Tüm kafa optode dizisi ve kısa mesafeli kanallar kullanılarak fMRI ve fNIRS ölçümlerinin eş zamanlı veri toplanması

Özet

Tüm kafa fNIRS kapsamı ile aynı deneklerden fMRI ve fNIRS sinyallerini aynı anda toplamak için bir yöntem sunuyoruz. Protokol üç genç yetişkinle test edilmiştir ve gelişimsel çalışmalar ve klinik popülasyonlar için veri toplama için uyarlanabilir.

Özet

Fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopisi (fNIRS), fonksiyonel manyetik rezonans görüntülemeden (fMRI) daha sağlam ve daha uygun maliyetli olan taşınabilir bir nörogörüntüleme metodolojisidir, bu da onu beyin fonksiyonunun doğal çalışmalarını yürütmek ve gelişimsel ve klinik popülasyonlarla kullanım için son derece uygun hale getirir. Hem fNIRS hem de fMRI metodolojileri, fonksiyonel beyin aktivasyonu sırasında serebral kan oksijenasyonundaki değişiklikleri tespit eder ve önceki çalışmalar, iki sinyal arasında yüksek uzamsal ve zamansal yazışmalar göstermiştir. Bununla birlikte, aynı deneklerden aynı anda toplanan iki sinyalin tüm kafa fNIRS kapsamı ile nicel bir karşılaştırması yoktur. Bu karşılaştırma, alan düzeyinde aktivasyonları ve işlevsel bağlantıyı fMRI altın standardına karşı kapsamlı bir şekilde doğrulamak için gereklidir ve bu da yaşam süresi boyunca iki sinyalin karşılaştırılmasını kolaylaştırma potansiyeline sahiptir. Bu boşluğu, fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı veri toplanması için bir protokol tanımlayarak ele alıyoruz: i) tüm kafa fNIRS kapsamı sağlar; ii) kortikal olmayan, sistemik fizyolojik sinyalin gerilemesi için kısa mesafeli ölçümleri içerir; ve iii) fNIRS ölçümlerinin optode-kafa derisi birlikte kaydı için iki farklı yöntem uygular. Üç denekten elde edilen fMRI ve fNIRS verileri sunulmuş ve protokolün gelişimsel ve klinik popülasyonları test etmek için uyarlanması için öneriler tartışılmıştır. Yetişkinlerle yapılan mevcut kurulum, hem işlevsel hem de yapısal taramaları içeren ortalama yaklaşık 40 dakikalık tarama oturumlarına izin verir. Protokol, fNIRS ekipmanını manyetik rezonans (MR) ortamında kullanım için uyarlamak için gereken adımları ana hatlarıyla belirtir, hem veri kaydı hem de optod-kafa derisi ortak kaydı için öneriler sunar ve mevcut MR güvenli fNIRS sisteminin özelliklerine uyacak şekilde protokolün olası değişikliklerini tartışır. Yanıp sönen bir dama tahtası görevinden elde edilen temsili konuya özel yanıtlar, MR ortamında tüm kafa fNIRS sinyallerini ölçmek için protokolün fizibilitesini göstermektedir. Bu protokol, yaşam süresi boyunca fMRI'ye karşı fNIRS sinyallerini doğrulamakla ilgilenen araştırmacılar için özellikle geçerli olacaktır.

Giriş

Bilişsel işlev, yetişkin insan beyninde yaklaşık otuz yıldır fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) yoluyla incelenmiştir. Her ne kadar fMRI yüksek uzamsal çözünürlük ve hem fonksiyonel hem de yapısal görüntüler sağlasa da, natüralist bağlamlarda yürütülen çalışmalar için veya bebekler ve klinik popülasyonlarla kullanım için genellikle pratik değildir. Bu kısıtlamalar beyin fonksiyonlarını anlamamızı önemli ölçüde sınırlar. fMRI'ya bir alternatif, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopisi (fNIRS)^1,2,3 gibi daha uygun maliyetli ve harekete dayanıklı taşınabilir metodolojilerin kullanılmasıdır. fNIRS, dil gelişimi, sosyal olarak ilgili bilgilerin işlenmesi ve nesne işleme gibi bir dizi bilişsel alanda beyin fonksiyonlarını değerlendirmek için bebeklerde ve küçük çocuklarda kullanılmıştır ^4,5,6. fNIRS ayrıca, ^7,8,9 yaşları arasında tekrarlanan test ve izleme potansiyeli nedeniyle özellikle klinik popülasyonları test etmek için uygun bir nörogörüntüleme yöntemidir. Geniş uygulanabilirliğine rağmen, aynı deneklerden aynı anda toplanan fMRI ve fNIRS sinyallerini kantitatif olarak karşılaştıran hiçbir çalışma yoktur. Bu karşılaştırma, fMRI altın standardına göre ilgi bölgeleri (ROI'ler) arasındaki alan düzeyinde aktivasyonları ve işlevsel bağlantıyı kapsamlı bir şekilde doğrulamak için gereklidir. Ayrıca, bu modaliteler arası yazışmanın kurulması, hem tipik hem de atipik gelişimde toplanan tek sinyal olduğunda fNIRS'nin yorumlanmasını geliştirme potansiyeline sahiptir.

Hem fMRI hem de fNIRS sinyalleri, fonksiyonel beyin aktivasyonu sırasında serebral kan oksijenasyonundaki (CBO) değişiklikleri tespit eder^10,11. fMRI, elektromanyetik alanlardaki değişikliklere dayanır ve CBO değişikliklerinin yüksek uzamsal çözünürlüğünü sağlar¹². fNIRS, aksine, bir dizi ışık yayan ve ışık algılayan optod² kullanarak yakın kızılötesi ışığın absorpsiyon seviyelerini ölçer. fNIRS, farklı dalga boylarında absorpsiyon değişikliklerini ölçtüğünden, hem oksi- hem de deoksihemoglobindeki konsantrasyon değişikliklerini değerlendirebilir. Az sayıda optod ile fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı kayıtlarını kullanan önceki çalışmalar, iki sinyalin yüksek uzamsal ve zamansal yazışmaya sahip olduğunu göstermiştir¹⁰. Kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD) fMRI ile optik ölçümler^11,13 arasında güçlü korelasyonlar vardır ve deoksihemoglobin, fNIRS ve fMRI hemodinamik yanıt fonksiyonlarının (HRF'ler) zamansal dinamiklerini karşılaştıran önceki çalışmalarda bildirildiği gibi, BOLD yanıtı ile en yüksek korelasyonu ^{göstermektedir14}. Bu erken çalışmalar, motor tepki paradigmalarını (yani parmakla dokunma) uyguladı ve birincil motor ve premotor korteks alanlarını kapsayan sınırlı sayıda optod kullandı. Son on yılda, çalışmalar, belirli yatırım getirilerini kapsayan sınırlı sayıda optod kullanmasına rağmen, odağı daha geniş bir bilişsel görevler ve dinlenme durumu oturumları dizisini içerecek şekilde genişletti. Bu çalışmalar, fNIRS / fMRI korelasyonlarındaki değişkenliğin, optodun kafa derisinden ve beyinden uzaklığına bağlı olduğunu göstermiştir¹⁵. Ayrıca, fNIRS, fMRI^16,17 ile karşılaştırılabilir dinlenme durumu fonksiyonel bağlantı önlemleri sağlayabilir.

