Raccolta simultanea di dati di fMRI e fNIRS utilizzando un array di optodi a testa intera e canali a breve distanza

La funzione cognitiva è stata studiata nel cervello umano adulto tramite risonanza magnetica funzionale (fMRI) per quasi tre decenni. Sebbene la fMRI fornisca un’elevata risoluzione spaziale e immagini sia funzionali che strutturali, spesso non è pratica per gli studi condotti in contesti naturalistici o per l’uso con neonati e popolazioni cliniche. Questi vincoli limitano sostanzialmente la nostra comprensione delle funzioni cerebrali. Un’alternativa alla fMRI è l’uso di metodologie portatili più convenienti e robuste per il movimento, come la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS)^1,2,3. La fNIRS è stata utilizzata con neonati e bambini piccoli per valutare la funzione cerebrale in una serie di domini cognitivi, come lo sviluppo del linguaggio, l’elaborazione di informazioni socialmente rilevanti e l’elaborazione di oggetti ^4,5,6. La fNIRS è anche una modalità di neuroimaging particolarmente adatta per testare le popolazioni cliniche grazie al suo potenziale per test e monitoraggio ripetuti in tutte le età ^7,8,9. Nonostante la sua ampia applicabilità, non ci sono studi che confrontino quantitativamente i segnali fMRI e fNIRS raccolti simultaneamente dagli stessi soggetti con copertura dell’intera testa. Questo confronto è necessario per convalidare in modo completo le attivazioni a livello di area e la connettività funzionale tra le regioni di interesse (ROI) rispetto al gold standard fMRI. Inoltre, stabilire questa corrispondenza intermodale ha il potenziale per migliorare l’interpretazione della fNIRS quando è l’unico segnale raccolto sia nello sviluppo tipico che in quello atipico.

Sia i segnali fMRI che fNIRS rilevano i cambiamenti nell’ossigenazione del sangue cerebrale (CBO) durante l’attivazione funzionale^{del cervello 10,11}. La fMRI si basa sui cambiamenti nei campi elettromagnetici e fornisce un’elevata risoluzione spaziale dei cambiamenti CBO¹². La fNIRS, al contrario, misura i livelli di assorbimento della luce nel vicino infrarosso utilizzando una serie di optodi che emettono e rilevano la luce². Poiché la fNIRS misura i cambiamenti nell’assorbimento a diverse lunghezze d’onda, può valutare le variazioni di concentrazione sia nell’ossiemoglobina che nella deossiemoglobina. Studi precedenti che utilizzano registrazioni simultanee di segnali fMRI e fNIRS con un piccolo numero di optodi hanno dimostrato che i due segnali hanno un’elevata corrispondenza spaziale e temporale¹⁰. Esistono forti correlazioni tra la fMRI dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) e le misure ottiche^11,13, con la deossiemoglobina che mostra la più alta correlazione con la risposta BOLD, come riportato da un lavoro precedente che confronta le dinamiche temporali delle funzioni di risposta emodinamica (HRF) fNIRS e fMRI)¹⁴. Questi primi studi hanno implementato paradigmi di risposta motoria (ad esempio, il tocco delle dita) e hanno utilizzato un numero limitato di optodi che coprivano le aree della corteccia motoria primaria e premotoria. Nell’ultimo decennio, gli studi hanno ampliato l’attenzione per includere una batteria più ampia di compiti cognitivi e sessioni in stato di riposo, sebbene utilizzino ancora un numero limitato di optodi che coprono ROI specifici. Questi studi hanno dimostrato che la variabilità delle correlazioni fNIRS/fMRI dipende dalla distanza dell’optodo dal cuoio capelluto e dal cervello¹⁵. Inoltre, la fNIRS può fornire misure di connettività funzionale in stato di riposo paragonabili alla fMRI^16,17.

L’attuale protocollo si basa su lavori precedenti e affronta le limitazioni chiave i) fornendo una copertura fNIRS a testa intera, ii) includendo misurazioni a breve distanza per la regressione di segnali fisiologici non corticali, iii) implementando due diversi metodi per la co-registrazione optodo-cuoio capelluto delle misurazioni fNIRS e iv) consentendo la valutazione dell’affidabilità test-retest del segnale in due sessioni indipendenti. Questo protocollo per la raccolta simultanea dei dati dei segnali fMRI e fNIRS è stato inizialmente sviluppato per testare i giovani adulti. Tuttavia, uno degli obiettivi dello studio era quello di creare una configurazione sperimentale per la raccolta simultanea di segnali fMRI/fNIRS che possono essere successivamente adattati per testare le popolazioni in via di sviluppo. Pertanto, l’attuale protocollo può essere utilizzato anche come punto di partenza per lo sviluppo di un protocollo per testare i bambini piccoli. Oltre a utilizzare la copertura fNIRS dell’intera testa, il protocollo mira anche a incorporare i recenti progressi nel campo dell’hardware fNIRS, come l’inclusione di canali a breve distanza per misurare il segnale fisiologico sistemico (cioè i cambiamenti vascolari derivanti da fonti non corticali, come la pressione sanguigna, i segnali respiratori e cardiaci)^18,19 ; e l’uso di un sensore di struttura 3D per la co-registrazione optodo-cuoio capelluto²⁰. Sebbene l’obiettivo del presente protocollo sia sui risultati di un compito a scacchiera lampeggiante visivo, l’intero esperimento include due sessioni con un mix di progetti tradizionali di attività a blocchi, sessioni in stato di riposo e paradigmi naturalistici di visione di film.

Il protocollo descrive i passaggi necessari per adattare l’apparecchiatura fNIRS per l’uso nell’ambiente MRI, tra cui la progettazione del cappuccio, l’allineamento temporale tramite la sincronizzazione del trigger e i test fantasma richiesti prima dell’inizio della raccolta dei dati. Come notato, l’attenzione qui è sui risultati del compito a scacchiera lampeggiante, ma la procedura complessiva non è specifica del compito e può essere appropriata per qualsiasi numero di paradigmi sperimentali. Il protocollo delinea ulteriormente i passaggi necessari durante la raccolta dei dati, che includono il posizionamento del cappuccio fNIRS e la calibrazione del segnale, la configurazione delle apparecchiature sperimentali e dei partecipanti, nonché la pulizia post-esperimento e l’archiviazione dei dati. Il protocollo si conclude fornendo una panoramica delle pipeline analitiche specifiche per la pre-elaborazione dei dati fNIRS e fMRI.