Collecte simultanée de données de mesures IRMf et NIRS f à l’aide d’un réseau d’optodes à tête entière et de canaux à courte distance

La fonction cognitive est étudiée dans le cerveau humain adulte par imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) depuis près de trois décennies. Bien que l’IRMf fournisse une haute résolution spatiale et des images fonctionnelles et structurelles, elle n’est souvent pas pratique pour les études menées dans des contextes naturalistes ou pour une utilisation avec des nourrissons et des populations cliniques. Ces contraintes limitent considérablement notre compréhension du fonctionnement du cerveau. Une alternative à l’IRMf est l’utilisation de méthodologies portables plus rentables et plus résistantes au mouvement, telles que la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS)^1,2,3. Le fNIRS a été utilisé chez les nourrissons et les jeunes enfants pour évaluer la fonction cérébrale dans divers domaines cognitifs, tels que le développement du langage, le traitement de l’information socialement pertinente et le traitement des objets ^4,5,6. Le fNIRS est également une modalité de neuroimagerie particulièrement adaptée aux tests sur les populations cliniques en raison de son potentiel de tests et de surveillance répétés à l’âge de^{7, 8 et 9} ans. Malgré sa large applicabilité, il n’existe pas d’études comparant quantitativement les signaux IRMf et fNIRS collectés simultanément chez les mêmes sujets avec une couverture de la tête entière. Cette comparaison est nécessaire pour valider de manière exhaustive les activations au niveau de la zone et la connectivité fonctionnelle entre les régions d’intérêt (ROI) par rapport à l’étalon-or de l’IRMf. De plus, l’établissement de cette correspondance intermodale a le potentiel d’améliorer l’interprétation du fNIRS lorsqu’il s’agit du seul signal collecté à travers le développement typique et atypique.

Les signaux IRMf et fNIRS détectent tous deux des changements dans l’oxygénation cérébrale du sang (CBO) lors de l’activation cérébrale fonctionnelle^10,11. L’IRMf s’appuie sur les changements dans les champs électromagnétiques et fournit une haute résolution spatiale des changements CBO¹². fNIRS, en revanche, mesure les niveaux d’absorption de la lumière proche infrarouge à l’aide d’une série d’optodes électroluminescentes et de détection de lumière². Étant donné que le fNIRS mesure les changements d’absorption à différentes longueurs d’onde, il peut évaluer les changements de concentration dans l’oxyhémoglobine et la désoxyhémoglobine. Des études antérieures utilisant des enregistrements simultanés de signaux IRMf et NIRS fNIRS avec un petit nombre d’optodes ont montré que les deux signaux ont une correspondance spatiale et temporelle élevée¹⁰. Il existe de fortes corrélations entre l’IRMf dépendante du niveau d’oxygène dans le sang (BOLD) et les mesures optiques^11,13, la désoxyhémoglobine montrant la corrélation la plus élevée avec la réponse BOLD, comme l’ont rapporté des travaux antérieurs comparant la dynamique temporelle des fonctions de réponse hémodynamique (HRF) du NIRS f et de l’IRMf (HRF)¹⁴. Ces premières études ont mis en œuvre des paradigmes de réponse motrice (c’est-à-dire le tapotement des doigts) et ont utilisé un nombre limité d’optodes couvrant les zones du cortex moteur primaire et prémoteur. Au cours de la dernière décennie, des études ont élargi l’objectif pour inclure une plus grande batterie de tâches cognitives et de séances à l’état de repos, bien qu’elles utilisent toujours un nombre limité d’optodes couvrant des ROI spécifiques. Ces études ont montré que la variabilité des corrélations NIRSf/IRMf dépend de la distance de l’optode par rapport au cuir chevelu et au cerveau¹⁵. De plus, le NIRS f peut fournir des mesures de connectivité fonctionnelle à l’état de repos comparables à l’IRMf^16,17.

Le protocole actuel s’appuie sur des travaux antérieurs et aborde les principales limites en i) fournissant une couverture fNIRS de la tête entière, ii) incluant des mesures à courte distance pour la régression des signaux physiologiques non corticaux, iii) mettant en œuvre deux méthodes différentes pour le co-enregistrement optode-cuir chevelu des mesures fNIRS et iv) permettant l’évaluation de la fiabilité test-retest du signal sur deux sessions indépendantes. Ce protocole de collecte simultanée de données de signaux IRMf et NIRS a été initialement développé pour tester les jeunes adultes. Cependant, l’un des objectifs de l’étude était de créer un dispositif expérimental pour collecter des signaux IRMf/NIRS simultanés qui peuvent être adaptés par la suite pour tester des populations en développement. Par conséquent, le protocole actuel peut également servir de point de départ à l’élaboration d’un protocole de dépistage des jeunes enfants. En plus d’utiliser la couverture fNIRS de la tête entière, le protocole vise également à intégrer les avancées récentes dans le domaine du matériel fNIRS, telles que l’inclusion de canaux à courte distance pour mesurer le signal physiologique systémique (c’est-à-dire les changements vasculaires provenant de sources non corticales, telles que la pression artérielle, les signaux respiratoires et cardiaques)^18,19 ; et l’utilisation d’un capteur de structure 3D pour le co-enregistrement optode-scalp²⁰. Bien que le présent protocole se concentre sur les résultats d’une tâche en damier clignotant visuellement, l’ensemble de l’expérience comprend deux sessions avec un mélange de conceptions traditionnelles de tâches en bloc, de sessions à l’état de repos et de paradigmes naturalistes de visionnage de films.

Le protocole décrit les étapes nécessaires à l’adaptation de l’équipement fNIRS pour une utilisation dans l’environnement IRM, y compris la conception du capuchon, l’alignement temporel via la synchronisation des déclencheurs et les tests fantômes requis avant le début de la collecte de données. Comme nous l’avons indiqué, l’accent est mis ici sur les résultats de la tâche en damier clignotant, mais la procédure globale n’est pas spécifique à la tâche et peut convenir à un certain nombre de paradigmes expérimentaux. Le protocole décrit en outre les étapes requises lors de la collecte des données, qui comprennent la mise en place du capuchon fNIRS et l’étalonnage du signal, la configuration des participants et de l’équipement expérimental, ainsi que le nettoyage post-expérience et le stockage des données. Le protocole se termine en fournissant une vue d’ensemble des pipelines analytiques spécifiques au prétraitement des données fNIRS et IRMf.