Mevcut protokol önceki çalışmalara dayanmaktadır ve i) tüm kafa fNIRS kapsamı sağlayarak, ii) kortikal olmayan fizyolojik sinyallerin gerilemesi için kısa mesafeli ölçümler dahil ederek, iii) fNIRS ölçümlerinin optoddan kafa derisine birlikte kaydı için iki farklı yöntem uygulayarak ve iv) iki bağımsız oturumda sinyalin test-tekrar test güvenilirliğinin değerlendirilmesini sağlayarak temel sınırlamaları ele almaktadır. fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı veri toplaması için bu protokol başlangıçta genç yetişkinleri test etmek için geliştirilmiştir. Bununla birlikte, çalışmanın amaçlarından biri, daha sonra gelişimsel popülasyonları test etmek için uyarlanabilecek eşzamanlı fMRI / fNIRS sinyallerini toplamak için deneysel bir düzenek oluşturmaktı. Bu nedenle, mevcut protokol, küçük çocukları test etmek için bir protokol geliştirmek için bir başlangıç noktası olarak da kullanılabilir. Protokol, tüm kafa fNIRS kapsamını kullanmanın yanı sıra, sistemik fizyolojik sinyali (yani, kan basıncı, solunum ve kalp sinyalleri gibi kortikal olmayan kaynaklardan kaynaklanan vasküler değişiklikler) ölçmek için kısa mesafeli kanalların dahil edilmesi gibi fNIRS donanımı alanındaki son gelişmeleri de dahil etmeyi ^{amaçlamaktadır18,19} ; ve optode-kafa derisi ortak kaydı için bir 3D yapı sensörünün kullanımı²⁰. Mevcut protokolün odak noktası görsel olarak yanıp sönen bir dama tahtası görevinin sonuçları olsa da, tüm deney geleneksel blok görev tasarımları, dinlenme durumu oturumları ve doğal film izleme paradigmalarının bir karışımını içeren iki oturum içerir.

Protokol, kapak tasarımı, tetik senkronizasyonu yoluyla zamansal hizalama ve veri toplamaya başlamadan önce gerekli fantom testleri dahil olmak üzere fNIRS ekipmanını MRI ortamında kullanılmak üzere uyarlamak için gereken adımları açıklar. Belirtildiği gibi, buradaki odak noktası, yanıp sönen dama tahtası görevinin sonuçlarıdır, ancak genel prosedür göreve özgü değildir ve herhangi bir sayıda deneysel paradigma için uygun olabilir. Protokol ayrıca, fNIRS kapak yerleştirme ve sinyal kalibrasyonu, katılımcı ve deneysel ekipman kurulumunun yanı sıra deney sonrası temizleme ve veri depolamayı içeren veri toplama sırasında gerekli adımları özetlemektedir. Protokol, fNIRS ve fMRI verilerinin ön işlenmesine özgü analitik işlem hatlarına genel bir bakış sağlayarak sona erer.

Protokol

Araştırma, Yale Üniversitesi'ndeki Kurumsal İnceleme Kurulu (IRB) tarafından onaylandı. Tüm denekler için bilgilendirilmiş onam alındı. Denekler, güvenli katılımlarını sağlamak için MRI taramasından geçmek zorunda kaldılar. Bilişsel işlevi (yani nörobilişsel veya depresif bozukluk, travma, şizofreni veya obsesif-kompulsif bozukluk) etkileyebilecek ciddi bir tıbbi veya nörolojik bozukluk öyküsü varsa dışlandılar.

NOT: Mevcut protokol, 100 uzun mesafeli kanal ve 8 kısa mesafeli kanala sahip bir CW-NIRS cihazı kullanır (32 lazer diyot kaynağı, λ = 785/830 nm, ortalama 20mW / dalga boyu gücü ve 38 çığ fotodiyot dedektörü) 1.95 Hz'de örneklenmiştir. MRI ve fMRI taramaları, 20 kanallı bir kafa bobini kullanılarak bir Siemens 3 Tesla Prisma tarayıcısında toplandı. Tüm veriler Yale Beyin Görüntüleme Merkezi'nde (https://brainimaging.yale.edu/) toplandı. Eşzamanlı fMRI ve fNIRS verilerini toplamak için sisteme özgü değişiklikler protokol boyunca not edilir.

1. Eşzamanlı veri toplama için fNIRS ekipman modifikasyonları ve geliştirilmesi

NOT: 3'ten 6'ya kadar olan adımlar NIRScoutXP sistemine özgüdür ve edinme yazılımındaki farklılıklar ve optode değerlendirmesi için mevcut fantomlar nedeniyle diğer fNIRS sistemleri için geçerli olmayabilir.

