תיעוד מפורט על ההגדרות והפרמטרים הספציפיים עבור כל אחד מהשלבים המודגשים להלן ניתן למצוא באתר QuNex בכתובת https://qunex.yale.edu/. השלבים העיקריים והפרמטרים המשמשים לעיבוד הנתונים מוצגים להלן.

  1. עיבוד מראש של הנתונים המבניים
    1. צינור PreFreeSurfer. בצע את השלבים הבאים: תיקון עיוות הדרגתי, יישור של ריצות חוזרות ונשנות של תמונות T1w ו- T2w עם טרנספורמציית גוף קשיחה של 6 דרגות חופש (DOF), יישור AC-PC של תמונות T1w ו- T2w לתבנית מרחב MNI, חילוץ מוח ראשוני, תיקון עיוות קריאה, רישום צולב מודאלי של T1w ו- T2w במרחב נפח מקורי, תיקון שדה הטיה ורישום נפח לא ליניארי MNI.
    2. צינור גולשים חופשיים. בצע את השלבים הבאים: הורדת דגימה T1w ל- 1mm עם אינטרפולציה spline והפעל recon-all כדי ליצור משטחי חומר לבן, הכולל כוונון עדין של רישום T2w ל- T1w באמצעות אלגוריתם BBRegister של Freesurfer (ראה23 לפרטים נוספים).
    3. צינור PostFreeSurfer. בצע את השלבים הבאים: המר את כל היציאות ל- GIFTI ו- NIFTI במרחב נפח מקורי, צור את מסיכת המוח הסופית ואת נפח הסרט קליפת המוח, צור מפות מיאלין ובצע טרנספורמציית נפח לא ליניארית מקורית ל- MNI.
  2. עיבוד מראש של הנתונים הפונקציונליים
    1. fMRI צינור נפח. בצע את השלבים הבאים: תיקון עיוותים, תיקון תנועה מבוסס FLIRT, עיבוד מקדים של מפת שדה מבוססת TOPUP באמצעות מפת שדה הד ספין, תיקון עיוות תמונה EPI ורישום EPI ל- T1w, דגימה מחדש של ספליין שלב אחד למרחב אטלס (MNI), נורמליזציה של עוצמה באמצעות הסרת שדה הטיה ומיסוך מוח.
    2. צינור fMRI Surface. בצע את השלבים הבאים כדי למפות את סדרת הזמן של אמצעי האחסון לייצוג משולב של נפח ונפח אפור המאוחסן בתבנית CIFTI: בניית רצועת הכלים fMRI, החלקת פני השטח, עיבוד תת-קליפתי ויצירת סדרות זמן צפופות.
    3. הכן נתוני BBOLD. חשב סטטיסטיקות QC כמותיות המשקפות תנועה ותכונותיה המלאכותיות כדי לזהות מסגרות פגומות. עיין בתיעוד QuNex לקבלת האפשרויות הזמינות ליצירת סטטיסטיקות QC כמותיות. נתונים סטטיסטיים אלה כוללים לעתים קרובות נתונים סטטיסטיים מודגשים של אות לרעש וקרצוף תנועה, כגון סף תזוזת מסגרת וסף שגיאה מנורמלת של שורש ממוצע ריבועי (RMSE). בהתאם לקריטריונים הספציפיים למחקר, התעלם או בצע אינטרפולציה של המסגרות הבעייתיות שזוהו.
    4. חלץ אות מטרד. חלץ אותות מטרד מחדרי המוח, החומר הלבן והחומר האפור כדי לבצע רגרסיה של אות מטרד בשלבים הבאים.

9. עיבוד מקדים של נתוני fNIRS

הערה: נתוני fNIRS נותחו בהתאם לשיטות עבודה מומלצות בניתוח נתוני fNIRS25 באמצעות NeuroDOT26, סביבת קוד פתוח לניתוח נתונים אופטיים מרמות אור גולמי למפות ברמת ווקסל של תפקוד המוח, הרשומות במשותף לאנטומיה של משתתף ספציפי או אטלס. ניתן לבצע את כל השלבים המתוארים להלן באמצעות NeuroDOT. תיעוד נוסף על ההגדרות והפרמטרים הספציפיים עבור כל אחד מהשלבים המודגשים להלן ניתן למצוא בערכות הלימוד והסקריפטים ב- https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta. לבסוף, רישום אופטודה לקרקפת דורש קבלת קואורדינטות אופטודה fNIRS ביחס לרקמת המוח הבסיסית, אשר ניתן לעשות זאת באמצעות דיגיטציה תלת ממדית או כמוסות ויטמין E כמו fiducials אם זמין. שתי השיטות מתוארות בסעיף זה ומסופקות הפניות לחבילות התוכנה הרלוונטיות.

