Name: simultaneous data collection of fmri and fnirs measurements using a whole-head optode array and short-distance channels
Uploaded: 2023-10-20T14:30:00
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This research was supported by the following funding sources: A NARSAD Young Investigator Award Grant from the Brain and Behavior Research Foundation (Grant #29736) (SSA), a Global Grand Challenges Grant from the Bill and Melinda Gates Foundation (Grant #INV-005792) (RNA) and a Discovery Fund Grant from the Department of Psychology at Yale University (RNA). The authors also wish to acknowledge Richard Watts (Yale Brain Imaging Center) for his support during data collection and Adam Eggebrecht, Ari Segel and Emma Speh (Washington University in St Louis) for their assistance in data analysis.

The research was approved by the Institutional Review Board (IRB) at Yale University. Informed consent was obtained for all subjects. Subjects had to pass MRI screening to ensure their safe participation. They were excluded if they had a history of serious medical or neurological disorder that would likely affect cognitive functioning (i.e., a neurocognitive or depressive disorder, trauma, schizophrenia, or obsessive-compulsive disorder).
NOTE: The current protocol uses a CW-NIRS device with 1...

This protocol for simultaneous data collection of fMRI&#160;and fNIRS signals uses a whole-head fNIRS optode array and short-distance channels for measuring and regressing out the systemic non-cortical physiological signals. Critical steps in this protocol include modification and development of the fNIRS equipment for collecting fNIRS signals in the MRI environment. To the best of our knowledge, there is no turn-key commercial system that is fully optimized for capturing simultaneous fMRI&#160;and fNIRS measurements usi...

