Tüm kafa optode dizisi ve kısa mesafeli kanallar kullanılarak fMRI ve fNIRS ölçümlerinin eş zamanlı veri toplanması

Bilişsel işlev, yetişkin insan beyninde yaklaşık otuz yıldır fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) yoluyla incelenmiştir. Her ne kadar fMRI yüksek uzamsal çözünürlük ve hem fonksiyonel hem de yapısal görüntüler sağlasa da, natüralist bağlamlarda yürütülen çalışmalar için veya bebekler ve klinik popülasyonlarla kullanım için genellikle pratik değildir. Bu kısıtlamalar beyin fonksiyonlarını anlamamızı önemli ölçüde sınırlar. fMRI’ya bir alternatif, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopisi (fNIRS)^1,2,3 gibi daha uygun maliyetli ve harekete dayanıklı taşınabilir metodolojilerin kullanılmasıdır. fNIRS, dil gelişimi, sosyal olarak ilgili bilgilerin işlenmesi ve nesne işleme gibi bir dizi bilişsel alanda beyin fonksiyonlarını değerlendirmek için bebeklerde ve küçük çocuklarda kullanılmıştır ^4,5,6. fNIRS ayrıca, ^7,8,9 yaşları arasında tekrarlanan test ve izleme potansiyeli nedeniyle özellikle klinik popülasyonları test etmek için uygun bir nörogörüntüleme yöntemidir. Geniş uygulanabilirliğine rağmen, aynı deneklerden aynı anda toplanan fMRI ve fNIRS sinyallerini kantitatif olarak karşılaştıran hiçbir çalışma yoktur. Bu karşılaştırma, fMRI altın standardına göre ilgi bölgeleri (ROI’ler) arasındaki alan düzeyinde aktivasyonları ve işlevsel bağlantıyı kapsamlı bir şekilde doğrulamak için gereklidir. Ayrıca, bu modaliteler arası yazışmanın kurulması, hem tipik hem de atipik gelişimde toplanan tek sinyal olduğunda fNIRS’nin yorumlanmasını geliştirme potansiyeline sahiptir.

Hem fMRI hem de fNIRS sinyalleri, fonksiyonel beyin aktivasyonu sırasında serebral kan oksijenasyonundaki (CBO) değişiklikleri tespit eder^10,11. fMRI, elektromanyetik alanlardaki değişikliklere dayanır ve CBO değişikliklerinin yüksek uzamsal çözünürlüğünü sağlar¹². fNIRS, aksine, bir dizi ışık yayan ve ışık algılayan optod² kullanarak yakın kızılötesi ışığın absorpsiyon seviyelerini ölçer. fNIRS, farklı dalga boylarında absorpsiyon değişikliklerini ölçtüğünden, hem oksi- hem de deoksihemoglobindeki konsantrasyon değişikliklerini değerlendirebilir. Az sayıda optod ile fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı kayıtlarını kullanan önceki çalışmalar, iki sinyalin yüksek uzamsal ve zamansal yazışmaya sahip olduğunu göstermiştir¹⁰. Kan-oksijen seviyesine bağımlı (BOLD) fMRI ile optik ölçümler^11,13 arasında güçlü korelasyonlar vardır ve deoksihemoglobin, fNIRS ve fMRI hemodinamik yanıt fonksiyonlarının (HRF’ler) zamansal dinamiklerini karşılaştıran önceki çalışmalarda bildirildiği gibi, BOLD yanıtı ile en yüksek korelasyonu ^{göstermektedir14}. Bu erken çalışmalar, motor tepki paradigmalarını (yani parmakla dokunma) uyguladı ve birincil motor ve premotor korteks alanlarını kapsayan sınırlı sayıda optod kullandı. Son on yılda, çalışmalar, belirli yatırım getirilerini kapsayan sınırlı sayıda optod kullanmasına rağmen, odağı daha geniş bir bilişsel görevler ve dinlenme durumu oturumları dizisini içerecek şekilde genişletti. Bu çalışmalar, fNIRS / fMRI korelasyonlarındaki değişkenliğin, optodun kafa derisinden ve beyinden uzaklığına bağlı olduğunu göstermiştir¹⁵. Ayrıca, fNIRS, fMRI^16,17 ile karşılaştırılabilir dinlenme durumu fonksiyonel bağlantı önlemleri sağlayabilir.

Mevcut protokol önceki çalışmalara dayanmaktadır ve i) tüm kafa fNIRS kapsamı sağlayarak, ii) kortikal olmayan fizyolojik sinyallerin gerilemesi için kısa mesafeli ölçümler dahil ederek, iii) fNIRS ölçümlerinin optoddan kafa derisine birlikte kaydı için iki farklı yöntem uygulayarak ve iv) iki bağımsız oturumda sinyalin test-tekrar test güvenilirliğinin değerlendirilmesini sağlayarak temel sınırlamaları ele almaktadır. fMRI ve fNIRS sinyallerinin eşzamanlı veri toplaması için bu protokol başlangıçta genç yetişkinleri test etmek için geliştirilmiştir. Bununla birlikte, çalışmanın amaçlarından biri, daha sonra gelişimsel popülasyonları test etmek için uyarlanabilecek eşzamanlı fMRI / fNIRS sinyallerini toplamak için deneysel bir düzenek oluşturmaktı. Bu nedenle, mevcut protokol, küçük çocukları test etmek için bir protokol geliştirmek için bir başlangıç noktası olarak da kullanılabilir. Protokol, tüm kafa fNIRS kapsamını kullanmanın yanı sıra, sistemik fizyolojik sinyali (yani, kan basıncı, solunum ve kalp sinyalleri gibi kortikal olmayan kaynaklardan kaynaklanan vasküler değişiklikler) ölçmek için kısa mesafeli kanalların dahil edilmesi gibi fNIRS donanımı alanındaki son gelişmeleri de dahil etmeyi ^{amaçlamaktadır18,19} ; ve optode-kafa derisi ortak kaydı için bir 3D yapı sensörünün kullanımı²⁰. Mevcut protokolün odak noktası görsel olarak yanıp sönen bir dama tahtası görevinin sonuçları olsa da, tüm deney geleneksel blok görev tasarımları, dinlenme durumu oturumları ve doğal film izleme paradigmalarının bir karışımını içeren iki oturum içerir.

Protokol, kapak tasarımı, tetik senkronizasyonu yoluyla zamansal hizalama ve veri toplamaya başlamadan önce gerekli fantom testleri dahil olmak üzere fNIRS ekipmanını MRI ortamında kullanılmak üzere uyarlamak için gereken adımları açıklar. Belirtildiği gibi, buradaki odak noktası, yanıp sönen dama tahtası görevinin sonuçlarıdır, ancak genel prosedür göreve özgü değildir ve herhangi bir sayıda deneysel paradigma için uygun olabilir. Protokol ayrıca, fNIRS kapak yerleştirme ve sinyal kalibrasyonu, katılımcı ve deneysel ekipman kurulumunun yanı sıra deney sonrası temizleme ve veri depolamayı içeren veri toplama sırasında gerekli adımları özetlemektedir. Protokol, fNIRS ve fMRI verilerinin ön işlenmesine özgü analitik işlem hatlarına genel bir bakış sağlayarak sona erer.