Качественный и сравнительный анализ данных кортикальной активности из функционального эксперимента по ближней инфракрасной спектроскопии с применением блочного дизайна

Нейрореабилитация играет важную роль в функциональном восстановлении после сенсомоторных нарушений. Для уточнения механизмов функционального восстановления, связанного с нейропластичностью, были использованы различные технологии нейровизуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (фНИРС). Различные методы визуализации имеют разные преимущества и недостатки. Хотя фМРТ является наиболее типичным устройством, на него воздействуют магнитные поля, имеет высокую стоимость, высокую физическую ограниченность и ограничены сенсомоторные задачи^1,2,3,4. Устройство fNIRS выделяется как неинвазивная оптическая нейровизуализация и имеет относительно более низкое пространственное разрешение, но оно имеет лучшее временное разрешение, чем фМРТ^4. fNIRS подходит для проверки эффектов лечения, поскольку он сравнивает эффекты до и после вмешательства, имеет динамические двигательные задачи, является портативным и функционирует больше в естественных условиях, чем фМРТ^1,2,4. Сообщается, что NIRS более подходит в областях цереброваскулярных заболеваний, эпилептических расстройств, тяжелой черепно-мозговой травмы, болезни Паркинсона и когнитивных^{нарушений 1,5.} Что касается сенсомоторных задач, то он широко используется в походке и стоячемравновесии^6,7,8,функции верхних конечностей (хватание рукой, постукивание пальцем)^8,9,комплексная тренировка двигательных навыков^10,11,робототехника^12,13,14,15и мозг-компьютерный интерфейс^16,17,18. fNIRS основан на принципах оптической нейровизуализации и нейрососудистой связи, которые измеряют кортикальные метаболические активности, увеличение кровотока и, следовательно, кортикальной активности в качестве вторичных сигналов^19. Сообщалось, что сигналы fNIRS имеют сильную корреляцию с сигналами крови, зависящей от уровня кислорода fMRI^20. Непрерывноволновый fNIRS использует модифицированный закон Бира-Ламберта для определения изменений уровней концентрации кислородированного гемоглобина (HbO₂₎и дезоксигенированного гемоглобина (HHb) кортикальной концентрации на основе измеренных изменений широкополосного затухания света в ближнем инфракрасном диапазоне^21,22. Поскольку было невозможно измерить дифференциальный коэффициент длины пути (DPF) с помощью непрерывно-волновой системы NIRS, мы предположили, что DPF является постоянным и что изменения сигнала гемоглобина обозначаются в произвольных единицах миллимол-миллиметр^{(мМ х}мм)^2,18.

Эксперименты fNIRS должны выбрать наиболее адекватные методы, включая настройки зонда, проекты экспериментов и методы анализа. Что касается настройки зонда, международный метод 10-20, используемый в измерении ЭЭГ, является стандартом установки, используемым многими исследователями в нейровизуализации. В последние годы используются координатные установки на основе стандартных координат мозга на основе координат Монреальского неврологического института (MNI). В эксперименте используется блочный дизайн, обычно используемый для сенсомоторных задач, и дизайн, связанный с событиями. Это метод сравнения изменений концентрации гемоглобина в состоянии покоя и во время выполнения заданий; Уровни концентрации HbO₂ увеличиваются, а уровни концентрации HHb уменьшаются с изменениями мозгового кровотока, связанными с целевой кортикальной активностью. Хотя существуют различные методы анализа, бесплатное программное обеспечение NIRS-SPM позволяет проводить анализ, аналогичный статистическому параметрическому отображению (SPM) фМРТ. При обработке данных NIRS используется массово-одномерный подход, основанный на общей линейной модели (GLM). При выполнении анализа активности мозга, зависящего от задачи, на измерения fNIRS могут влиять вызванная или невызыковая нейронная активность и системные физиологические вмешательства (частота сердечных сокращений, артериальное давление, частота дыхания и активность вегетативной нервной системы) в мозговом и внемозговом отделе^23. Поэтому предварительная обработка анализа, фильтрация, вейвлет-преобразование и анализ главных компонентов^{полезны23.} Что касается фильтрации и артефактов обработки данных с использованием NIRS-SPM, то для преодоления движения или других источников шума/артефакта использовались низкополосная фильтрация⁹ и длина минимального описания вейвлета (Wavelet-MDL)^24. Для получения подробной информации об этом аналитическом методе обратитесь к отчету Ye et al.^25. Хотя существуют отчеты, использующие только SPM, это только качественный индекс анализа изображений, и из-за низкого пространственного разрешения NIRS требуется крайняя осторожность для группового анализа. Более того, когда DPF полен, числовые сравнения между каналами и отдельными лицами не должны выполняться, но разница в изменениях в каждом канале может быть проверена. Исходя из вышеуказанных условий, для дополнения результатов группового анализа NIRS-SPM мы использовали оригинальный метод анализа для многоканального анализа после повышения точности пространственной регистрации. Этот многоканальный анализ сравнивал амплитуду изменения уровней HbO₂ и HHb между периодами покоя и выполнения задачи на каждом канале до и сразу после лечения с использованием иерархических смешанных моделей с фиксированными вмешательствами (до или после), фиксированными периодами (отдых или на задаче) и случайными индивидуальными эффектами.

Таким образом, существует несколько методов измерения и анализа fNIRS; однако никакого стандартного метода не установлено. В данной работе мы представляем наши методы, качественное статистическое параметрическое отображение на основе GLM и сравнительную многоуровневую иерархическую смешанную модель, для анализа данных, полученных из многоканального эксперимента fNIRS до и после вмешательства с использованием блочной конструкции с сенсомоторными задачами.