Analisi qualitative e comparative dei dati di attività corticale da un esperimento funzionale di spettroscopia del vicino infrarosso che applica la progettazione di blocchi

La neuroriabilitazione gioca un ruolo importante nel recupero funzionale a seguito di disturbi sensorimotori. Per chiarire i meccanismi di recupero funzionale associato alla neuroplasticità, sono state utilizzate varie tecnologie di neuroimaging, come la risonanza magnetica funzionale (fMRI), la tomografia ad emissione di positroni (PET), l’elettroencefalografia (EEG) e la spettroscopia funzionale vicino all’infrarosso (fNIRS). Diverse modalità di imaging hanno diversi vantaggi e svantaggi. Sebbene il fMRI sia il dispositivo più tipico, è influenzato da campi magnetici, ha un costo elevato, un’elevata restrizione fisica e attività sensorimotorie^{limitate 1,2,3,4}. Il dispositivo fNIRS si distingue come neuroimaging ottico non invasivo e ha una risoluzione spaziale relativamente inferiore, ma ha una risoluzione temporale migliore rispetto a fMRI⁴. fNIRS è adatto quando si verificano gli effetti del trattamento perché confronta gli effetti pre- contro post-intervento, ha attività motorie dinamiche, è portatile e funziona più in ambienti naturali rispetto a fMRI^1,2,4. Nirs è stato segnalato per essere più adatto nei campi della malattia cerebrovascolare, disturbi epilettici, grave lesione cerebrale, morbo di Parkinson, e deficit cognitivo^1,5. Per quanto riguarda le attività sensorimotorie, è ampiamente utilizzato nell’andatura e nel bilanciamento in piedi^6,7,8,funzione dell’arto superiore (afferramento della mano, maschiatura delle dita)^8,9,allenamento complesso delle abilità motorie^10,11,robotica^12,13,14,15e interfaccia cervello-computer^16,17,18. Il fNIRS si basa sui principi del neuroimaging ottico e dell’accoppiamento neurovascolare, che misurano l’attività metabolica corticale, l’aumento del flusso sanguigno e di conseguenza l’attività corticale come segnali^{secondari 19}. È stato riferito che i segnali fNIRS hanno forti correlazioni con segnali di fMRI²⁰dipendente dal livello di ossigeno nel sangue . Un fNIRS ad onda continua utilizza la legge di Beer-Lambert modificata per determinare i cambiamenti nei livelli di concentrazione corticale dell’emoglobina ossigenata (HbO₂₎e dell’emoglobina deossigenata (HHb) in base alle variazioni misurate nell’attenuazione della luce nel vicino^{infrarosso a banda larga 21,22}. Poiché non era possibile misurare il fattore differenziale di lunghezza del percorso (DPF) utilizzando il sistema NIRS ad onda continua, abbiamo supposto che il DPF fosse costante e che i cambiamenti del segnale dell’emoglobina fossero denotati in unità arbitrarie di millimole-millimetro (mM x mm)^2,18.

Gli esperimenti fNIRS devono selezionare i metodi più appropriati, tra cui le impostazioni della sonda, i progetti dell’esperimento e i metodi di analisi. Per quanto riguarda l’impostazione della sonda, il metodo internazionale 10-20 utilizzato nella misurazione EEG è lo standard di impostazione utilizzato da molti ricercatori nella neuroimaging. Negli ultimi anni, sono state utilizzate impostazioni di coordinate basate sul cervello standard sulla base delle coordinate del Montreal Neurological Institute (MNI). L’esperimento utilizza un progetto a blocchi, generalmente utilizzato per attività sensorimotorie, e un progetto relativo agli eventi. Questo è un metodo per confrontare i cambiamenti nella concentrazione di emoglobina a riposo e durante i compiti; I livelli di concentrazione di HbO₂ aumentano e i livelli di concentrazione di HHb diminuiscono con i cambiamenti nel flusso sanguigno cerebrale associati all’attività corticale dipendente dalle attività. Sebbene esistano vari metodi di analisi, il software libero NIRS-SPM consente un’analisi simile alla mappatura parametrica statistica (SPM) di fMRI. Il trattamento dei dati NIRS utilizza un approccio univariato di massa basato sul modello lineare generale (GLM). Quando si esegue un’analisi dell’attività cerebrale dipendente dalle attività, le misurazioni fNIRS possono essere influenzate dall’attività neuronale evocata o non evocata e dalle interferenze fisiologiche sistemiche (frequenza cardiaca, pressione sanguigna, frequenza respiratoria e attività del sistema nervoso autonomo) nel compartimento cerebrale ed extracerebrale²³. Pertanto, l’elaborazione, il filtraggio, la conversione wavelet e l’analisi dei componenti principali sono^{utili 23}. Per quanto riguarda il filtraggio e gli artefatti dell’elaborazione dei dati utilizzando il NIRS-SPM, il filtro passa-basso⁹ e la lunghezza minima della descrizione wavelet (Wavelet-MDL)²⁴ sono stati utilizzati per superare il movimento o altre fonti di rumore / artefatto. Per informazioni dettagliate su questo metodo analitico, fare riferimento al rapporto di Ye et^al. Sebbene ci siano rapporti che usano solo SPM, è solo un indice qualitativo per analisi delle immagini e, a causa della bassa risoluzione spaziale di NIRS, è necessaria estrema cautela per l’analisi di gruppo. Inoltre, quando il DPF è costante, non dovrebbero essere eseguiti confronti numerici tra canali e individui, ma la differenza nelle modifiche in ogni canale può essere verificata. Sulla base delle condizioni di cui sopra, al fine di integrare i risultati dell’analisi del gruppo NIRS-SPM, abbiamo utilizzato il metodo di analisi originale per l’analisi multicanale dopo aver migliorato l’accuratezza della registrazione spaziale. Questa analisi multicanale ha confrontato l’ampiezza della variazione dei livelli hbo₂ e HHb tra il resto e i periodi di attività in ogni canale prima e immediatamente dopo il trattamento utilizzando modelli misti gerarchici con interventi fissi (prima o dopo), periodi fissi (riposo o su compito) ed effetti individuali casuali.

In questo modo, esistono diversi metodi di misurazione e analisi fNIRS; tuttavia, non è stato stabilito alcun metodo standard. In questo articolo, introduciamo i nostri metodi, la mappatura statistica parametrica qualitativa basata su GLM e il modello misto gerarchico comparativo multi-livello, per analizzare i dati ottenuti da un esperimento fNIRS multicanale di pre- vs. post-intervento utilizzando un block design con attività sensorimotorie.