  1. יצירת רשת ראש ספציפית לנושא ויצירת מודל האור
    1. פלחו את תמונת T1w לסוגי הרקמות הרלוונטיים כדי ליצור מודל ראש מקוטע: קרקפת, גולגולת, נוזל מוחי שדרתי (CSF), חומר אפור וחומר לבן. השתמש הן בתמונות T1w והן בתמונות T2w, אם זמינות, מכיוון שכל אחת מהן תורמת מידע משלים על סוגי הרקמות הרלוונטיים.
      הערה: שלב זה מבוצע בפרוטוקול הנוכחי עם הפונקציה "Segment5R_fs" של NeuroDOT, אשר לוקחת כקלט מידע מפילוח נפחי28 של Freesurfer. חבילות תוכנה נפוצות אחרות לסגמנטציה של רקמת המוח הן SPM29 ו- AFNI30.
    2. צור רשת ראש ממודל הראש המקוטע באמצעות חבילת התוכנה Mimics באמצעות NeuroDOT. אם נעשה שימוש בדיגיטציה תלת-ממדית כדי למקם את מיקומי האופטודה במודל הראש, פעל בהתאם להמלצות Fieldtrip ללוקליזציה של אופטודה31. לחלופין, אם כמוסות ויטמין E משמשות כפידוקיאלים לזיהוי קואורדינטות של זוגות גלאי מקור, זהה ידנית את מיקומם של המקורות והגלאים בתמונת T1w (ראה דוגמה32 ).
    3. הניחו את מיקומי המקור והגלאים המתקבלים באמצעות הדיגיטציה התלת-ממדית או כמוסות ויטמין E על האתרים הרלוונטיים ברשת באמצעות NeuroDOT.
    4. הגדר את הפרמטרים הבאים לחישוב מטריצת הרגישות עבור מודל הראש הספציפי לנושא באמצעות חבילת התוכנה NIRFAST באמצעות NeuroDOT: רזולוציית ווקסלציה: 2; תוויות אזור: CSF, לבן, אפור, עצם, עור; מקדמי ספיגה לאזורים: CSF [0.004, 0.004], לבן [0.0167, 0.0208]; אפור [0.018 0.0192], עצם [0.0116, 0.0139], עור [0.74, 0.64]; מקדמי פיזור לאזורים: CSF [0.3, 0.3], לבן [1.1908, 1.0107]; אפור [0.8359, 0.6726], עצם [0.94, 0.84], עור [0.64, 0.74], מדד השבירה לאזורים: CSF [1.4, 1.4], לבן [1.4, 1.4]; אפור [1.4, 1.4], עצם [1.4, 1.4], עור [1.4, 1.4].
      הערה: הפרוטוקול משתמש בחבילת התוכנה NIRFAST (גרסה 9.1)33,34, המשתמשת במודל אור קדמי של אלמנט סופי המבוסס על קירוב הדיפוזיה למשוואת התעבורה הקרינתית. כדי לחשב את מודל האור, NIRFAST מסתמך על שלושה סוגי מידע: i) צורת גבול הרקמה, ii) ההתפלגות הפנימית של תכונות אופטיות בסיסיות iii) מיקומם של מקורות וגלאים על פני השטח (ראה 35,36 לפרטים נוספים). ניתן להשתמש בשיטות מונטה קרלו כחלופה לחישוב פתרונות למשוואת הדיפוזיה עבור סוגי רקמות שונים37,38.
    5. דמיינו דוגמה לרגישות המדידה כהערכה איכותית.
  2. עיבוד הנתונים הגולמיים ממדידות גלאי המקור
    1. הצג את רמת האור הממוצעת עבור כל מקור וגלאי בייצוג דו-ממדי של מערך ההדמיה. הסר זוגות של גלאי מקור עם סטיית תקן זמנית גדולה מ- 7.5%36. אם הנתונים מתקבלים בקצב פריימים של 3Hz לפחות, השתמש בסף כוח הלב כדי לדחות מדידות של זוג גלאי מקור מכיוון שצימוד אופטודה-קרקפת טוב יציג מאפיינים התואמים לתדר קצב הדופק (~ 1 הרץ).
    2. בטל את המגמה של הנתונים כדי להסיר את המגמה הליניארית בכל מדידה. מסנן מעבר גבוה (חיתוך של 0.02 הרץ) את הנתונים להסרת סחף בתדר נמוך. במקום סינון, חלופה היא להוסיף גורם סחף לתוך GLM כמו רגרסיור.
    3. מסנן מעבר נמוך (1 הרץ) את הנתונים להסרת תנודות לב.
    4. הערך את האות השטחי הגלובלי על ידי חישוב הממוצע של כל מדידות זוגות גלאי המקור בקוטר 8 מ"מ. השתמש במדידות למרחקים קצרים כהערכה של אותות פיזיולוגיים מערכתיים שאינם קליפת המוח מכיוון שהם דוגמים בעיקר קרקפת וגולגולת.
    5. להוציא את האות הגלובלי מכל המדידות39.
    6. סינון במעבר נמוך של הנתונים (חיתוך של 0.5 הרץ) כדי למקד עוד יותר את הנתונים הנותרים סביב תדירות הגירוי ודגימה מופחתת של הנתונים ל- 1 הרץ40,41,42 על מנת להפחית את העומס החישובי.
    7. יישום צנזור תנועה באמצעות השונות הגלובלית של הנגזרות הטמפורליות (GVTD) מהלך זמן43. GVTD מחושב כריבוע ממוצע השורש של הנגזרות הטמפורליות על פני קבוצת מדידות או ווקסלים43. יישם צנזורה או קרצוף של תנועה על-ידי אי הכללת נקודות הזמן העולות על סף הרעש של GVTD.
  3. שחזור מודל האור והנתונים המעובדים מראש לנפח הדמיה מוחית תפקודית
    1. שחזור שינויים יחסיים בבליעה ב-785 ננומטר וב-830 ננומטר בהתבסס על היפוך מוסדר של מטריצת הרגישות באמצעות רגולציית טיחונוב וויסות משתנה מרחבית44.
    2. חישוב שינויים יחסיים בריכוז המוגלובין באמצעות פירוק ספקטרלי של נתוני בליעה תלויי אורך גל44,45.

