Métodos de neuro-imagem campo usando funcional perto de neuroimagem de espectroscopia de infravermelho (NIR) para estudar o Desenvolvimento Global da criança: Rural África subsahariana
Summary
Abordagens de neuroimagem portátil (funcional perto de espectroscopia no infravermelho) fornecem avanços para o estudo do cérebro em regiões anteriormente inacessíveis; aqui, rural Costa do Marfim. Inovação no desenvolvimento de protocolos de neuroimagem culturalmente apropriadas e métodos permite romance estudo do desenvolvimento do cérebro e resultados de aprendizagem das crianças em ambientes com a adversidade e significativa da pobreza.
Abstract
Abordagens de neuroimagem portáteis fornecem novos avanços para o estudo da função cerebral e o desenvolvimento do cérebro com populações anteriormente inacessíveis e em locais remotos. Este artigo mostra o desenvolvimento de campo perto de espectroscopia de infravermelho (fNIRS) imagem latente funcional para o estudo da criança leitura, linguagem e desenvolvimento cognitivo em um cenário de aldeia rural da costa do Marfim. Inovação no desenvolvimento de protocolos de neuroimagem culturalmente apropriado e métodos permitem uma vista de olhos pela primeira vez no desenvolvimento do cérebro e resultados de aprendizagem das crianças em ambientes pouco estudados. Este documento demonstra protocolos para transporte e criação de um laboratório móvel, aborda considerações para campo e laboratório de neuroimagem, e apresenta um guia para o desenvolvimento de neuroimagem consentimento procedimentos e edifício significativo a longo prazo colaborações com parceiros locais do governo e da ciência. Métodos de neuroimagem portátil podem ser usados para estudar os contextos de desenvolvimento complexo infantil, incluindo o impacto da pobreza significativa e adversidade no desenvolvimento do cérebro. O protocolo aqui apresentado foi desenvolvido para uso na costa do Marfim, a principal fonte mundial de cacau, e onde relatórios de criança do trabalho no setor de cacau são comuns. No entanto, pouco se sabe sobre o impacto do trabalho infantil na aprendizagem e desenvolvimento do cérebro. Métodos de neuroimagem de campo têm o potencial para produzir novos insights sobre tais questões urgentes e o desenvolvimento das crianças globalmente.
Introduction
Imagem de fNIRS portátil fornece a capacidade de estudar o funcionamento do cérebro e desenvolvimento fora do laboratório, nas configurações anteriormente inacessíveis ou com populações pouco estudadas. Muito do conhecimento no domínio da neurociência cognitiva vem de estudos realizados na Universidade ou hospital configurações de laboratório, nos países ocidentais predominantemente de imagem. Por design, isto contribui para um problema raramente-falada-de pesquisa: muito do que é conhecido sobre o cérebro é baseado em estudos com os participantes para os quais configurações de laboratório (principalmente) os países ocidentais são acessíveis. Ou seja, a maioria das pesquisas de neuroimagem envolve os participantes que vivem na proximidade razoável para um laboratório de neuroimagem e tem tanto tempo e recursos necessários para participar de um estudo. Como uma disciplina, neurociência cognitiva tem como objetivo entender o cérebro e os fatores que moldam o seu desenvolvimento — incluindo os efeitos poderosos do ambiente da criança e sua vida-experiências1,2,3. Métodos que avançam a capacidade do campo para estudar o desenvolvimento de uma gama mais completa de experiência humana dramaticamente podem avançar a compreensão da complexa relação entre o desenvolvimento do cérebro e as experiências de vida que moldá-la.
Este trabalho apresenta um protocolo para neuroimagem de campo, que foi desenvolvido para uso na África subsahariana rural, especificamente a sul da costa do Marfim. O objetivo deste programa de pesquisa de neuroimagem de campo foi compreender o desenvolvimento de leitura das crianças em um ambiente com alto risco de analfabetismo. Taxa de alfabetização de jovens (15-24 anos) de Côte d’Ivoire é de 53%, apesar de 93% escola primária de taxas de inscrição4. Costa do Marfim é a principal fonte mundial de cacau, e há um estimado 1,3 milhões de crianças trabalhadoras no setor agrícola cacau5. No entanto, pouco se sabe sobre o impacto do trabalho infantil no desenvolvimento do cérebro e aprendizagem, especificamente para aprender a ler. Aplicar as mais recentes ferramentas de neurociência cognitiva, ou seja, métodos de neuroimagem portátil, pode produzir valiosos insights sobre os resultados da aprendizagem das crianças. Por exemplo, campo neuroimagem com fNIRS pode permitir a identificação dos períodos de desenvolvimento neurológico, durante o qual direcionados a programas educacionais ou intervenções podem ter impactos máximas sobre os resultados de aprendizagem das crianças.
