Gleichzeitige Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Messungen unter Verwendung eines Ganzkopf-Optodenarrays und Kurzstreckenkanälen

Die kognitive Funktion wird im erwachsenen menschlichen Gehirn seit fast drei Jahrzehnten mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) untersucht. Obwohl die fMRT eine hohe räumliche Auflösung und sowohl funktionelle als auch strukturelle Bilder liefert, ist sie für Studien, die in naturalistischen Kontexten durchgeführt werden, oder für den Einsatz mit Säuglingen und klinischen Populationen oft nicht praktikabel. Diese Einschränkungen schränken unser Verständnis der Gehirnfunktion erheblich ein. Eine Alternative zur fMRT ist der Einsatz tragbarer Methoden, die kostengünstiger und robuster gegenüber Bewegungen sind, wie z. B. die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS)^1,2,3. fNIRS wurde bei Säuglingen und Kleinkindern eingesetzt, um die Gehirnfunktion in einer Reihe von kognitiven Bereichen zu beurteilen, wie z. B. Sprachentwicklung, Verarbeitung sozial relevanter Informationen und Objektverarbeitung ^4,5,6. fNIRS ist auch eine Neuroimaging-Modalität, die sich besonders für die Untersuchung klinischer Populationen eignet, da sie das Potenzial für wiederholte Tests und Überwachungen im Alter von ^7,8,9 Jahren bietet. Trotz seiner breiten Anwendbarkeit gibt es keine Studien, die fMRT- und fNIRS-Signale, die gleichzeitig von denselben Probanden mit Ganzkopfabdeckung gesammelt wurden, quantitativ vergleichen. Dieser Vergleich ist notwendig, um Aktivierungen auf Bereichsebene und funktionelle Konnektivität zwischen Regions of Interest (ROIs) anhand des fMRT-Goldstandards umfassend zu validieren. Darüber hinaus hat die Etablierung dieser intermodalen Korrespondenz das Potenzial, die Interpretation von fNIRS zu verbessern, wenn es das einzige gesammelte Signal sowohl für die typische als auch für die atypische Entwicklung ist.

Sowohl fMRT- als auch fNIRS-Signale detektieren Veränderungen der zerebralen Blutoxygenierung (CBO) während der funktionellen Gehirnaktivierung^10,11. fMRT beruht auf Veränderungen in elektromagnetischen Feldern und liefert eine hohe räumliche Auflösung von CBO-Veränderungen¹². Im Gegensatz dazu misst fNIRS den Absorptionsgrad von Nahinfrarotlicht mit einer Reihe von lichtemittierenden und lichtdetektierenden Optoden². Da fNIRS Änderungen der Absorption bei verschiedenen Wellenlängen misst, kann es Konzentrationsänderungen sowohl im Oxy- als auch im Desoxyhämoglobin beurteilen. Frühere Studien mit gleichzeitigen Aufzeichnungen von fMRT- und fNIRS-Signalen mit einer kleinen Anzahl von Optoden haben gezeigt, dass die beiden Signale eine hohe räumliche und zeitliche Übereinstimmung aufweisen¹⁰. Es gibt starke Korrelationen zwischen der blutsauerstoffgehaltsabhängigen (BOLD) fMRT und optischen Messungen^11,13, wobei Desoxyhämoglobin die höchste Korrelation mit dem BOLD-Ansprechen zeigt, wie in früheren Arbeiten berichtet wurde, in denen die zeitliche Dynamik der fNIRS- und fMRT-hämodynamischen Antwortfunktionen (HRFs) verglichen ^wurde14. Diese frühen Studien implementierten motorische Reaktionsparadigmen (d.h. Fingerklopfen) und verwendeten eine begrenzte Anzahl von Optoden, die primäre motorische und prämotorische Kortexbereiche abdeckten. In den letzten zehn Jahren haben Studien den Fokus auf eine größere Anzahl kognitiver Aufgaben und Ruhezustandssitzungen ausgeweitet, obwohl immer noch eine begrenzte Anzahl von Optoden verwendet wird, die bestimmte ROIs abdecken. Diese Studien haben gezeigt, dass die Variabilität der fNIRS/fMRT-Korrelationen von der Entfernung der Optode von der Kopfhaut und dem Gehirn abhängt¹⁵. Darüber hinaus kann fNIRS funktionelle Konnektivitätsmaße im Ruhezustand liefern, die mit der fMRT^{vergleichbar sind 16,17}.

Das aktuelle Protokoll baut auf früheren Arbeiten auf und behebt wichtige Einschränkungen, indem es i) eine Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung bietet, ii) Kurzstreckenmessungen für die Regression nicht-kortikaler physiologischer Signale einschließt, iii) zwei verschiedene Methoden für die Koregistrierung von fNIRS-Messungen von Optode zu Kopfhaut implementiert und iv) die Bewertung der Test-Retest-Zuverlässigkeit des Signals über zwei unabhängige Sitzungen hinweg ermöglicht. Dieses Protokoll zur gleichzeitigen Datenerfassung von fMRT- und fNIRS-Signalen wurde ursprünglich für die Testung junger Erwachsener entwickelt. Eines der Ziele der Studie war es jedoch, einen Versuchsaufbau für die gleichzeitige Erfassung von fMRI/fNIRS-Signalen zu schaffen, die anschließend für das Testen von Entwicklungspopulationen angepasst werden können. Daher kann das aktuelle Protokoll auch als Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Protokolls zum Testen von Kleinkindern verwendet werden. Neben der Verwendung der Ganzkopf-fNIRS-Abdeckung zielt das Protokoll auch darauf ab, die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der fNIRS-Hardware zu berücksichtigen, wie z. B. die Einbeziehung von Kurzstreckenkanälen zur Messung des systemischen physiologischen Signals (d. h. vaskuläre Veränderungen, die sich aus nichtkortikalen Quellen ergeben, wie Blutdruck, Atem- und Herzsignale)^18,19 ; und die Verwendung eines 3D-Struktursensors für die Koregistrierung von Optode zu Kopfhaut²⁰. Obwohl der Fokus des vorliegenden Protokolls auf den Ergebnissen einer visuell blinkenden Schachbrettaufgabe liegt, umfasst das gesamte Experiment zwei Sitzungen mit einer Mischung aus traditionellen Blockaufgabendesigns, Ruhezustandssitzungen und naturalistischen Filmbetrachtungsparadigmen.

Das Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die fNIRS-Geräte für den Einsatz in der MRT-Umgebung anzupassen, einschließlich des Kappendesigns, der zeitlichen Ausrichtung über die Trigger-Synchronisation und der Phantomtests, die vor Beginn der Datenerfassung erforderlich sind. Wie bereits erwähnt, liegt der Fokus hier auf den Ergebnissen der blinkenden Schachbrettaufgabe, aber die Gesamtprozedur ist nicht aufgabenspezifisch und kann für eine beliebige Anzahl von experimentellen Paradigmen geeignet sein. Das Protokoll beschreibt außerdem die Schritte, die während der Datenerfassung erforderlich sind, darunter die Platzierung der fNIRS-Kappe und die Signalkalibrierung, die Einrichtung von Teilnehmern und experimentellen Geräten sowie die Bereinigung und Datenspeicherung nach dem Experiment. Das Protokoll schließt mit einem Überblick über die analytischen Pipelines, die für die Vorverarbeitung von fNIRS- und fMRT-Daten spezifisch sind.