تحليل بيانات النشاط القشري النوعي والمقارن من تجربة الطيف الوظيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء التي تطبق تصميم الكتلة

يلعب التأهيل العصبي دورا مهما في التعافي الوظيفي بعد الاضطراب الحسي الحركي. لتوضيح آليات التعافي الوظيفي المرتبط بالبلاستيك العصبي، تم استخدام تقنيات التصوير العصبي المختلفة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI)، والتصوير المقطعي لانبعاثات البوزيترون (PET)، والتصوير الكهربائي ل الدماغ (EEG)، والتنظير الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS). طرائق التصوير المختلفة لها مزايا وعيوب مختلفة. على الرغم من أن جهاز الرنين المغناطيسي هو الجهاز الأكثر شيوعا ، إلا أنه يتأثر بالمجالات المغناطيسية ، وبه تكلفة عالية ، وتقييد مادي مرتفع ، ومهام حسية محدودة^1،2،3،4. جهاز fNIRS تبرز باعتبارها التصوير العصبي البصري غير الباضعة ولها دقة المكانية أقل نسبيا، ولكن لديها دقة زمنية أفضل من التصوير بالرنين المجاري⁴. fNIRS مناسبة عند التحقق من آثار العلاج لأنه يقارن بين آثار ما قبل مقابل ما بعد التدخل، والمهام الحركية الديناميكية، والمحمولة، ويعمل أكثر في البيئات الطبيعية من fMRI^1،2،4. وقد أفيد أن NIRS أن تكون أكثر ملاءمة في مجالات الأمراض الدماغية الوعائية, اضطرابات الصرع, إصابة الدماغ الشديدة, مرض باركنسون, وضعف الإدراك^1,5. وفيما يتعلق بالمهام الحسية الحركية، فهو يستخدم على نطاق واسع في المشية والتوازن الدائم^6و7و8ووظيفة الطرف العلوي (الإمساك باليد، والتنصت على الإصبع)^8و9وتدريب المهارات الحركية^{المعقدة 10و11}والروبوتات^{12و13و14و15}وواجهة الدماغ والكمبيوتر^16و17و18. ويستند fNIRS على مبادئ التصوير العصبي البصري واقتران الأوعية الدموية العصبية، والتي تقيس النشاط الأيضي القشري، وزيادة تدفق الدم، وبالتالي النشاط القشري والإشارات الثانوية¹⁹. وقد أفيد fNIRS إشارات أن لها علاقات قوية مع إشارات من الدم الأكسجين تعتمد على مستوى²⁰fMRI . يستخدم fNIRS الموجة المستمرة قانون البيرة لامبرت المعدل لتحديد التغيرات في الهيموغلوبين المؤكسيج (HbO₂₎ومستويات تركيز الهيموغلوبين الهوكسيجين (HHb) القشرية استنادا إلى التغيرات المقاسة في توهين ضوء النطاق العريض القريب من الأشعة تحت الحمراء^21،22. لأنه لم يكن من الممكن لقياس الفرق عامل طول المسار (DPF) باستخدام نظام NIRS الموجة المستمرة، افترضنا أن DPF كان ثابتا وأن التغيرات إشارة الهيموغلوبين كان يشار إليها في وحدات التعسفي من ميليمول ملليمتر (mM × مم)^2،18.

وينبغي لتجارب ال FNIRS أن تختار أكثر الطرق ملاءمة بما في ذلك إعدادات المسبار، وتصميمات التجربة، وأساليب التحليل. وفيما يتعلق بإعداد المسبار، فإن الطريقة الدولية 10-20 المستخدمة في قياس تخطيط كهربية الدماغ هي معيار الإعداد الذي يستخدمه العديد من الباحثين في التصوير العصبي. في السنوات الأخيرة، تم استخدام إعدادات التنسيق على أساس الدماغ القياسي على أساس إحداثيات معهد مونتريال العصبي (MNI). تستخدم التجربة تصميم كتلة ، يستخدم عادة للمهام الحسية الحركية ، وتصميما متعلقا بالحدث. هذه طريقة لمقارنة التغيرات في تركيز الهيموغلوبين في الراحة وأثناء المهام. مستويات تركيز HbO₂ زيادة ومستويات تركيز HHb تنخفض مع التغيرات في تدفق الدم الدماغي المرتبطة النشاط القشري تعتمد على المهمة. 10- ورغم وجود أساليب تحليل مختلفة، فإن البرمجيات الحرة للمعهد الوطني للإبلاغ عن الألغام – نظام الإدارة الوطنية تمكن من إجراء تحليل مماثل لرسم الخرائط الإحصائية البارامترية (SPM) للمعهد. يستخدم علاج بيانات NIRS نهجا أحادي المتغيرات الجماعية استنادا إلى النموذج الخطي العام (GLM). عند إجراء تحليل نشاط الدماغ المعتمد على المهام ، يمكن أن تتأثر قياسات fNIRS بالنشاط العصبي المثار أو غير المثار والتدخلات الفسيولوجية الجهازية (معدل ضربات القلب وضغط الدم ومعدل التنفس ونشاط الجهاز العصبي اللاإرادي) في المقصورة الدماغية وخارج الدماغ^23. لذلك ، فإن معالجة ما قبل التحليل ، والتصفية ، وتحويل الموجة ، وتحليل المكون الرئيسي مفيدة^23. وفيما يتعلق تصفية والتحف من معالجة البيانات باستخدام NIRS-SPM، تم استخدام تصفية تمرير^{منخفضة 9} وطول وصف الحد الأدنى الموجي (Wavelet-MDL)²⁴ detrending للتغلب على الحركة أو مصادر أخرى من الضوضاء / القطع الأثرية. للحصول على تفاصيل هذه الطريقة التحليلية، راجع تقرير يي وآخرون²⁵. على الرغم من وجود تقارير تستخدم SPM فقط ، إلا أنها ليست سوى فهرس نوعي عن طريق تحليل الصور ، ونظرا لانخفاض الدقة المكانية ل NIRS ، فإن الحذر الشديد مطلوب لتحليل المجموعة. وعلاوة على ذلك، عندما يكون برنامج إدارة القنوات ثابتا، لا ينبغي إجراء مقارنات رقمية بين القنوات والأفراد، ولكن يمكن التحقق من الفرق في التغييرات في كل قناة. بناء على الشروط المذكورة أعلاه، من أجل استكمال نتائج تحليل مجموعة NIRS-SPM، استخدمنا طريقة التحليل الأصلية للتحليل متعدد القنوات بعد تحسين دقة التسجيل المكاني. قارن هذا التحليل متعدد القنوات سعة التغيير في مستويات HbO₂ وHHB بين فترات الراحة وفترات العمل في كل قناة قبل وبعد العلاج مباشرة باستخدام نماذج مختلطة هرمية مع تدخلات ثابتة (قبل أو بعد) ، وفترات محددة (الراحة أو على المهمة) ، والآثار الفردية العشوائية.

وبهذه الطريقة، هناك عدة أساليب لقياس وتحليل ال FNIRS؛ ومع ذلك، لم يتم تأسيس أي أسلوب قياسي. في هذه الورقة ، نقدم أساليبنا ، ورسم الخرائط البارامترية الإحصائية النوعية القائمة على GLM والنموذج المختلط الهرمي متعدد المستويات المقارنة ، لتحليل البيانات التي تم الحصول عليها من تجربة fNIRS متعددة القنوات لما قبل التدخل مقابل ما بعده باستخدام تصميم الكتلة مع المهام الحسية الحركية.