fNIRS neuroimagem é well-suited para pesquisa de campo. Semelhante à ressonância magnética funcional (fMRI), fNIRS medidas de resposta hemodinâmica cerebral6. No entanto, o fNIRS utiliza uma série de luz emitindo optodes e detectores de luz, ao invés de gerar campos eletromagnéticos. Não existem restrições sobre metal em ou perto da área de testes, e sem blindagem eléctrica é necessário, como é o caso de eletroencefalografia (EEG). Uma vantagem chave de fNIRS é a sua portabilidade (ou seja, alguns sistemas podem caber em uma mala) e facilidade de uso. fNIRS também é fácil de usar com crianças; a criança está sentada confortavelmente em uma cadeira durante o experimento, e o sistema de fNIRS tolera movimento bem comparado a fMRI. Comparado com fMRI, fNIRS também fornece medidas distintas de pobre em oxigênio (HbR) e a hemoglobina oxigenada (HbO) durante a gravação, em comparação com fMRI, que produz uma medida de densidade de nível (negrito) de oxigênio sangue combinado. fNIRS tem resolução temporal superior a fMRI: taxas de amostragem pode variar entre ~ 7-15 Hz. fNIRS tem boa resolução espacial: profundidade do fNIRS da gravação no córtex humano é menor que fMRI, medindo cerca de 3 a 4 cm de profundidade, que é well-suited para estudar funções corticais, especialmente com bebês e crianças que têm crânios mais finos que adultos3,7,8,9,10.
Este protocolo de neuroimagem de campo descreve as considerações para viajar com e criação de um laboratório de neuroimagem portátil em contextos de poucos recursos. O protocolo também destaca a natureza essencial de colaborações significativas, a longo prazo com parceiros locais ciência e maneiras pela qual esta abordagem serve para construir capacidade local de ciência. O protocolo de neuroimagem para coletar e analisar dados de cérebro de fNIRS de uma bateria de linguagem, leitura e tarefas cognitivas, é demonstrado, incluindo recomendações para a criação de procedimentos culturalmente apropriado consentimento informado para pesquisa de imagem. Enquanto este protocolo é projetado para pesquisa de desenvolvimento cognitivo, com crianças de escola primária envelhecida na rural Costa do Marfim, o protocolo é altamente relevante para qualquer estudo de neuroimagem de campo em ambientes desafiadores, poucos recursos e pode ser adaptado para romance contextos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho apresentou um protocolo de neuroimagem de campo apropriado para contextos de poucos recursos em locais remotos. O avanço chave do protocolo de neuroimagem neste campo é a capacidade de pela primeira vez para estudar a função cerebral e seu desenvolvimento em Understudy (ou nunca-antes de que estudou) contextos. Passos críticos neste protocolo incluem viajar com e criação de um laboratório móvel apropriado para coleta de dados de qualidade em climas tropicais, sem eletricidade ou instalações dispo…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi feita possível através da Jacobs Foundation Fellowship de carreira precoce de K. Jasinska (número de comunhão: 2015 118455). Os autores também desejam reconhecer Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga e Yvette Foto pela sua ajuda na coleta de dados e suporte de campo. Um agradecimento especial a famílias e filhos de Moapé, Ananguié, Affery e Becouefin para a sua participação neste programa de pesquisa e calorosa hospitalidade dos vilarejos.
Materials
| LIGHTNIRS Main Unit Pack 120V | Shimadzu | 292-34000-42 | Component of the fNIRS system |
| HOLDER ASSY, ALL- CAP | Shimadzu | 594-07618-01 | Component of the fNIRS system |
| LIGHTNIRS connection cable | Shimadzu | 567-10976-11 | fNIRS system component |
| Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets) | Shimadzu | 567-11350-01 | fNIRS system component |
| Dell Latitude Laptop | Shimadzu (from Dell) | 220-97322-00 | Master computer to run fNIRS applications |
| PATRIOT SEU (System Electronics Unit) | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT System component |
| Power Supply | POLHEMUS | 2C0809 | PATRIOT System component |
| Power Supply cord | POLHEMUS | 17500B-BLK | PATRIOT System component |
| RS-232 null modem cable | POLHEMUS | 1C0288 | PATRIOT System component |
| USB cable | POLHEMUS | 1C0289 | PATRIOT System component |
| RX2 Sensor 10' cable | POLHEMUS | 4A0492-20 | PATRIOT System component |
| TX2 Source 10' cable | POLHEMUS | 4A0506-20 | PATRIOT System component |
Referências
- Dawson, G., Ashman, S. B., Carver, L. J. The role of early experience in shaping behavioral and brain development and its implications for social policy. Dev Psychopathol. 12 (4), 695-712 (2000).