1. fNIRS kapaklarının hazırlanması
   1. Çalışma için gerekli olan fNIRS kapaklarını belirleyin. Yetişkin bir çalışma için, aşağıdaki kapak boyutlarının mevcut olduğundan emin olun (cm cinsinden): 54, 56, 58 ve 60.
   2. NOT: Kapak boyutları, bu protokolde kullanılan sisteme özeldir. Bu nedenle, farklı NIRS sistemleri için gereken belirli boyutlarda farklılıklar olabilir.
   3. E vitamini kapsülleri ve su itici bir malzeme (örneğin, PU kaplamalı naylon kumaş) kullanarak, referansları hazırlayın. Kapsülleri tercih edilen malzeme ile sarın ve referansları seçilen alanlara dikin (veya yapıştırın) (bkz. Şekil 1A). E vitamini kapsülleri, T1w görüntüsünü kullanarak altta yatan beyin dokusuna göre fNIRS kanallarının konumunu belirlemek için referans belirteçleri olarak hizmet eder.
   4. Optode dizisine ve ortak kayıt yöntemine bağlı olarak referans sayısını belirleyin. Bazı çalışmalar sadece birkaç anatomik işaretin tespit edilmesini gerektirirken, diğerleri her optodun yanına referansların yerleştirilmesinden fayda sağlayabilir.
   5. fNIRS kapağı başın arkasında çok gevşekse, kapağın ayarlanabilirliğini artırmak için elastik kumaş (önceden kesilmiş ilikli) ve düğmeler kullanarak kapağın her iki tarafına iki kayış takın. Katılımcılar arasında ve kapağın ne kadar sıkı olduğuna bakılmaksızın, tutarlı bir kapak kurulumu sağlamak için kayışları sabitleyin.
   6. Kapağın önü alnında çok sıkıysa, ciltle doğrudan temas halinde olan optodların üzerine lastik tamponlar yerleştirin. fNIRS tedarikçisi tampon sağlamıyorsa, bunları keçe kumaş çıkartmaları kullanarak oluşturun. Kauçuk tamponlar kullanıyorsanız, tutarlı bir kapak kurulumu sağlamak için kapak uyumundan bağımsız olarak bunları tüm katılımcılar için kullanın. Kauçuk tamponlardaki bileşenlerin, MR görüntülerindeki artefaktlara karşı koruma sağlamak için metalik bileşenler içermediğinden emin olun.
2. MRI kontrol ve tarayıcı odalarında fNIRS ekipmanının kurulması
   1. fNIRS cihazını kontrol odasına, tarayıcı odasına giden dalga kılavuzlarından birinin yakınına yerleştirin. Fiber uzunluğunu en üst düzeye çıkarmak için fNIRS cihazının dalga kılavuzlarına mümkün olduğunca yakın olmasını sağlamak için gerekirse yükseltilmiş bir yüzey (örn. bir basamaklı tabure) kullanın.
   2. Örgü kablo ağını kullanarak, optik fiberleri gruplar halinde demetleyin. Bu grupları seçilen optode dizisine göre belirleyin. İdeal olarak, optik fiberler, gruptaki tüm optodlar başın aynı tarafına (sol ve sağ) yerleştirilecek şekilde gruplandırılacaktır.
   3. Optik fiberleri fNIRS cihazına bağlayın ve demetleri dalga kılavuzları aracılığıyla tarayıcı odasına yönlendirin. Optik fiberleri sipariş etmeden önce, optik fiberlerin uzunluğunun yeterli olacağından emin olmak için fNIRS cihazı ile tarayıcı deliğinin merkezi arasındaki mesafeyi ölçün.
   4. Optik fiberleri tarayıcı masasına getirin. Fiberlerin ağırlığının fiberlerin sarkmasına neden olmamasını sağlamak ve kapağı deneğin kafasından çekmelerini önlemek için optik fiberleri tutmak için MRI güvenli bir köprü kullanın (bkz. Şekil 1B).
3. Paralel bağlantı noktası çoğaltıcısı kutusunu ayarlama
   1. NIRStar yazılımının en son sürümünü fNIRS veri toplama bilgisayarına yükleyin.
   2. Paralel bağlantı noktası çoğaltıcısını, üreticinin tetikleme kılavuzunda belirtildiği gibi tarayıcıdan transistör-transistör Logic (TTL) benzeri darbeyi ileten kabloya bağlayın (sürüm R2.1; bkz. Şekil 1C). TTL darbesi, doğrudan tarayıcıdan gönderilen bir dilim zamanlama darbesine karşılık gelir. Tarayıcı bir darbe gönderirken, LED göstergelerden biri yanacaktır.
   3. Paralel bağlantı noktası çoğaltıcı kutusunu bir paralel bağlantı noktası girişi aracılığıyla fNIRS aygıtına bağlayın. Bu, tarayıcıdan bir TTL darbesi algılandığında NIRStar yazılımına bir tetikleyici gönderecektir. Tetikleme sinyali, veri toplama kayıt ekranına noktalı bir çizgi olarak yansıtılacaktır. Bu kurulum, fNIRS ve fMRI veri toplamanın senkronizasyonunu sağlar, çünkü tarayıcıda her dilim zamanlama darbesi toplandığında, bu, NIRStar toplama yazılımı tarafından kaydedilen fNIRS veri akışına yansıtılacaktır.
4. Optod değerlendirmesi için statik fantomun hazırlanması
   1. Optodları fNIRS tedarikçisi tarafından sağlanan statik fantom cihazına yerleştirin. Fantom üzerindeki optodların düzenlenmesi, fNIRS cihazının tipine ve mevcut kaynak ve dedektör sayısına bağlı olacaktır. Sağlayıcının üreticiden başlangıç kılavuzunda doğru optode düzenlemesini kontrol edin.
   2. Fantomun herhangi bir ışık kaynağından tamamen korunduğundan emin olun. Bazı tedarikçiler, optodları herhangi bir harici ışık kaynağından korumaya yardımcı olan bir bağlantı kutusu sağlar.
   3. Mevcut tüm kaynakları ve dedektör demetlerini, belirtilen optode düzenlemesine göre fNIRS fantomuna takın.
   4. fNIRS fantomunu alım bilgisayarına bağlayın ve NIRStar alım yazılımını başlatın.
5. Fantom karanlık gürültü enstrüman testi gerçekleştirme
   1. NIRStar edinme yazılımının Donanımı Yapılandır menü öğesi altında, Kanal Kurulumu sekmesini açın. Kaynak Sayısı ve Dedektör Sayısı altında toplam kullanılabilir kaynak ve dedektör sayısının doğru ayarlandığından emin olun. Tamam'a tıklayarak bu ayarları onaylayın.
   2. Ana NIRStar pencere menüsündeki Teşhis menü öğesine tıklayarak karanlık gürültü testi penceresini başlatın.
   3. Testi Çalıştır düğmesine basarak testi çalıştırın. Sonuçları Kaydet düğmesine basarak test sonuçlarını kaydedin.
      NOT: Sonuçların nasıl yorumlanacağı hakkında rehberlik için üreticinin "Başlangıç Kılavuzu: Statik Fantom Sorunlarını Giderme" bölümüne bakın.
6. Fantom kalibrasyon testi gerçekleştirme
   1. NIRStar edinme yazılımındaki Donanımı Yapılandır menü öğesi altında, Kanal Kurulumu sekmesini açın. Kaynak Sayısı ve Dedektör Sayısı altında toplam kullanılabilir kaynak ve dedektör sayısının doğru ayarlandığından emin olun.
   2. Donanımı Yapılandır menü öğesinin altında, Kanal Maskeleme sekmesini açın. Tümünü Seç düğmesine basarak tüm kanalları maskeleyin.
   3. Donanımı Yapılandır menü öğesinin altında, Donanım Belirtimi sekmesinde, Etüt Türü'nün altında Statik Fantom'u seçin. Tamam'a tıklayarak bu ayarları onaylayın.
   4. Kalibre Et düğmesine basarak kalibrasyonu başlatın. Kalibrasyon tamamlandıktan sonra, ayrıntılı kalibrasyon sonuçlarını görüntülemek için Ayrıntılar düğmesine basın.
      NOT: Sonuçların nasıl yorumlanacağı hakkında rehberlik için üreticinin "Başlangıç Kılavuzu: Statik Fantom Sorunlarını Giderme" bölümüne bakın.

Şekil 1. fMRI ve fNIRS ölçümlerinin eşzamanlı veri toplama ekipmanı. (A) Her optoda bitişik fNIRS kapağına dikilmiş E vitamini kapsüllerini saklamak için siyah, su itici malzemeden yapılmış kese. (B) Veri toplama sırasında katılımcının kafasına ulaşabilmeleri için optik fiberleri zeminin üzerinde tutmak için MRI güvenli köprü. (C) Darbeleri tarayıcıdan fNIRS cihazına ileten paralel bağlantı noktası çoğaltıcısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Deneysel görev tasarımı

1. Katılımcının tarayıcı içindeki rahatlığını göz önünde bulundurarak tarama oturumunun süresine karar verin. Örneğin, burada vurgulanan çalışma, toplam yaklaşık 14 dakikalık bir süre için iki yapısal görüntü (T1w ve T2w) ve yaklaşık 25 dakikalık ek bir süre için beş işlevsel çalışma içerir.
   NOT: Çalışmaya özgü faktörler (örneğin, katılımcının yaşı, kapak boyutu) rahatlık düzeyini belirleyeceğinden, çalışmanın uygun uzunluğunu belirlemek için çalışmanın birkaç katılımcıyla pilot olarak uygulanması gerekli olacaktır.
2. Nörogörüntüleme görevlerini araştırma hedefleri doğrultusunda tasarlar. Bu çalışmaya özel olacaktır. Burada, yanıp sönen bir dama tahtası görevinin prosedürü (ve temsili sonuçları) sunulmaktadır.

