Blok Tasarımı Uygulayan İşlevsel Yakın Kızılötesi Spektroskopi Deneyinden Nitel ve Karşılaştırmalı Kortikal Aktivite Veri Analizleri

Nörorehabilitasyon sensorimotor bozukluğunun ardından fonksiyonel iyileşmede önemli bir rol oynar. Nöroplastisite ile ilişkili fonksiyonel iyileşme mekanizmalarını netleştirmek için fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), pozitron emisyon tomografisi (PET), elektroensefalografi (EEG) ve fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) gibi çeşitli nörogörüntleme teknolojileri kullanılmıştır. Farklı görüntüleme yöntemlerinin farklı avantajları ve dezavantajları vardır. fMRI en tipik cihaz olmasına rağmen, manyetik alanlardan etkilenir, yüksek maliyetli, yüksek fiziksel kısıtlamaya ve sınırlı sensorimotor görevleri¹, 2^,3,4. FNIRS cihazı noninvaziv optik nörogörüntüleme olarak öne çıkıyor ve nispeten daha düşük bir mekansal çözünürlüğe sahip, ancak fMRI^4’tendaha iyi bir zamansal çözünürlüğe sahip . fNIRS, müdahale öncesi ve sonrası etkileri karşılaştırdığı, dinamik motor görevlere sahip olduğu, taşınabilir olduğu ve doğal ortamlarda fMRI^1,2,4’tendaha fazla işlev gördüğü için tedavi etkilerini doğrularken uygundur. NIRS’nin serebrovasküler hastalık, epileptik bozukluklar, ağır beyin hasarı, Parkinson hastalığı ve bilişsel bozukluk alanlarında daha uygun olduğu bildirilmiştir^1,5. Sensorimotor görevleri ile ilgili olarak, yürüyüş ve duran denge 6 ,⁷,^8,üst uzuv fonksiyonu (el kavrama, parmakla dokunma) 8 ,^9,karmaşık motor beceri eğitimi 10 ,^11,robotik^{12 , 13,14,15}ve beyin-bilgisayar arayüzü¹⁶,^17,18‘ de yaygın olarak kullanılır. FNIRS, kortikal metabolik aktiviteyi, artan kan akışını ve dolayısıyla kortikal aktiviteyi ikincil sinyaller olarak ölçen optik nörogörüntüleme ve nörovasküler kavrama ilkelerine dayanmaktadır¹⁹. fNIRS sinyallerinin kan oksijen seviyesine bağımlı fMRI²⁰sinyalleri ile güçlü korelasyonlara sahip olduğu bildirilmiştir. Sürekli dalga fNIRS, geniş bant yakın kızılötesi ışık zayıflaması^21,22’deki ölçülen değişikliklere dayanarak oksijenli hemoglobin_{(HbO 2)}ve deoksijene hemoglobin (HHb) kortikal konsantrasyon seviyelerindeki değişiklikleri belirlemek için değiştirilmiş Bira-Lambert yasasını^kullanır. Sürekli dalga NIRS sistemini kullanarak diferansiyel yol uzunluğu faktörünü (DPF) ölçmek mümkün olmadığından, DPF’nin sabit olduğunu ve hemoglobin sinyal değişikliklerinin milimole milimetre (mM x mm)^2,18’inrastgele birimlerinde belirtildiğini varsaydık.

FNIRS deneylerinin prob ayarları, deney tasarımları ve analiz yöntemleri dahil olmak üzere en yeterli yöntemleri seçmesi gerekir. Prob ayarı ile ilgili olarak, EEG ölçümünde kullanılan uluslararası 10-20 yöntemi, birçok araştırmacı tarafından nörogörüntlemede kullanılan ayar standardıdır. Son yıllarda Montreal Nöroloji Enstitüsü (MNI) koordinatlarına dayanarak standart beyne dayalı koordinat ayarları kullanılmıştır. Deney, genellikle sensorimotor görevleri için kullanılan bir blok tasarımı ve olayla ilgili bir tasarım kullanır. Bu, istirahatte ve görevler sırasında hemoglobin konsantrasyonundaki değişiklikleri karşılaştırma yöntemidir; Göreve bağlı kortikal aktivite ile ilişkili serebral kan akışındaki değişikliklerle HbO₂ konsantrasyon seviyeleri artar ve HHb konsantrasyon seviyeleri azalır. Çeşitli analiz yöntemleri olmasına rağmen, NIRS-SPM ücretsiz yazılımı fMRI’nın istatistiksel parametrik eşlemesine (SPM) benzer bir analiz sağlar. NIRS verilerinin tedavisi, genel doğrusal modele (GLM) dayalı kitlesel olarak tek değişkenli bir yaklaşım kullanır. Göreve bağımlı beyin aktivitesi analizi yapılırken, fNIRS ölçümleri serebral ve ekstraserebral bölmede uyandırılan veya çağrıştırılmayan nöronal aktivite ve sistemik fizyolojik girişimlerden (kalp hızı, kan basıncı, solunum hızı ve otonom sinir sistemi aktivitesi) etkilenebilir²³. Bu nedenle, ön analiz işleme, filtreleme, dalgacık dönüştürme ve ana bileşen analizi yararlıdır²³. NIRS-SPM kullanılarak veri işlemenin filtre ve yapıtları ile ilgili olarak, hareket veya diğer gürültü/yapı kaynaklarının üstesinden gelmek için düşük geçişli filtreleme⁹ ve dalgacık minimum açıklama uzunluğu (Wavelet-MDL)²⁴ detrending kullanılmıştır. Bu analitik yöntemin ayrıntıları için Ye ve ark.²⁵‘in raporuna bakın. Yalnızca SPM kullanan raporlar olmasına rağmen, görüntü analizi tarafından yalnızca nitel bir dizindir ve NIRS’nin düşük uzamsal çözünürlüğü nedeniyle grup analizi için çok dikkatli olunması gerekir. Ayrıca, DPF sabit olduğunda, kanallar ve bireyler arasındaki sayısal karşılaştırmalar yapılmamalıdır, ancak her kanaldaki değişikliklerdeki fark doğrulanabilir. Yukarıdaki koşullara dayanarak, NIRS-SPM grup analiz sonuçlarını desteklemek için, mekansal kaydın doğruluğunu artırdıktan sonra çok kanallı analiz için orijinal analiz yöntemini kullandık. Bu çok kanallı analiz, HbO₂ ve HHb düzeylerindeki değişimin genliğini, sabit müdahaleler (önce veya sonra), sabit dönemler (dinlenme veya görev üstü) ve rastgele bireysel efektlerle hiyerarşik karışık modeller kullanarak tedaviden önce ve hemen sonra her kanalda geri kalan ve görev başında dönemler arasında karşılaştırdı.

Bu şekilde, birkaç fNIRS ölçüm ve analiz yöntemi vardır; ancak, hiçbir standart yöntem oluşturulmuştur. Bu yazıda, sensorimotor görevlerine sahip bir blok tasarımı kullanarak müdahale öncesi ve sonrası çok kanallı bir FNIRS deneyinden elde edilen verileri analiz etmek için nitel GLM tabanlı istatistiksel parametrik haritalama ve karşılaştırmalı çok seviyeli hiyerarşik karma model yöntemlerimizi tanıtıyoruz.