Análises de dados de atividade cortical qualitativa e comparativa de um experimento funcional de espectroscopia infravermelha aplicando design de bloco

A neuroreabilitação desempenha um papel importante na recuperação funcional após a perturbação sensorial. Para esclarecer os mecanismos de recuperação funcional associada à neuroplasticidade, várias tecnologias de neuroimagem têm sido utilizadas, como ressonância magnética funcional (fMRI), tomografia de emissão de pósitrons (PET), eletroencefalografia (EEG) e espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS). Diferentes modalidades de imagem têm diferentes vantagens e desvantagens. Embora o fMRI seja o dispositivo mais típico, ele é afetado por campos magnéticos, tem alto custo, alta restrição física e tarefas sensoriais limitadas^1,2,3,4. O dispositivo fNIRS destaca-se como uma neuroimagem óptica não invasiva e tem uma resolução espacial relativamente menor, mas tem uma resolução temporal melhor do que fMRI⁴. FNIRS é adequado ao verificar os efeitos do tratamento porque compara os efeitos pré-versus pós-intervenção, tem tarefas motoras dinâmicas, é portátil e funciona mais em ambientes naturais do que fMRI^1,2,4. O NIRS tem sido relatado ser mais adequado nos campos da doença cerebrovascular, distúrbios epilépticos, lesão cerebral grave, doença de Parkinson e comprometimento cognitivo^1,5. No que diz respeito às tarefas sensoriais, é amplamente utilizado no equilíbrio de marcha e pé^6,7,8, função do membro superior (aperto da mão, toque de dedo)^8,9, treinamento complexo de habilidades motoras^10,11,robótica^12,13,14,15, e interface cérebro-computador^16,17,18. O fNIRS baseia-se nos princípios da neuroimagem óptica e do acoplamento neurovascular, que medem a atividade metabólica cortical, o aumento do fluxo sanguíneo e, consequentemente, a atividade cortical como sinais secundários¹⁹. Os sinais fNIRS têm sido relatados como fortes correlações com sinais de fMRI²⁰dependente do nível de oxigênio no sangue . Um fNIRS de ondas contínuas usa a lei modificada de Beer-Lambert para determinar as alterações nos níveis de concentração cortical de hemoglobina oxigenada (HbO₂) e desoxigenada (HHb) com base em mudanças medidas na atenuação da luz infravermelha de banda larga^21,22. Como não foi possível medir o fator diferencial de comprimento do caminho (DPF) utilizando o sistema NIRS de ondas contínuas, assumimos que o DPF era constante e que as alterações de sinal de hemoglobina eram denotadas em unidades arbitrárias de milímetros (mM x mm)^2,18.

Os experimentos fNIRS precisam selecionar os métodos mais adequados, incluindo as configurações da sonda, os desenhos do experimento e os métodos de análise. Em relação à configuração da sonda, o método internacional 10-20 utilizado na medição do EEG é o padrão de definição utilizado por muitos pesquisadores na neuroimagem. Nos últimos anos, foram utilizadas configurações coordenadas baseadas no cérebro padrão com base nas coordenadas do Instituto Neurológico de Montreal (MNI). O experimento usa um design de bloco, geralmente usado para tarefas sensoriais, e um design relacionado a eventos. Trata-se de um método de comparação de alterações na concentração de hemoglobina em repouso e durante as tarefas; Os níveis de concentração do_{HBO 2} aumentam e os níveis de concentração de HHb diminuem com alterações no fluxo sanguíneo cerebral associados à atividade cortical dependente da tarefa. Embora existam vários métodos de análise, o software livre NIRS-SPM permite uma análise semelhante ao mapeamento paramétrico estatístico (SPM) do fMRI. O tratamento dos dados nirs utiliza uma abordagem univariada em massa com base no modelo linear geral (GLM). Ao realizar a análise da atividade cerebral dependente da tarefa, as medidas do fNIRS podem ser afetadas pela atividade neuronal evocada ou não evocada e interferências fisiológicas sistêmicas (frequência cardíaca, pressão arterial, taxa respiratória e atividade autônoma do sistema nervoso) no compartimento cerebral e extracerebral²³. Portanto, o processamento pré-análise, filtragem, conversão de wavelet e análise de componentes principais são úteis²³. Em relação à filtragem e artefatos do processamento de dados utilizando o NIRS-SPM, a filtragem de baixo passe⁹ e o comprimento mínimo de descrição de wavelet (Wavelet-MDL)²⁴ detennding foram usados para superar o movimento ou outras fontes de ruído/artefato. Para obter detalhes deste método analítico, consulte o relatório de Ye et al.²⁵. Embora existam relatórios utilizando apenas SPM, é apenas um índice qualitativo por análise de imagem, e devido à baixa resolução espacial do NIRS, é necessária extrema cautela para a análise em grupo. Além disso, quando a DPF é constante, comparações numéricas entre canais e indivíduos não devem ser realizadas, mas a diferença nas mudanças em cada canal pode ser verificada. Com base nas condições acima, a fim de complementar os resultados de análise do grupo NIRS-SPM, utilizou-se o método de análise original para análise multicanal após melhorar a precisão do registro espacial. Esta análise multicanal comparou a amplitude da mudança nos níveis de HbO₂ e HHb entre os períodos de descanso e on-task em cada canal antes e imediatamente após o tratamento usando modelos hierárquicos mistos com intervenções fixas (antes ou depois), períodos fixos (descanso ou sobre a tarefa) e efeitos individuais aleatórios.

Desta forma, existem vários métodos de medição e análise de fNIRS; no entanto, nenhum método padrão foi estabelecido. Neste artigo, introduzimos nossos métodos, mapeamento paramétrico estatístico qualitativo baseado em GLM e o modelo misto hierárquico comparativo de vários níveis, para analisar dados obtidos a partir de um experimento fNIRS multicanal de pré-vs. pós-intervenção usando um projeto de bloco com tarefas sensorimotoras.