- Blair, C., Raver, C. C. Poverty, Stress, and Brain Development: New Directions for Prevention and Intervention. Acad Pediatr. 16 (3 Suppl), S30-S36 (2016).
- Jasińska, K. K., Petitto, L. A. How age of bilingual exposure can change the neural systems for language in the developing brain: A functional near infrared spectroscopy investigation of syntactic processing in monolingual and bilingual children. Dev Cogn Neurosci. 6c, 87-101 (2013).
- Statistics, U. I. f. . Côte d’Ivoire. , (2017).
- University, T. . 2013/14 Survey Research on Child Labor in West African Cocoa Growing Areas. , (2015).
- Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54 (4), 2808-2821 (2011).
- Quaresima, V., Bisconti, S., Ferrari, M. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain Lang. 121 (2), 79-89 (2012).
- Jasińska, K. K., Berens, M. S., Kovelman, I., Petitto, L. A. Bilingualism yields language-specific plasticity in left hemisphere’s circuitry for learning to read in young children. Neuropsychologia. 98, 34-45 (2016).
- Jasińska, K. K., Petitto, L. A. Development of neural systems for reading in the monolingual and bilingual brain: new insights from functional near infrared spectroscopy neuroimaging. Dev Neuropsychol. 39 (6), 421-439 (2014).
- Petitto, L., et al. The “Perceptual Wedge Hypothesis” as the basis for bilingual babies’ phonetic processing advantage: new insights from fNIRS brain imaging. Brain Lang. 121 (2), 130-143 (2012).
- Jasper, H. H. Report of the Committee on Methods of Clinical Examination in Electroencephalography. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10 (2), 370-371 (1958).
- Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. Journal of visualized experiments. (29), (2009).
- Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Comput Intell Neurosci. 2011, 879716 (2011).
- Tak, S., Ye, J. C. Statistical analysis of fNIRS data: A comprehensive review. Neuroimage. 85, Part 1, 72-91 (2014).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
- Huppert, T. J. T. J., Diamond, S. G. S. G., Franceschini, M. A. M. A., Boas, D. A. D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48 (10), D280-D298 (2009).
- Huppert, T. J. Commentary on the statistical properties of noise and its implication on general linear models in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 3 (1), 010401 (2016).
- Rosso, A. L., et al. Neuroimaging of an attention demanding dual-task during dynamic postural control. Gait Posture. 57, 193-198 (2017).
- Jang, K. E. K. E., et al. Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034004-034004 (2009).
- Worsley, K. J., Friston, K. J. Analysis of fMRI time-series revisited–again. Neuroimage. 2 (3), 173-181 (1995).
- Friston, K. J., Josephs, O., Rees, G., Turner, R. Nonlinear event-related responses in fMRI. Magn Reson Med. 39 (1), 41-52 (1998).
- Sun, J. Y. Tail Probabilities of the Maxima of Gaussain Random-Fields. The Annals of Probability. 21 (1), 34-71 (1993).
- Sun, J. Y., Loader, C. R. Simultaneous Confidence Bands for Linear-Regression and Smoothing. The Annals of Statistics. 22 (3), 1328-1345 (1994).
- Molfese, P. J., Glen, D., Mesite, L., Pugh, K., Cox, R. . Organization of Human Brain Mapping. , (2015).
- Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
- Krosin, M. T., Klitzman, R., Levin, B., Cheng, J., Ranney, M. L. Problems in comprehension of informed consent in rural and peri-urban Mali, West Africa. Clinical Trials. 3, (2006).
- Leach, A. An evaluation of the informed consent procedure used during a trial of a Haemophilus influenzae type B conjugate vaccine undertaken in The Gambia, West Africa. Soc Sci Med. 48, (1999).
- Molyneux, C. S., Peshu, N., Marsh, K. Understanding of informed consent in a low-income setting: three case studies from the Kenyan Coast. Soc Sci Med. 59, (2004).
- Oduro, A. R. Understanding and retention of the informed consent process among parents in rural northern Ghana. BMC Med Ethics. 9 (1), 1-9 (2008).
- Tindana, P. O., Kass, N., Akweongo, P. The Informed Consent Process in a Rural African Setting:: A Case Study of the Kassena-Nankana District of Northern Ghana. IRB. 28 (3), 1-6 (2006).
- Lloyd-Fox, S., et al. fNIRS in Africa & Asia: an Objective Measure of Cognitive Development for Global Health Settings. The FASEB Journal. 30 (1 Supplement), (2016).
- Storrs, C. . Nature News. , (2018).
- Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740 (2014).
- Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).
