איסוף נתונים סימולטני של מדידות fMRI ו-fNIRS באמצעות מערך Optode של ראש שלם וערוצים למרחקים קצרים

תפקוד קוגניטיבי נחקר במוח האנושי הבוגר באמצעות דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) במשך כמעט שלושה עשורים. למרות ש-fMRI מספק רזולוציה מרחבית גבוהה ותמונות תפקודיות ומבניות, לעתים קרובות הוא אינו מעשי למחקרים שנערכו בהקשרים נטורליסטיים או לשימוש עם תינוקות ואוכלוסיות קליניות. אילוצים אלה מגבילים באופן משמעותי את הבנתנו את תפקוד המוח. חלופה ל-fMRI היא שימוש במתודולוגיות ניידות שהן חסכוניות יותר ועמידות יותר לתנועה, כגון ספקטרוסקופיה תפקודית של אינפרא-אדום קרוב (fNIRS)^1,2,3. fNIRS שימש עם תינוקות וילדים צעירים כדי להעריך את תפקוד המוח במגוון תחומים קוגניטיביים, כגון התפתחות שפה, עיבוד מידע רלוונטי חברתית ועיבוד אובייקטים ^4,5,6. fNIRS היא גם שיטת דימות מוחי המתאימה במיוחד לבדיקת אוכלוסיות קליניות בשל הפוטנציאל שלה לבדיקות וניטור חוזרים בקרב גילאי ^7,8,9. למרות תחולתו הרחבה, אין מחקרים המשווים כמותית אותות fMRI ו-fNIRS שנאספו בו זמנית מאותם נבדקים עם כיסוי ראש שלם. השוואה זו נחוצה כדי לאמת באופן מקיף הפעלות ברמת האזור וקישוריות תפקודית בין אזורי עניין (ROIs) מול תקן הזהב fMRI. יתר על כן, לביסוס התאמה בין-מודאלית זו יש פוטנציאל לשפר את הפרשנות של fNIRS כאשר זהו האות היחיד שנאסף לאורך התפתחות טיפוסית ולא טיפוסית.

אותות fMRI ו-fNIRS מזהים שינויים בחמצון הדם המוחי (CBO) במהלך הפעלה תפקודית^{של המוח 10,11}. fMRI מסתמך על שינויים בשדות אלקטרומגנטיים ומספק רזולוציה מרחבית גבוהה של שינויי CBO¹². fNIRS, לעומת זאת, מודד את רמות הבליעה של אור אינפרא אדום קרוב באמצעות סדרה של אופטודות פולטות אור וגילוי אור². מאחר ש-fNIRS מודד שינויים בבליעה באורכי גל שונים, הוא יכול להעריך שינויי ריכוז הן באוקסיהמוגלובין והן בדאוקסיהמוגלובין. מחקרים קודמים שהשתמשו בהקלטות סימולטניות של אותות fMRI ו-fNIRS עם מספר קטן של אופטודות הראו כי לשני האותות יש התאמה מרחבית וזמנית גבוהה¹⁰. ישנם מתאמים חזקים בין fMRI תלוי רמת חמצן בדם (BOLD) לבין מדדים אופטיים^11,13, כאשר deoxyhemoglobin הראה את המתאם הגבוה ביותר עם תגובת BOLD, כפי שדווח על ידי עבודה קודמת המשווה את הדינמיקה הטמפורלית של פונקציות התגובה ההמודינמית fNIRS ו- fMRI (HRFs)¹⁴. מחקרים מוקדמים אלה יישמו פרדיגמות של תגובה מוטורית (כלומר, הקשה על אצבעות) והשתמשו במספר מוגבל של אופטודות המכסות אזורים מוטוריים ראשוניים וקליפת המוח הקדם-מוטורית. בעשור האחרון, מחקרים הרחיבו את המיקוד כדי לכלול סוללה גדולה יותר של משימות קוגניטיביות והפעלות במצב מנוחה, אם כי עדיין משתמשים במספר מוגבל של אופטודות המכסות ROI ספציפי. מחקרים אלה הראו כי השונות במתאמי fNIRS/fMRI תלויה במרחק של האופטודה מהקרקפת ומהמוח¹⁵. יתר על כן, fNIRS יכול לספק אמצעי קישוריות תפקודית במצב מנוחה הדומים ל-fMRI^16,17.

הפרוטוקול הנוכחי מתבסס על עבודה קודמת ומתייחס למגבלות מרכזיות על ידי i) מתן כיסוי fNIRS לכל הראש, ii) כולל מדידות למרחקים קצרים עבור רגרסיה של אותות פיזיולוגיים שאינם קליפת המוח, iii) יישום שתי שיטות שונות לרישום משותף של אופטודה לקרקפת של מדידות fNIRS ו- iv) מאפשר הערכה של אמינות הבדיקה החוזרת של האות על פני שני מפגשים עצמאיים. פרוטוקול זה לאיסוף נתונים סימולטני של אותות fMRI ו-fNIRS פותח בתחילה לבדיקת צעירים. עם זאת, אחת ממטרות המחקר הייתה ליצור מערך ניסויי לאיסוף אותות fMRI/fNIRS בו זמנית שניתן להתאים לאחר מכן לבדיקת אוכלוסיות התפתחותיות. לכן, הפרוטוקול הנוכחי יכול לשמש גם כנקודת מוצא לפיתוח פרוטוקול לבדיקת ילדים צעירים. בנוסף לשימוש בכיסוי fNIRS של כל הראש, הפרוטוקול שואף גם לשלב את ההתקדמות האחרונה בתחום חומרת fNIRS, כגון הכללת ערוצים למרחקים קצרים למדידת האות הפיזיולוגי המערכתי (כלומר, שינויים בכלי הדם הנובעים ממקורות שאינם קליפת המוח, כגון לחץ דם, אותות נשימה ולב)^18,19 ; ושימוש בחיישן מבנה תלת-ממדי לרישום משותף של אופטודה לקרקפת²⁰. למרות שהפרוטוקול הנוכחי מתמקד בתוצאות של משימת לוח משבצות מהבהב חזותי, הניסוי כולו כולל שני מפגשים עם שילוב של עיצובים מסורתיים של משימות בלוקים, סשנים של מצב מנוחה ופרדיגמות נטורליסטיות של צפייה בסרטים.

הפרוטוקול מתאר את השלבים הדרושים להתאמת ציוד fNIRS לשימוש בסביבת MRI, כולל תכנון מכסה, יישור זמני באמצעות סנכרון טריגר ובדיקות פנטום הנדרשות לפני תחילת איסוף הנתונים. כאמור, ההתמקדות כאן היא בתוצאות משימת לוח המשבצות המהבהב, אך ההליך הכולל אינו ספציפי למשימה ויכול להתאים למספר רב של פרדיגמות ניסיוניות. הפרוטוקול מתאר גם את השלבים הנדרשים במהלך איסוף הנתונים, הכוללים מיקום מכסה fNIRS וכיול אותות, הגדרת משתתפים וציוד ניסיוני, כמו גם ניקוי לאחר ניסוי ואחסון נתונים. הפרוטוקול מסתיים במתן סקירה כללית של הצינורות האנליטיים הספציפיים לעיבוד מקדים של נתוני fNIRS ו-fMRI.