3. Test gününde fNIRS kapak yerleşimi ve sinyal kalibrasyonu

NOT: Aşağıdaki tüm adımlar, aksi belirtilmedikçe MRG kontrol veya onam odalarında gerçekleştirilir.

1. Kafa ölçümlerinin toplanması ve fNIRS kapağının seçimi
   1. Katılımcı ilgili onay formlarını imzaladıktan ve gelecek görevler için talimatları aldıktan sonra, onları kontrol odasında bulunan bir sandalyeye oturmaya yönlendirin.
   2. Standart bir yumuşak ölçüm bandı kullanarak, bandı katılımcının başının mümkün olan en geniş çevresine sarın; alnın en belirgin kısmından (genellikle kaşın 1 veya 2 parmak üstünde) başın arkasının en geniş kısmına ve çevresine kadar. En geniş çevreyi bulmaya çalışın.
   3. Ölçülen çevreye en yakın kapak boyutunu seçin.
2. Kısa mesafe dedektör problarının kapağa takılması
   NOT: Bu adım NIRx sistemlerine özgüdür ve diğer fNIRS aygıtları için geçerli olmayabilir.
   1. Kısa mesafeli dedektör problarını, tabanı sıkıca kavrayarak ve rondelanın fNIRS kapağının ağından geçen kısmının etrafında kaydırarak yerleştirin (bkz. Şekil 2A). Kabloya zarar verebileceğinden kısa mesafe dedektör problarını kablodan çekmemeye dikkat edin.
      NOT: Probların dağılımına karar verirken, lütfen tam kafa ile ROI'ye özgü dağılımları karşılaştıran son çalışmalara bakın¹⁸.
   2. Gerekirse kablo yönetimi için üretici tarafından sağlanan fiber düzenleyici klipsleri kullanın. Yüzün etrafındaki alanı temiz tutmak için kısa mesafe dedektör kablolarının kapağın arkasına doğru yönlendirildiğinden emin olun.
3. fNIRS başlığının ve optodların katılımcının kafasına yerleştirilmesi
   1. Katılımcıdan, sanki bir kış şapkası takıyormuş gibi, başının üstünden aşağı doğru kaydırarak şapkayı takmasını isteyin. Kapağın düz olduğundan ve kulakların kulak deliklerinde olduğundan emin olun.
   2. Katılımcıdan çene kayışını rahat olduğu kadar sıkmasını isteyin. Arka kayışları sıkın ve kapağın güvenli bir şekilde takıldığından ve optode soketlerinin kafaya sıkı oturduğundan emin olun.
   3. 10-20 sistem pozisyonuna (inion, nasion, kulak öncesi kulak öncesi noktalar ve Cz) göre önemli referans konumlarını işaretlemek için yeşil çıkartmalar ^{yerleştirin21}.
      NOT: Kaynak ve dedektör optod konumlarının uzamsal koordinatlarını belirlemek için 3D yapı sensörü kullanılıyorsa yeşil etiketler gereklidir. Bu, 3D yapı sensörü tipine bağlı olarak değişebilir. Mevcut protokol, Occipital^20'den bir yapı sensörü (Mark II) kullanır.
   4. Bir mezura kullanarak, i) kulak öncesi noktaların Cz noktasından eşit uzaklıkta olduğundan ve ii) inion ve nasion noktasının Cz noktasından eşit uzaklıkta olduğundan emin olarak kapak üzerindeki noktaları kafa derisi noktalarıyla simetrik olarak hizalayın. Kapak konumunun tüm katılımcılar için aynı olduğundan emin olun.
4. Bir 3D yapı sensörü sayısallaştırıcı kullanarak katılımcının kafasının bir modelini elde etme
   1. Katılımcıya kafasının 3B modelini oluşturmak için hareketsiz oturmasını söyleyin.
   2. Uygulamayı aç yapı bir tablet veya iPad'de.
      NOT: Protokol, Occipital^20'den yapı sensörü (Mark II) ile bir kafa ağı oluşturmak için gereken adımları açıklar. Bu adımlar sistemler arasında farklılık gösterebilir.
   3. Aşağıdaki ayarların kapalı olduğundan emin olun: Yüksek çözünürlüklü renk, IR otomatik pozlama ve Geliştirilmiş izleyici.
   4. Katılımcıyı, kafasının tamamı ekrandaki 3B karenin içinde kalacak, kafasının tamamı işlenecek ve çerçevede çok fazla omuz olmayacak şekilde ortalayın.
   5. 3D taramayı oluşturmak için katılımcının etrafında dikkatlice 360° yürüyüş yapın. Devam etmeden önce uygulamanın görüntüyü yaklaşık olarak her 90°'de bir yakalamasını bekleyin (bkz. Şekil 3A).
   6. Tüm tarama yakalandıktan sonra, 3D oluşturmayı oluşturmak için ekranın sağındaki düğmeye basın.
   7. Net olduğundan ve optodların ve yeşil referans çıkartmalarının yerleşimini belirlemek için yeterli ayrıntı olduğundan emin olmak için işlemeyi kontrol edin. 3D taramayı HIPAA korumalı bir sunucuda saklayın.
5. Katılımcıyı tarayıcı odasına girmeye hazırlama
   1. 3D model oluşturulduktan sonra yeşil çıkartmaları çıkarın ve katılımcıdan kulaklarına kulak tıkacı takmasını söyleyin.
   2. Katılımcının tarayıcı odasına girmek için güvenli olduğundan emin olmak için MR görüntüleme merkezinde bulunan talimatları izleyin. Bu adım genellikle katılımcının vücudunda metal bulunmadığını doğrulamayı ve son kontrol olarak bir metal dedektöründen geçmeyi içerir. Varıştan önce denek tarafından doldurulan bir MRI güvenlik anketi, çoğu görüntüleme merkezi tarafından sıklıkla istenir.
6. Kaynak ve dedektör problarının fNIRS kapağına yerleştirilmesi
   1. Tarayıcı odasında, katılımcıyı tarayıcı masasına rahatça oturması için yönlendirin.
   2. Her bir optode rondelayı bir elinizle stabilize ederken, diğer elinizle saçı rondelanın ortasından uzaklaştırmak için MRI güvenli bir aplikatör kullanın (bkz. Şekil 2B). Saç, alandan yeterince dışarı çıkarıldığında (ideal olarak kafa derisi görünecek şekilde), optode'u rondelaya sıkıca bastırın.
   3. Rondela üzerindeki gerginlik serbest bırakıldıktan sonra saçın optodun merkezini tıkamak için geri dönmediğinden emin olun. Tam kafa dizisi kullanılıyorsa, başın arkasındaki optodların lifleri öne doğru yönlendirilecek şekilde ve başın önündeki optodların lifleri arkaya bakacak şekilde yönlendirilmesi önerilir. Optik fiberlerin bu konfigürasyonu, katılımcı uzandığında ve başını MRI kafa bobinine yerleştirdiğinde bunların dolaşmasını veya kıvrılmasını önleyecektir.
      NOT: Bu fiber ekleme ve hizalama işlemi, katılımcının her iki yanında bulunan ve aynı anda kapatan iki deneyci ile daha hızlı ve kolay bir şekilde gerçekleştirilir.
   4. Kablo düzenleyicileri kullanarak optik fiberleri demetler halinde düzgün bir şekilde düzenleyin (bkz. Şekil 2B ve Şekil 3B). NIRStar yazılımını kullanarak bir test kalibrasyonu ve sinyal gücü ölçümü gerçekleştirin. İki deneyimli araştırmacı tarafından gerçekleştirilen optode yerleştirme ve kalibrasyonu yaklaşık 10 dakika sürecektir.
   5. Parazit yapan saçları sorunlu optodlardan uzaklaştırarak yeterli sinyal kalitesi elde edilene kadar tek tek optodları gerektiği gibi ayarlayın. Plastik cımbız kullanarak saçı yerinden çıkarmak için optodları kapaktan çıkarın (bkz. Şekil 2B).