Cognitive function has been studied in the adult human brain via functional magnetic resonance imaging (fMRI) for nearly three decades. Although fMRI provides high spatial resolution and both functional and structural images, it is often not practical for studies conducted in naturalistic contexts or for use with infants and clinical populations. These constraints substantially limit our understanding of brain function. An alternative to fMRI is the use of portable methodologies that are more cost-effective and robust to motion, such as functional near-infrared spectroscopy (fNIRS)1,2,3. fNIRS has been used with infants and young children to assess brain function across a range of cognitive domains, such as language development, processing of socially relevant information and object processing 4,5,6. fNIRS is also a neuroimaging modality especially suitable for testing clinical populations due to its potential for repeated testing and monitoring across ages7,8,9. Despite its wide applicability, there are no studies quantitatively comparing fMRI and fNIRS signals collected simultaneously from the same subjects with whole-head coverage. This comparison is necessary to comprehensively validate area-level activations and functional connectivity between regions of interest (ROIs) against the fMRI gold standard. Furthermore, establishing this inter-modality correspondence has the potential to enhance the interpretation of fNIRS when it is the only collected signal across both typical and atypical development.
Both fMRI and fNIRS signals detect changes in cerebral blood oxygenation (CBO) during functional brain activation10,11. fMRI relies on changes in electromagnetic fields and provides a high spatial resolution of CBO changes12. fNIRS, in contrast, measures absorption levels of near-infrared light using a series of light-emitting and light-detecting optodes2. Since fNIRS measures changes in absorption at different wavelengths, it can assess concentration changes in both oxy- and deoxyhemoglobin. Prior studies using simultaneous recordings of fMRI and fNIRS signals with a small number of optodes have shown that the two signals have high spatial and temporal correspondence10. There are strong correlations between blood-oxygen-level-dependent (BOLD) fMRI and optical measures11,13, with deoxyhemoglobin showing the highest correlation with the BOLD response, as reported by prior work comparing the temporal dynamics of the fNIRS and fMRI hemodynamic response functions (HRFs)14. These early studies implemented motor response paradigms (i.e., finger tapping) and used a limited number of optodes covering primary motor and premotor cortex areas. In the last decade, studies have expanded the focus to include a larger battery of cognitive tasks and resting-state sessions, although still using a limited number of optodes covering specific ROIs. These studies have shown that variability in fNIRS/fMRI correlations is dependent on the optode&#39;s distance from the scalp and the brain15. Furthermore, fNIRS can provide resting-state functional connectivity measures comparable to fMRI16,17.
The current protocol builds on prior work and addresses key limitations by i) providing whole-head fNIRS coverage, ii) including short-distance measurements for regression of non-cortical physiological signals, iii) implementing two different methods for optode-to-scalp co-registration of fNIRS measurements and iv) enabling assessment of the test-retest reliability of the signal across two independent sessions. This protocol for simultaneous data collection of fMRI&#160;and fNIRS signals was initially developed for testing young adults. However, one of the goals of the study was to create an experimental setup for collecting simultaneous fMRI/fNIRS signals that can be subsequently adapted for testing developmental populations. Therefore, the current protocol can also be used as a starting point for developing a protocol to test young children. In addition to using whole-head fNIRS coverage, the protocol also aims to incorporate recent advances in the field of fNIRS hardware, such as the inclusion of short-distance channels to measure the systemic physiological signal (i.e., vascular changes arising from noncortical sources, such as blood pressure, respiratory and cardiac signals)18,19 ;and the use of a 3D structure sensor for optode-to-scalp co-registration20. Although the focus of the present protocol is on the results of a visual flashing checkerboard task, the entire experiment includes two sessions with a mix of traditional block-task designs, resting-state sessions, and naturalistic movie-viewing paradigms.
The protocol describes the steps needed to adapt the fNIRS equipment for use in the MRI environment, including cap design, temporal alignment via trigger synchronization and phantom tests required before the start of data collection. As noted, the focus here is on the results of the flashing checkerboard task, but the overall procedure is not task-specific and can be appropriate for any number of experimental paradigms. The protocol further outlines the steps required during data collection, which include fNIRS cap placement and signal calibration, participant&#160;and experimental equipment setup, as well as post-experiment clean up and data storage. The protocol ends by providing an overview of the analytic pipelines specific for preprocessing fNIRS and fMRI data.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>280 low-profile MRI-compatible grommets for NIRs caps</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>GRM-LOP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4 128-position NIRS caps with 128x unpopulated slits in 10-5 layout</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>CP-128-128S</td>
			<td>Sizes: 52, 54, 56, 60</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8 bundles of 4x detector fibers with low-profile tip; MRI-, MEG-, and TMS-compatible.&#160;</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>DET-FBO- LOW</td>
			<td>10 m long</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8 bundles of 4x laser source fibers with MRI-compatible low-profile tip</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>SRC-FBO- LAS-LOW</td>
			<td>10 m long</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bundle set of 8 short-channel detectors with specialized ring grommets that fit to low-profile grommets</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>DET-SHRT-SET</td>
			<td>Splits a single detector into 8 short channels that may be placed anywhere on a single NIRS cap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetom 3T PRISMA</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>N/A</td>
			<td>128 channel capacity, 64/32/20 channel head coils, 80 mT/m max gradient amplitude, 200 T/m/s slew rate, full neuro sequences</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIRScout XP Core System Unit</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>NSXP- CHS</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIRStar software</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Version 15.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIRx parallel port replicator</td>
			<td>NIRx</td>
			<td>ACC-LPT-REP</td>
			<td>The parallel prot replicator&#160; comes with three components: parallel port replicator box, USB power cable and BNC adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Physiological pulse unit</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>PPU098</td>
			<td>Optical plethysmography allowing the acquisiton of the cardiac rhythm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respiratory unit</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>PERU098&#160;</td>
			<td>Unit intended for the acquisition of the respiratory amplitude (by means of a pneumatic system and a restraint belt).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Structure Sensor Mark II</td>
			<td>Occipital</td>
			<td>101866 (SN)</td>
			<td>3D structure sensor for optode digitization.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simultaneous data collection of fmri and fnirs measurements using a whole-head optode array and short-distance channels

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional magnetic resonance imaging (fMRI), which makes it highly suitable for conducting naturalistic studies of brain function and for use with developmental and clinical populations. Both fNIRS and fMRI methodologies detect changes in cerebral blood oxygenation during functional brain activation, and prior studies have shown high spatial and temporal correspondence between the two signals. There is, however, no quantitative comparison of the two signals collected simultaneously from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. This comparison is necessary to comprehensively validate area-level activations and functional connectivity against the fMRI gold standard, which in turn has the potential to facilitate comparisons of the two signals across the lifespan. We address this gap by describing a protocol for simultaneous data collection of fMRI&#160;and fNIRS signals that: i) provides whole-head fNIRS coverage; ii) includes short-distance measurements for regression of the non-cortical, systemic physiological signal; and iii) implements two different methods for optode-to-scalp co-registration of fNIRS measurements. fMRI and fNIRS data from three subjects are presented, and recommendations for adapting the protocol to test developmental and clinical populations are discussed. The current setup with adults allows scanning sessions for an average of approximately 40 min, which includes both functional and structural scans. The protocol outlines the steps required to adapt the fNIRS equipment for use in the magnetic resonance (MR) environment, provides recommendations for both data recording and optode-to-scalp co-registration, and discusses potential modifications of the protocol to fit the specifics of the available MR-safe fNIRS system. Representative subject-specific responses from a flashing-checkerboard task illustrate the feasibility of the protocol to measure whole-head fNIRS signals in the MR environment. This protocol will be particularly relevant for researchers interested in validating fNIRS signals against fMRI across the lifespan.