10. ניתוחי נתונים מעוררי משימות fMRI/fNIRS

  1. הפעל ניתוח GLM ברמה ראשונה של מפגש אחד (מידול HRF, רגרסיה של אותות פיזיולוגיים, כולל מדידות fNIRS למרחקים קצרים) כדי להעריך כיצד פעילות המוח קשורה להשערה הסטטיסטית עבור נבדק נתון.
    הערה: חלופה ל-GLM היא ממוצע בלוקים, אשר נמנע מהנחות אפריוריות לגבי צורת HRF. ממוצע בלוקים, לעומת זאת, אינו מאפשר מידול גורמים מבלבלים רלוונטיים באות fNIRS יחד עם התגובה ההמודינמית לגירוי.
  2. הפעל ניתוח GLM קבוצתי או ברמה שנייה כדי לשלב הערכות ברמה הראשונה של הפעלה בין נושאים.
  3. חלץ הערכות השפעה רלוונטיות מקבצי GLM בודדים ושלב אותם לקבצים קבוצתיים.
  4. חשב סטטיסטיקה רצויה. חבילה מבוססת היטב להפעלת שיטות דגימה מחדש של תמורות של מודלי GLM חד-משתניים ורב-משתנים לצורך הסקה סטטיסטית היא FSL PALM46.
  5. קבל הערכות בטא של GLM לכל המוח.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

סעיף זה מציג תגובות מייצגות ספציפיות לנושא עבור משימת לוח המשבצות עבור אותות fMRI ו-fNIRS. ראשית, נתוני fNIRS גולמיים מייצגים והערכות איכות מוצגים באיור 6 ובאיור 7 כדי להמחיש את ההיתכנות של מערך הניסוי למדידת אותות fNIRS בסביבת MRI. תרשים של כל מערך אופטודות ה?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

פרוטוקול זה לאיסוף נתונים סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS משתמש במערך אופטודות fNIRS של ראש שלם ובערוצים למרחקים קצרים למדידה ונסיגה החוצה של אותות פיזיולוגיים מערכתיים שאינם קליפת המוח. צעדים קריטיים בפרוטוקול זה כוללים שינוי ופיתוח של ציוד fNIRS לאיסוף אותות fNIRS בסביבת MRI. למיטב ידיעתנו, אין מערכת...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

דמי הפרסום עבור מאמר זה ממומנים על ידי NIRx. למחברים אין שום דבר אחר לחשוף.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך על ידי מקורות המימון הבאים: מענק פרס חוקר צעיר של NARSAD מהקרן לחקר המוח וההתנהגות (מענק #29736) (SSA), מענק אתגרים גדולים גלובליים מקרן ביל ומלינדה גייטס (מענק #INV-005792) (RNA) ומענק קרן דיסקברי מהמחלקה לפסיכולוגיה באוניברסיטת ייל (RNA). המחברים מבקשים גם להודות לריצ'רד ווטס (מרכז דימות המוח של ייל) על תמיכתו במהלך איסוף הנתונים ולאדם אגברכט, ארי סגל ואמה ספה (אוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס) על עזרתם בניתוח נתונים.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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. , 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

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

Request Permission

Explore More Articles

FMRIFNIRSFNIRS

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