Şekil 2. fNIRS kapak hazırlığı için kısa mesafe dedektörleri ve araçları. (A) Kısa mesafeli dedektör probları ve kauçuk tamponlar, minimum saçın olduğu ön alanlar üzerinde fNIRS kapağına takılacaktır. (B) Soldan sağa: Optik fiberleri demetler halinde düzenlemek için kablo düzenleyiciler, optod yerleştirme sırasında saçı uzaklaştırmak için MRI güvenli aplikatörler ve gerekirse saçı yerinden çıkarmak için NIRS kapak kurulumu sırasında optodları kapaktan çıkarmak için plastik cımbız. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3. 3D Yapı sensörü sayısallaştırıcı ve fNIRS kapak yerleşimi. (A) Katılımcının kafasının 3B modelini oluşturmak için 3B yapı sensörü sayısallaştırıcısını kullanan deneyci. Yeşil etiketler, referans konumlarını tanımlamak için kullanılır. (B) Bir katılımcının kafasındaki fNIRS kapağına yerleştirilen ve sinyal kalibrasyonundan önce kablo düzenleyiciler kullanılarak demetler halinde düzenlenen optik fiberler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Katılımcı kurulumu

NOT: Aşağıdaki adımlar MRI tarayıcı odasında gerçekleştirilir. Bir solunum kemeri ve nabız oksimetresinin kullanımı isteğe bağlıdır ve yalnızca araştırmacılar bu sinyalleri fNIRS verilerinden geri çekmekle ilgileniyorlarsa gereklidir²². Protokol, bir kısıtlama kemeri kullanılarak solunum genliğinin elde edilmesi için solunum ünitesinin bir parçası olan bir solunum kemeri kullanır. Benzer şekilde, fizyolojik nabız ünitesi, kardiyak ritmin elde edilmesini sağlayan bir optik pletismografi sensöründen oluşur.

1. 20 kanallı kafa bobininin tarayıcıya yerleştirildiğinden emin olun. Tam başlı bir fNIRS dizisi kullanılıyorsa, 32 ve 64 kanallı kafa bobinleri yetişkin katılımcılar için çok sıkı olacaktır.
2. Katılımcının başının arkasını desteklemek için MRI kafa bobininin altına bir köpük yastık yerleştirin (bkz. Şekil 4A).
3. Katılımcıdan, hareketlerinin kapağı hareket ettirmemesi veya optik fiberleri çekmemesi için yavaş ve dikkatli bir şekilde uzanmasını isteyin. Katılımcının kafasının kafa bobini içinde rahatça durmasını sağlamak için fiber optik demetleri gerektiği gibi ayarlayın (bkz. Şekil 4B). Kabloların dalga kılavuzundan nereye yerleştirildiğine bağlı olarak bu adım sırasında tarayıcı tablasının kaldırılması gerekebilir.
4. Katılımcının rahat etmesini sağlamak için katılımcının bacaklarının altına bir yastık yerleştirin. Solunum kemerini katılımcının beline yerleştirin.
5. Katılımcıdan gürültü önleyici kulaklıkları kulaklarının etrafına yerleştirmesini isteyin ve fNIRS probu yerleşimine müdahale etmemeye dikkat edin. Kulaklıkların kaymasını önlemek için, başın her iki tarafında, kulaklıklar ile kafa bobininin iç tarafı arasında MRI güvenli pedler kullanın. Kulaklığın kafa bobini ile temas etmesini önlemek için bir yastık kılıfı kullanılabilir.
6. Nabız oksimetresini deneğin baskın olmayan elinin işaret parmağına yerleştirin. Deneysel görevler için bir düğme kutusu kullanıyorsanız, katılımcıdan baskın eliyle tutmasını isteyin. Katılımcıya düğme kutusunun nasıl kullanılacağıyla ilgili yönergeler sağlayın.
7. Sıkma topunu veya düğme alarmını deneğin baskın olmayan eline yerleştirin ve katılımcıya nasıl kullanacağını söyleyin. Katılımcıdan basmasını isteyerek alarmı test edin.
8. Kafayı hizalamak için katılımcıyı tarayıcı deliğine birkaç santim kaydırın. Kafa bobininin üst kısmını konumlandırın. Ardından, mikrofonu ve aynayı ilgili bobin eklerine yerleştirin.
9. Optik fiberleri tutarken katılımcıyı yavaşça tarayıcı deliğine kaydırın. Bu işlem, tarayıcı masasının her iki tarafında yer alacak iki kişi gerektirecektir. Optodların çekilmesini veya fiberlerin kafa bobini ile tarayıcı deliği arasında sıkışmasını önlemek için optik fiberlerin tarayıcı deliğine dikkatlice yönlendirildiğinden emin olun.
10. Katılımcıyla tarama oturumu için hazır olduklarını onayladıktan sonra, kontrol odasına dönün ve interkom sesi aracılığıyla katılımcının deneyciyi duyabildiğini ve deneycinin katılımcıyı duyabildiğini onaylayın.