This section presents representative subject-specific responses for the flashing checkerboard task for both fMRI and fNIRS signals. First, representative raw fNIRS data and quality assessments are shown in Figure 6 and Figure 7 to illustrate the feasibility of the experimental setup to measure fNIRS signals in the MRI environment. A diagram of the whole head optode array and sensitivity profile is shown in Figure 8....

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Simultaneous Data Collection of fMRI and fNIRS Measurements Using a Whole-Head Optode Array and Short-Distance Channels

We present a method for simultaneously collecting fMRI and fNIRS signals from the same subjects with whole-head fNIRS coverage. The protocol has been tested with three young adults and can be adapted for data collection for developmental studies and clinical populations.

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a portable neuroimaging methodology, more robust to motion and more cost-effective than functional ...

एक ही विषय से एक साथ एफएमआरआई और एफएनआईआरएस सिग्नल एकत्र करना बेहद महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें एफएमआरआई के साथ एफएनआईआरएस सिग्नल को संरेखित करने की अनुमति देता है, जो न्यूरोइमेजिंग में स्वर्ण मानक है। एफएनआईआरएस एक पद्धति है जो अभी भी विकसित हो रही है और यह गहरी मस्तिष्क संरचनाओं तक नहीं पहुंच सकती है। इसलिए एफएमआरआई रिकॉर्डिंग हमें एफएनआईआरएस सिग्नल की बेहतर समझ देती है।एक ही प्रतिभागी के मस्तिष्क से एफएनआईआरएस और एफएमआरआई संकेतों को रिकॉर्ड करने के पिछले प्रयासों में दो रिकॉर्डिंग सत्रों की आवश्यकता थी। दुर्भाग्य से, इन दो सत्रों का मतलब है कि प्रतिभागी ने एक ही उत्तेजना को बार-बार देखा और सुना है, जो मस्तिष्क के जवाब देने के तरीके को बदल सकता है। हालांकि प्रोटोकॉल में, एफएमआरआई और एफएनआईआरएस सिग्नल केवल विशिष्ट वयस्कों में गठबंधन किए जाते हैं, हम आशा करते हैं कि वर्तमान प्रोटोकॉल को नैदानिक और विकासात्मक आबादी का परीक्षण करने के लिए भी बढ़ाया जा सकता है।यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण होगा, उदाहरण के लिए, उन व्यक्तियों से डेटा एकत्र करते समय जिनके पास न्यूरोसाइकोलॉजिकल घाटे हो सकते हैं क्योंकि हम उच्चतम आत्मविश्वास के साथ एफएनआईआरएस सिग्नल की व्याख्या करने में सक्षम होंगे। हमारा मानना है कि एफएनआईआरएस और एफएमआरआई की ये एक साथ रिकॉर्डिंग विशेष आबादी और बच्चों के लिए मस्तिष्क में तंत्रिका नेटवर्क को समझने में विशेष रूप से महत्वपूर्ण होगी। इसमें कोई संदेह नहीं है कि एफएमआरआई और एफएनआईआरएस सिग्नल एक साथ एकत्र करना चुनौतीपूर्ण है, लेकिन हम सभी चरणों के माध्यम से काम करते हैं और हमें विश्वास है कि हमारा प्रोटोकॉल अन्य प्रयोगशालाओं को उसी प्रकार के डेटा एकत्र करने में सक्षम करेगा।