Gelijktijdige gegevensverzameling van fMRI- en fNIRS-metingen met behulp van een optode-array voor het hele hoofd en kanalen over korte afstand

Cognitieve functie wordt al bijna drie decennia bestudeerd in het volwassen menselijke brein via functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI). Hoewel fMRI een hoge ruimtelijke resolutie en zowel functionele als structurele beelden biedt, is het vaak niet praktisch voor studies die worden uitgevoerd in naturalistische contexten of voor gebruik bij zuigelingen en klinische populaties. Deze beperkingen beperken ons begrip van de hersenfunctie aanzienlijk. Een alternatief voor fMRI is het gebruik van draagbare methodologieën die kosteneffectiever en robuuster zijn voor beweging, zoals functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS)^1,2,3. fNIRS is gebruikt bij zuigelingen en jonge kinderen om de hersenfunctie te beoordelen in een reeks cognitieve domeinen, zoals taalontwikkeling, verwerking van maatschappelijk relevante informatie en objectverwerking ^4,5,6. fNIRS is ook een neuroimaging-modaliteit die vooral geschikt is voor het testen van klinische populaties vanwege het potentieel voor herhaald testen en monitoren in de leeftijd van ^7,8,9 jaar. Ondanks de brede toepasbaarheid zijn er geen studies die fMRI- en fNIRS-signalen kwantitatief vergelijken die gelijktijdig van dezelfde proefpersonen zijn verzameld met dekking van het hele hoofd. Deze vergelijking is nodig om activeringen op gebiedsniveau en functionele connectiviteit tussen interessegebieden (ROI’s) uitgebreid te valideren ten opzichte van de gouden standaard van fMRI. Bovendien heeft het tot stand brengen van deze intermodale correspondentie het potentieel om de interpretatie van fNIRS te verbeteren wanneer dit het enige verzamelde signaal is voor zowel typische als atypische ontwikkeling.

Zowel fMRI- als fNIRS-signalen detecteren veranderingen in cerebrale bloedoxygenatie (CBO) tijdens functionele hersenactivatie^10,11. fMRI is gebaseerd op veranderingen in elektromagnetische velden en biedt een hoge ruimtelijke resolutie van CBO-veranderingen¹². fNIRS daarentegen meet de absorptieniveaus van nabij-infrarood licht met behulp van een reeks lichtgevende en lichtdetecterende optodes². Omdat fNIRS veranderingen in absorptie op verschillende golflengten meet, kan het concentratieveranderingen in zowel oxy- als deoxyhemoglobine beoordelen. Eerdere studies met gelijktijdige opnames van fMRI- en fNIRS-signalen met een klein aantal optodes hebben aangetoond dat de twee signalen een hoge ruimtelijke en temporele correspondentie hebben¹⁰. Er zijn sterke correlaties tussen bloed-zuurstofniveau-afhankelijke (BOLD) fMRI en optische metingen^11,13, waarbij deoxyhemoglobine de hoogste correlatie vertoont met de BOLD-respons, zoals gerapporteerd door eerder werk waarin de temporele dynamiek van de fNIRS en fMRI hemodynamische responsfuncties (HRF’s) worden vergeleken14. Deze vroege studies implementeerden motorische responsparadigma’s (d.w.z. tikken met de vingers) en gebruikten een beperkt aantal optoden die de primaire motorische en premotorische cortexgebieden bedekten. In het afgelopen decennium hebben studies de focus uitgebreid met een grotere reeks cognitieve taken en rusttoestandssessies, hoewel er nog steeds een beperkt aantal optodes wordt gebruikt die specifieke ROI’s dekken. Deze studies hebben aangetoond dat variabiliteit in fNIRS/fMRI-correlaties afhankelijk is van de afstand van de optode tot de hoofdhuid en de hersenen¹⁵. Bovendien kan fNIRS functionele connectiviteitsmetingen in rusttoestand bieden die vergelijkbaar zijn met fMRI ^16,17.

Het huidige protocol bouwt voort op eerder werk en pakt de belangrijkste beperkingen aan door i) fNIRS-dekking voor het hele hoofd te bieden, ii) metingen op korte afstand op te nemen voor regressie van niet-corticale fysiologische signalen, iii) twee verschillende methoden te implementeren voor co-registratie van fNIRS-metingen van optode tot hoofdhuid en iv) beoordeling van de test-hertestbetrouwbaarheid van het signaal over twee onafhankelijke sessies mogelijk te maken. Dit protocol voor het gelijktijdig verzamelen van gegevens van fMRI- en fNIRS-signalen is in eerste instantie ontwikkeld voor het testen van jongvolwassenen. Een van de doelen van de studie was echter om een experimentele opstelling te creëren voor het verzamelen van gelijktijdige fMRI/fNIRS-signalen die vervolgens kunnen worden aangepast voor het testen van ontwikkelingspopulaties. Daarom kan het huidige protocol ook als uitgangspunt worden gebruikt voor het ontwikkelen van een protocol om jonge kinderen te testen. Naast het gebruik van fNIRS-dekking voor het hele hoofd, beoogt het protocol ook recente ontwikkelingen op het gebied van fNIRS-hardware op te nemen, zoals de opname van korteafstandskanalen om het systemische fysiologische signaal te meten (d.w.z. vasculaire veranderingen die voortkomen uit niet-corticale bronnen, zoals bloeddruk, ademhalings- en hartsignalen)^18,19; en het gebruik van een 3D-structuursensor voor co-registratie van optode tot hoofdhuid²⁰. Hoewel de focus van het huidige protocol ligt op de resultaten van een visueel knipperend dambordtaak, omvat het hele experiment twee sessies met een mix van traditionele bloktaakontwerpen, rusttoestandssessies en naturalistische filmkijkparadigma’s.

Het protocol beschrijft de stappen die nodig zijn om de fNIRS-apparatuur aan te passen voor gebruik in de MRI-omgeving, inclusief het ontwerp van de dop, temporele uitlijning via triggersynchronisatie en fantoomtests die nodig zijn voor de start van de gegevensverzameling. Zoals opgemerkt, ligt de focus hier op de resultaten van de knipperende schaakbordtaak, maar de algemene procedure is niet taakspecifiek en kan geschikt zijn voor een willekeurig aantal experimentele paradigma’s. Het protocol schetst verder de stappen die nodig zijn tijdens het verzamelen van gegevens, waaronder het plaatsen van fNIRS-dop en signaalkalibratie, het instellen van deelnemers en experimentele apparatuur, evenals het opschonen en opslaan van gegevens na het experiment. Het protocol eindigt met een overzicht van de analytische pijplijnen die specifiek zijn voor het voorverwerken van fNIRS- en fMRI-gegevens.