Şekil 4. Katılımcı MRI tarayıcısında ayarlandı. (A) Katılımcının kafasını desteklemek için kullanılan MR kafa bobininin içindeki yastıklar ve katılımcı kurulmadan önce demetler halinde düzenlenmiş optik fiberler. (B) Katılımcı, fNIRS kapağı test için hazır olarak tarayıcı yatağında yatarken. Kafa bobininin üst kısmı henüz katılımcının yüzüne yerleştirilmemiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

5. Sinyal kaydından önce tarayıcı ve fNIRS ekipman kurulumu

1. Tarayıcı bilgisayarda, etüt için ilgili yapısal ve işlevsel dizileri seçin. fNIRS verilerinin hassasiyet ışığı modelini hesaplarken, en iyi doku kontrast çözünürlüğünü elde etmek için hem T1w hem de T2w görüntülerini toplayın.
2. Tarayıcı deliği içinde iyi bir kafa konumu olduğunu doğrulamak için yerelleştiriciyi kontrol edin. Başın üstünden beyinciğe kadar tam beyin kaplamasının elde edildiğini doğrulayın.
3. Katılımcıyla birlikte bilgisayar ekranının kafa bobini aynasından görülebildiğini onaylayın.
4. İlk yapısal taramayı çalıştırın. Paralel olarak, katılımcı kurulumunun herhangi bir kanalın sinyal gücünü etkileyip etkilemediğini kontrol etmek için fNIRS optodlarının başka bir kalibrasyon testini çalıştırın.
5. İlk yapısal MRI taramasını çalıştırdıktan sonra, gradyan yankı alanı haritası dizilerini toplayın ve kulaklıkların katılımcıya işitsel uyaranlar iletebilmesini ve ortam gürültüsünü engelleyebilmesini sağlamak için gürültü önleyici kulaklıkları kalibre edin.
   NOT: Bazı katılımcıların kulaklıklarının ayarlanması gerekebilir. Bu durumda, tarayıcı odasına tekrar girin ve fNIRS probu yerleşimine müdahale etmemeye dikkat ederek kulaklığın etrafındaki dolguyu ayarlayın. Devam etmeden önce başka bir yerelleştirici, gradyan yankı alanı harita dizileri ve fNIRS optodlarının kalibrasyon testini çalıştırın.

6. Eşzamanlı sinyal kaydı

1. Rahat olduklarından ve iyi olduklarından emin olmak için interkom aracılığıyla katılımcıyla görüşün. Görev için talimatları sağlayın ve katılımcılara başlarını ve vücutlarını sabit tutmalarını hatırlatın.
2. Yanıp sönen dama tahtası görevine özel aşağıdaki talimatları sağlayın (Şekil 5).
   1. Bu görevde, katılımcıya her zaman önlerindeki ekranın ortasına (ayna aracılığıyla) bakmasını söyleyin. Bazen ekran, farklı frekanslarda titreyen karoların bulunduğu bir dama tahtası gösterir. Diğer zamanlarda, katılımcı ekranın ortasında beyaz bir daire görecektir.
   2. Ekranda beyaz daire göründüğünde, katılımcıdan işaret parmağıyla Düğme Kutusuna basmasını isteyin. Düğmeye basıldıktan sonra daire kırmızıya dönecektir.
   3. Bu görev, alternatif bir blok tasarımı kullanır. Katılımcıların, her biri 10 sn'lik 11 yanıp sönen dama tahtası bloğu ve her biri 20 sn'lik 11 daire bloğu içeren 6 dakikalık tek bir koşuyu tamamlamalarına izin verin.
3. fNIRS bilgisayarında fNIRS veri kaydına başlayın ve uyaran sunum bilgisayarında görevlere başlayın. Deneysel görevlerin komut dosyası, görev talimatları olarak görüntülenecektir.
4. İlk işlevsel çalıştırmayı başlatın. Tarayıcı ilk TTL darbesini gönderdiğinde, bu NIRStar yazılımı veri kayıt ekranında bir tetikleme sinyali olarak görünecektir. Bu ilk darbe aynı zamanda deneysel görevi de başlatacaktır.
5. Tüm görevler boyunca katılımcı performansını ve hareketini izleyin. Bazı durumlarda, özellikle tam başlı bir optode dizisi ve küçük boyutlu kapaklar kullanırken, bazı katılımcılar şapkayı takarken biraz rahatsızlık hissedebilir. Katılımcının rahatını her zaman izlemek önemlidir.
   1. Gerekirse, oturumun ortasında katılımcıya bir mola verin. Bu mola sırasında, katılımcıların oturması, bir yerelleştirici toplaması ve devam etmeden önce gradyan yankı alanı haritası dizilerini, kulaklık kalibrasyonunu ve fNIRS test kalibrasyonunu tekrar çalıştırması gerekiyorsa. Mevcut protokoldeki tam adımlar izlenirse, tarayıcıda genç yetişkinleri test ederken bu adım genellikle gerekli değildir.
6. Veri toplama sırasında, oturumla ilgili notlar alın (örneğin, kapak boyutu, günün saati, iyi kalibre edilmemiş optodlar veya olağandışı herhangi bir şey).
7. Tüm işlevsel çalıştırmaların sonunda, fNIRS verilerini toplamayı durdurun. Gerekirse ikinci bir yapısal tarama yapın.

Şekil 5. Deneysel görev olarak yanıp sönen dama tahtası paradigması. Katılımcılar, saniyede sekiz kez yanıp sönen beyaz karelerin beyaz bir daire gösteren gri bir ekranla değiştiği siyah-beyaz bir dama tahtası desenini incelediler. Dikkat kontrolü olarak, katılımcılara ekranın ortasında beyaz bir daire göründüklerinde sağ elleriyle bir düğmeye basmaları talimatı verildi. Düğmeye basıldığında daire kırmızıya döner. Görev, toplam 22 bloktan oluşan tek bir çalışmada tamamlandı: 11 yanıp sönen dama tahtası bloğu ve 11 denemeler arası dönem. Yanıp sönen dama tahtası periyotları 10 sn sürdü ve duruşmalar arası periyotlar 20 sn sürdü. Böylece, yanıp sönen dama tahtasının başlangıcı her 30 saniyede bir (0.033 Hz) meydana geldi. Ekranlar PsychoPy v2021.2.4 tarafından oluşturuldu ve 1080p DLP projeksiyon sistemi aracılığıyla kafa bobininin üstündeki arkaya bakan aynaya yansıtıldı. Katılımcılar bu görevin bir çalışmasını tamamladılar (~6 dk). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

7. Deney sonrası temizleme ve veri depolama

1. Optik fiberlerin hiçbirini sıkıştırmamaya dikkat ederek, katılımcıyı tarayıcının deliğinden yavaşça çıkarmak için motorlu tarayıcı yatağını kullanın. Kafa bobininin üst kısmını çıkarın ve katılımcının yavaşça oturmasını sağlayın.
2. fNIRS kapağını katılımcının kafasından çıkarın ve her bir optodu ilgili rondelalardan çıkarın. Optodlar çıkarıldıktan sonra bile saçlar genellikle rondelalara sıkışır, bu nedenle katılımcılara kapağı yavaş ve dikkatli bir şekilde çıkarmalarını söyleyin.
3. Bazı rondelalar, kapak açma işlemi sırasında yerinden çıkabilir. Bir sonraki katılımcının tarama oturumundan önce tüm rondela parçalarını bulduğunuzdan ve eksik olanları değiştirdiğinizden emin olun.
4. Katılımcıların tarayıcı yatağından kaymalarını, zaman ayırdıkları için teşekkür etmelerini ve varsa parasal tazminat vermelerini sağlayın.
5. Görev günlüklerinin, fNIRS ve fMRI verilerinin depolandığından ve yedeklendiğinden emin olun. Kapağı fNIRS satıcısı tarafından önerildiği gibi bir sprey temizleme solüsyonuyla dezenfekte edin ve optode uçlarını plastik ve kauçuğa dayanıklı alkollü mendillerle silin.