मुख्य चुनौतियों में से एक यह सुनिश्चित करना होगा कि प्रतिभागी स्कैनर में सहज हो, खासकर जब पूरे सिर की fNIRS टोपी पहने हों। प्रक्रिया का प्रदर्शन वर्जीनिया चेम्बर्स, हमारी प्रयोगशाला से प्रयोगशाला प्रबंधक होगा। एक बार जब प्रतिभागी आवश्यक सहमति प्रपत्रों पर हस्ताक्षर कर लेता है और कार्यों के लिए निर्देश प्राप्त कर लेता है, तो उन्हें नियंत्रण कक्ष में एक कुर्सी पर बैठने का निर्देश दें।माथे के चारों ओर एक नरम मापने वाला टेप लपेटें। पीछे के सबसे चौड़े हिस्से में जाएं और शुरुआती बिंदु पर लौटें। मापा परिधि के निकटतम fNIRS कैप्साइज़ चुनें।एफएनआईआरएस कैप के जाल से गुजरने वाले ग्रोमेट के हिस्से के चारों ओर छोटी दूरी के डिटेक्टर जांच के आधार को मजबूती से समझें और स्लाइड करें। सुनिश्चित करें कि कम दूरी की डिटेक्टर केबल एक स्पष्ट चेहरे वाले क्षेत्र के लिए टोपी के पीछे की ओर हो। इसके बाद, प्रतिभागी को अपने सिर के मुकुट से टोपी को नीचे की ओर स्लाइड करने के लिए कहें जैसे कि सर्दियों की टोपी पर रखना और ठोड़ी का पट्टा को आरामदायक सीमा तक कस लें।पीछे की पट्टियों को जकड़ें। सत्यापित करें कि टोपी सुरक्षित रूप से जुड़ी हुई है और ऑप्टोड सॉकेट सिर के खिलाफ दृढ़ हैं। फिर 10/20 सिस्टम पदों के अनुसार प्रमुख प्रत्ययी स्थानों को चिह्नित करने के लिए हरे रंग के स्टिकर रखें।टोपी पर बिंदुओं के साथ सममित रूप से खोपड़ी बिंदुओं को संरेखित करने के लिए एक मापने वाले टेप का उपयोग करें। CZ बिंदु से पूर्व-auricular, inion, और nasion बिंदु के बराबर दूरी सुनिश्चित करें. प्रतिभागी को अपने सिर का 3D मॉडल बनाने के लिए स्थिर रहने का निर्देश दें।फिर टैबलेट या आईपैड पर स्ट्रक्चर एप्लिकेशन लॉन्च करें। सुनिश्चित करें कि उच्च रिज़ॉल्यूशन रंग, इन्फ्रारेड ऑटो एक्सपोज़र और बेहतर ट्रैकर सुविधाएँ बंद हैं। अब प्रतिभागी को केंद्र में रखें, यह सुनिश्चित करते हुए कि उनका पूरा सिर स्क्रीन पर 3D वर्ग के भीतर फिट बैठता है, और उनके कंधे फ्रेम में न्यूनतम रूप से दिखाई देते हैं।3 डी स्कैनर के साथ सिर के आकार और ऑप्टोड को स्कैन करने के लिए विषय के चारों ओर चलो। एक बार पूरा स्कैन पूरा हो जाने के बाद, 3D रेंडरिंग शुरू करने के लिए स्क्रीन के दाईं ओर स्थित बटन दबाएं। ऑप्टोड और हरे रंग के फ़िड्यूशियल स्टिकर के सटीक स्थान को सुनिश्चित करने के लिए प्रतिपादन की स्पष्टता और विवरण स्तर को सत्यापित करें।सुरक्षा और गोपनीयता के लिए, HIPAA संरक्षित सर्वर पर 3D स्कैन सहेजें। एक बार 3D मॉडल पूरा हो जाने के बाद, हरे रंग के स्टिकर हटा दें और प्रतिभागी को अपने कानों में इयरप्लग डालने के लिए प्रेरित करें। स्कैनिंग रूम में, सुनिश्चित करें कि 20 चैनल हेड कॉइल स्कैनर में रखा गया है।प्रतिभागी के सिर के ऊपरी हिस्से का समर्थन करने के लिए एमआरआई हेड कॉइल के नीचे एक फोम तकिया रखें। प्रतिभागी स्कैनर टेबल पर आराम से बैठने के लिए निर्देश. एक हाथ से ऑप्टोड ग्रोमेट को स्थिर रखते हुए, ग्रोमेट के बीच से बालों को साफ करने के लिए एमआरआई-सुरक्षित ऐप्लिकेटर का उपयोग करें।फिर ग्रोमेट में ऑप्टोड को सुरक्षित करने के लिए दृढ़ दबाव लागू करें। प्रतिभागी को धीरे-धीरे और सावधानी से लेटने का निर्देश दें। ऑप्टिकल फाइबर बंडलों को समायोजित करें सुनिश्चित करें कि प्रतिभागी का सिर सिर का तार के भीतर आराम से टिकी हुई है।