8. fMRI veri ön işleme

NOT: fMRI verileri, nörogörüntüleme modaliteleri arasında veri organizasyonunu, ön işlemeyi, kalite güvencesini ve analizleri destekleyen açık kaynaklı bir yazılım paketi olan QuNex²⁴ kullanılarak Human Connectome Project^23'ten minimum ön işleme boru hatlarını takiben ön işleme tabi tutulmuştur. Aşağıda vurgulanan adımların her biri için belirli ayarlar ve parametrelerle ilgili ayrıntılı belgeler, https://qunex.yale.edu/ adresindeki QuNex web sitesinde bulunabilir. Verileri işlemek için kullanılan ana adımlar ve parametreler aşağıda sunulmuştur.

1. Yapısal verileri önceden işleyin
   1. PreFreeSurfer işlem hattı. Aşağıdaki adımları gerçekleştirin: Gradyan bozulma düzeltmesi, 6 serbestlik dereceli (DOF) rijit cisim dönüşümü ile T1w ve T2w görüntülerinin tekrarlanan çalışmalarının hizalanması, T1w ve T2w görüntülerinin MNI uzay şablonuna AC-PC hizalaması, ilk beyin ekstraksiyonu, okuma bozulma düzeltmesi, T1w ve T2w'nin yerel hacim uzayında çapraz modal kaydı, önyargı alanı düzeltmesi ve MNI doğrusal olmayan hacim kaydı.
   2. Freesurfer boru hattı. Aşağıdaki adımları gerçekleştirin: Spline enterpolasyonu ile örnek T1w'yi 1 mm'ye indirin ve Freesurfer'ın BBRegister algoritmasını kullanarak T2w'den T1w'ye kaydın ince ayarını içeren beyaz madde yüzeyleri oluşturmak için recon-all'ı çalıştırın (daha fazla ayrıntı için^{bkz. 23} ).
   3. PostFreeSurfer işlem hattı. Aşağıdaki adımları gerçekleştirin: Tüm çıkışları yerel birim alanında GIFTI ve NIFTI'ye dönüştürün, son beyin maskesini ve kortikal şerit hacmini oluşturun, miyelin haritaları oluşturun ve MNI'ye özgü doğrusal olmayan hacim dönüşümü gerçekleştirin.
2. İşlevsel verileri önceden işleyin
   1. fMRI Birim işlem hattı. Aşağıdaki adımları gerçekleştirin: bozulma düzeltmesi, FLIRT tabanlı hareket düzeltmesi, spin yankı alanı haritası kullanarak TOPUP tabanlı alan haritası ön işlemesi, EPI görüntü bozulma düzeltmesi ve EPI'den T1w'ye kayıt, atlas uzayına (MNI) bir adımlı spline yeniden örnekleme, önyargı alanı kaldırma ve beyin maskeleme yoluyla yoğunluk normalleştirme.
   2. fMRI Yüzey boru hattı. Birim zaman serisini CIFTI biçiminde depolanan birleşik bir yüzey ve hacim, gri ordinat gösterimiyle eşlemek için aşağıdaki adımları gerçekleştirin: fMRI şerit yapımı, yüzey yumuşatma, subkortikal işleme ve yoğun zaman serilerinin oluşturulması.
   3. BOLD verilerini hazırlayın. Kötü çerçeveleri belirlemek için hareketi ve yapay özelliklerini yansıtan nicel kalite kontrol istatistiklerini hesaplayın. Kantitatif QC istatistikleri oluşturmak için mevcut seçenekler için lütfen QuNex belgelerine bakın. Bu istatistikler genellikle kare öteleme eşiği ve görüntü yoğunluğu, normalleştirilmiş kök ortalama hata karesi (RMSE) eşiği gibi BOLD zamansal sinyal-gürültü ve hareket temizleme istatistiklerini içerir. Çalışmaya özgü kriterlere bağlı olarak, belirlenen sorunlu çerçeveleri göz ardı edin veya enterpolasyon yapın.
   4. Rahatsız edici sinyali ayıklayın. Sonraki adımlarda rahatsız edici sinyal regresyonu gerçekleştirmek için beyin ventriküllerinden, beyaz maddeden ve gri maddeden rahatsız edici sinyalleri çıkarın.

9. fNIRS veri ön işleme

NOT: fNIRS verileri, ham ışık seviyelerinden optik verilerin belirli bir katılımcının anatomisine veya bir atlasa birlikte kaydedilen voksel düzeyindeki beyin fonksiyonu haritalarına analizi için açık kaynaklı bir ortam olan NeuroDOT²⁶ kullanılarak fNIRS veri analizindeki²⁵ en iyi uygulamalar izlenerek analiz edilmiştir. Aşağıda açıklanan tüm adımlar NeuroDOT ile gerçekleştirilebilir. Aşağıda vurgulanan adımların her biri için belirli ayarlar ve parametrelerle ilgili ek belgeler, https://github.com/WUSTL-ORL/NeuroDOT_Beta'daki öğreticilerde ve betiklerde bulunabilir. Son olarak, optode-kafa derisi kaydı, altta yatan beyin dokusuna göre fNIRS optode koordinatlarının elde edilmesini gerektirir ve bu, varsa referans olarak bir 3D sayısallaştırıcı veya E vitamini kapsülleri kullanılarak yapılabilir. Her iki yöntem de bu bölümde açıklanmış ve ilgili yazılım paketlerine referanslar verilmiştir.