वेव गाइड से केबलों की स्थिति के आधार पर, स्कैनर टेबल को ऊपर उठाएं। आराम की गारंटी के लिए प्रतिभागी के पैरों के नीचे एक नरम कुशन रखें। प्रतिभागी की कमर के चारों ओर श्वसन बेल्ट लपेटें।प्रतिभागी को शोर रद्द करने वाले हेडफ़ोन पहनने का निर्देश दें, यह सुनिश्चित करते हुए कि यह fNIRS जांच प्लेसमेंट में हस्तक्षेप नहीं करता है। विषय की बाईं तर्जनी पर पल्स ऑक्सीमीटर रखें। यदि प्रयोगात्मक कार्यों के लिए एक बटन बॉक्स का उपयोग किया जा रहा है, तो विषय को प्रमुख हाथ से पकड़ने का निर्देश दें।बटन बॉक्स का उपयोग करने के तरीके के बारे में स्पष्ट निर्देश प्रदान करें। विषय के गैर-प्रमुख हाथ पर निचोड़ गेंद या बटन अलार्म रखें और प्रतिभागी को निर्देश दें कि इसका उपयोग कैसे करें। प्रतिभागी को इसे दबाने के लिए कहकर अलार्म का परीक्षण करें।सिर संरेखित करने के लिए स्कैनर बोर में कुछ इंच स्लाइड प्रतिभागी. हेड कॉइल के शीर्ष भाग को रखें। इसके बाद, माइक्रोफ़ोन और दर्पण को संबंधित कॉइल आवेषण में डालें।प्रतिभागी धीरे स्कैनर बोर में स्लाइड जबकि ऑप्टिकल फाइबर पकड़े. स्कैनर के कंप्यूटर पर, अध्ययन के लिए आवश्यक प्रासंगिक संरचनात्मक और कार्यात्मक अनुक्रमों का चयन करें। स्कैनर बोर के भीतर सिर की उचित स्थिति के लिए लोकलाइज़र को सत्यापित करें, यह सुनिश्चित करना कि यह सिर के ऊपर से सेरिबैलम तक पूर्ण कवरेज प्रदान करता है।प्रतिभागी के साथ पुष्टि करें कि कंप्यूटर स्क्रीन हेड कॉइल मिरर के माध्यम से दिखाई दे रही है और प्रारंभिक संरचनात्मक स्कैन चलाएं। विषय-स्तरीय एफएनआईआरएस डेटा ने अंतर-परीक्षण अवधि की तुलना में चमकती चेकरबोर्ड ब्लॉकों के दौरान द्विपक्षीय दृश्य प्रांतस्था क्षेत्रों में सक्रियता में वृद्धि दिखाई। मस्तिष्क गतिविधि के समय के निशान ने चमकती चेकरबोर्ड की प्रस्तुति के दौरान एचबीओ सिग्नल में वृद्धि और अंतर-परीक्षण अवधि के दौरान कमी दिखाई।चमकती चेकरबोर्ड अवधि के दौरान एचबीओ डेटा के विज़ुअलाइज़ेशन ने व्यक्तिगत विषय स्तर पर दृश्य प्रांतस्था क्षेत्रों में द्विपक्षीय सक्रियण दिखाया। विषय-स्तरीय एफएमआरआई डेटा अंतर-परीक्षण अवधि के सापेक्ष चमकती चेकरबोर्ड अवधि के दौरान प्राथमिक और माध्यमिक दृश्य प्रांतस्था में अधिक बोल्ड सिग्नल प्रतिक्रिया दिखाता है उप-स्तर पर, थैलेमस के पार्श्व जननांग नाभिक में बढ़ी हुई सक्रियता देखी जाती है। हमारे प्रोटोकॉल की प्रमुख चुनौतियों में से एक यह सुनिश्चित करना है कि प्रतिभागी स्कैनर में आराम से आराम कर सके, और यह मुख्य रूप से एफएनआईआरएस प्रणाली के साथ आने वाले ऑप्टोड के प्रकार से निर्धारित होने जा रहा है।प्रोटोकॉल ब्याज के विशिष्ट क्षेत्रों से और प्रयोगात्मक प्रतिमानों की एक किस्म भर में डेटा एकत्र करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है. हम नैदानिक और विकासात्मक आबादी के साथ प्रोटोकॉल का उपयोग करने के तरीके के बारे में विशिष्ट सुझाव भी प्रदान करते हैं।

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