1. Konuya özel bir kafa örgüsünün oluşturulması ve ışık modelinin oluşturulması
   1. Segmentli bir kafa modeli oluşturmak için T1w görüntüsünü ilgili doku tiplerine ayırın: kafa derisi, kafatası, beyin omurilik sıvısı (BOS), gri madde ve beyaz madde. Varsa, hem T1w hem de T2w görüntülerini kullanın, çünkü her biri ilgili doku tipleri hakkında tamamlayıcı bilgilere katkıda bulunur.
      NOT: Bu adım, mevcut protokolde NeuroDOT'un Freesurfer'ın hacimsel segmentasyonundan²⁸ girdi bilgisi alan "Segment5R_fs" işleviyle gerçekleştirilir. Beyin dokusu segmentasyonu için yaygın olarak bulunan diğer yazılım paketleri SPM²⁹ ve AFNI^30'dur.
   2. NeuroDOT aracılığıyla Mimics yazılım paketini kullanarak segmentli kafa modelinden bir kafa ağı oluşturun. Optode konumlarını kafa modeline yerleştirmek için bir 3D sayısallaştırıcı kullanılıyorsa, optode lokalizasyonu için Saha gezisi önerilerini izleyin³¹. Alternatif olarak, kaynak-dedektör çiftlerinin koordinatlarının tanımlanması için referans olarak E vitamini kapsülleri kullanılıyorsa, T1w görüntüsündeki kaynakların ve dedektörlerin konumlarını manuel olarak tanımlayın (örnek için^{bkz. 32} ).
   3. 3D sayısallaştırıcı veya E vitamini kapsülleri aracılığıyla elde edilen kaynak ve dedektör konumlarını NeuroDOT kullanarak ağ üzerindeki ilgili lokuslara yerleştirin.
   4. NeuroDOT aracılığıyla NIRFAST yazılım paketini kullanarak konuya özel kafa modeli için hassasiyet matrisini hesaplamak için aşağıdaki parametreleri ayarlayın: vokselasyon çözünürlüğü: 2; bölge etiketleri: BOS, beyaz, gri, kemik, cilt; bölgeler için absorpsiyon katsayıları: BOS [0.004, 0.004], beyaz [0.0167, 0.0208]; gri [0.018 0.0192], kemik [0.0116, 0.0139], cilt [0.74, 0.64]; bölgeler için dağılım katsayıları: BOS [0.3, 0.3], beyaz [1.1908, 1.0107]; gri [0.8359, 0.6726], kemik [0.94, 0.84], cilt [0.64, 0.74], bölgeler için kırılma indeksi: BOS [1.4, 1.4], beyaz [1.4, 1.4]; gri [1.4, 1.4], kemik [1.4, 1.4], cilt [1.4, 1.4].
      NOT: Protokol, ışınımsal taşıma denklemine difüzyon yaklaşımına dayalı bir sonlu elemanlı ileri ışık modeli kullanan NIRFAST yazılım paketini (sürüm 9.1)^33,34 kullanır. Işık modelini hesaplamak için NIRFAST üç tür bilgiye dayanır: i) doku sınır şekli, ii) temel optik özelliklerin iç dağılımı ve iii) yüzeydeki kaynakların ve dedektörlerin konumları (daha fazla ayrıntı için bkz. ^35,36). Monte Carlo yöntemleri, farklı doku tipleri için difüzyon denkleminin çözümlerini hesaplamak için bir alternatif olarak kullanılabilir^37,38.
   5. Ölçümün duyarlılığının bir örneğini nitel bir değerlendirme olarak görselleştirin.
2. Kaynak dedektör ölçümlerinden elde edilen ham verilerin işlenmesi
   1. Görüntüleme dizisinin 2D gösteriminde her kaynak ve dedektör için ortalama ışık seviyesini görüntüleyin. %7.5'ten fazla zamansal standart sapmaya sahip kaynak-dedektör çiftlerini^{çıkarın 36}. Veriler en az 3 Hz'lik bir kare hızında elde edilirse, iyi bir optode-kafa derisi eşleşmesi nabız hızı (~1 Hz) frekansı ile tutarlı özellikler sergileyeceğinden, kaynak-dedektör çifti ölçümlerini reddetmek için kardiyak güç eşiğini kullanın.
   2. Her ölçümdeki doğrusal eğilimi kaldırmak için verilerin trendini azaltın. Yüksek geçiren filtre (0,02 Hz kesme) düşük frekanslı kaymayı ortadan kaldırmak için veriler. Filtreleme yerine, bir alternatif, GLM'ye bir regresör olarak bir sürüklenme faktörü eklemektir.
   3. Alçak geçiren filtre (1 Hz) kardiyak salınımları gidermek için veri.
   4. Tüm 8 mm kaynak-dedektör çifti ölçümlerinin ortalamasını hesaplayarak küresel yüzeysel sinyali tahmin edin. Kısa mesafeli ölçümleri, öncelikle kafa derisi ve kafatasını örnekledikleri için sistemik kortikal olmayan fizyolojik sinyallerin bir tahmini olarak kullanın.
   5. Tüm ölçümlerden gelen global sinyali geriletin³⁹.
   6. Alçak geçiş: Kalan verileri uyaranın frekansı etrafında daha fazla odaklamak için verileri filtreleyin (0,5 Hz kesme) ve hesaplama yükünü azaltmak için verileri 1 Hz^40,41,42'ye kadar örnekleyin.
   7. Zamansal türevlerin (GVTD) zaman seyrinin küresel varyansını kullanarak hareket sansürünü uygulayın⁴³. GVTD, bir dizi ölçüm veya voksel⁴³ boyunca zamansal türevlerin ortalama karekökü olarak hesaplanır. GVTD gürültü eşiğini aşan zaman noktalarını hariç tutarak hareket sansürü veya fırçalama uygulayın.
3. Işık modelinin ve önceden işlenmiş verilerin işlevsel bir nörogörüntüleme hacmine yeniden yapılandırılması
   1. 785 nm ve 830 nm'de absorpsiyondaki nispi değişiklikleri, Tikhonov düzenlemesi ve uzamsal olarak değişken düzenlemesi⁴⁴ kullanılarak duyarlılık matrisinin düzenli bir şekilde tersine çevrilmesine dayalı olarak yeniden yapılandırın.
   2. Dalga boyuna bağlı absorpsiyon verilerinin^spektral ayrışması yoluyla hemoglobin konsantrasyonundaki nispi değişiklikleri hesaplayın ^44,45.

10. fMRI/fNIRS görev uyarılmış veri analizleri

1. Beyin aktivitesinin belirli bir denek için istatistiksel hipotezle nasıl ilişkili olduğunu değerlendirmek için tek seanslı birinci seviye GLM analizi (HRF modellemesi, kısa mesafeli fNIRS ölçümleri dahil olmak üzere fizyolojik sinyallerin regresyonu) çalıştırın.
   NOT: GLM'ye bir alternatif, HRF'nin şekli hakkında a priori varsayımlardan kaçınan blok ortalamasıdır. Bununla birlikte, blok ortalaması, uyarana hemodinamik yanıt ile birlikte fNIRS sinyalindeki ilgili karıştırıcı faktörlerin modellenmesine izin vermez.
2. Denekler arasında birinci düzey aktivasyon tahminlerini birleştirmek için grup veya ikinci düzey GLM analizini çalıştırın.
3. İlgili etki tahminlerini tek tek GLM dosyalarından ayıklayın ve bunları grup dosyalarında birleştirin.
4. İstenen istatistikleri hesaplayın. İstatistiksel çıkarım için hem tek hem de çok değişkenli GLM modellerinin permütasyon yeniden örnekleme yöntemlerini çalıştırmak için iyi kurulmuş bir paket FSL PALM^46'dır.
5. Tüm beyin GLM beta tahminlerini elde edin.

Sonuçlar

Bu bölüm, hem fMRI hem de fNIRS sinyalleri için yanıp sönen dama tahtası görevi için temsili konuya özel yanıtlar sunar. İlk olarak, MRI ortamında fNIRS sinyallerini ölçmek için deney düzeneğinin fizibilitesini göstermek için temsili ham fNIRS verileri ve kalite değerlendirmeleri Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterilmiştir. Tüm kafa optod dizisinin ve hassasiyet profilinin bir diyagramı Şekil 8'de

Tartışmalar

fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı veri toplaması için bu protokol, sistemik kortikal olmayan fizyolojik sinyalleri ölçmek ve geriletmek için tam başlı bir fNIRS optod dizisi ve kısa mesafeli kanallar kullanır. Bu protokoldeki kritik adımlar, MRI ortamında fNIRS sinyallerini toplamak için fNIRS ekipmanının değiştirilmesini ve geliştirilmesini içerir. Bildiğimiz kadarıyla, tam kafa fNIRS dizisi kullanarak eşzamanlı fMRI ve fNIRS ölçümlerini yakalamak için tamamen optimize edilmiş anahtar te...

Malzemeler

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.