全頭部オプトードアレイと短距離チャンネルを用いたfMRIとfNIRSの同時測定データ収集

認知機能は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)を介して成人の脳で30年近く研究されてきました。fMRIは高い空間分解能と機能的および構造的画像の両方を提供しますが、自然主義的な文脈で実施される研究や、乳児や臨床集団での使用には実用的ではないことがよくあります。これらの制約は、脳機能の理解を実質的に制限します。fMRIの代替法は、機能的近赤外分光法(fNIRS^)1,2,3など、より費用対効果が高く、動きに対して堅牢なポータブル手法を使用することです。fNIRSは、言語発達、社会的に関連性のある情報の処理、物体処理など、さまざまな認知領域にわたる脳機能を評価するために乳幼児に使用されています^4,5,6。fNIRSは、^7、8、⁹歳にわたって繰り返し検査とモニタリングを行う可能性があるため^、臨床集団の検査に特に適した神経画像モダリティでもあります。その幅広い適用性にもかかわらず、同じ被験者から同時に収集されたfMRI信号とfNIRS信号を頭全体を対象として定量的に比較した研究はありません。この比較は、fMRIゴールドスタンダードに照らして、領域レベルの活性化と関心領域(ROI)間の機能的接続性を包括的に検証するために必要です。さらに、このモダリティ間の対応関係を確立することは、fNIRSが典型的および非定型的発達の両方で収集された唯一のシグナルである場合に、fNIRSの解釈を強化する可能性を秘めています。

fMRIとfNIRSの信号はどちらも、脳の機能的活性化中の脳血中酸素化(CBO)の変化を検出します^10,11。fMRIは電磁場の変化に依存し、CBOの変化の高い空間分解能を提供する¹²。対照的に、fNIRSは、一連の発光および光検出オプトードを使用して近赤外光の吸収レベルを測定し^ます2。fNIRSは異なる波長での吸収の変化を測定するため、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの両方の濃度変化を評価することができます。少数のオプトードでfMRI信号とfNIRS信号の同時記録を用いた先行研究により、2つの信号は高い空間的および時間的対応関係を有することが示されている¹⁰。血中酸素濃度依存性(BOLD)fMRIと光学的測定値^11,13の間には強い相関関係があり、fNIRSとfMRIの血行動態応答関数(HRF)の時間的ダイナミクスを比較した先行研究で報告されているように、デオキシヘモグロビンはBOLD応答と最も高い相関を示しています¹⁴。これらの初期の研究では、運動反応パラダイム(すなわち、指のタッピング)を実装し、一次運動野と運動前皮質領域をカバーする限られた数のオプトードを使用していました。過去10年間で、研究は焦点を拡大し、認知タスクと安静状態のセッションのより大きなバッテリーを含むようになりましたが、特定のROIをカバーする限られた数のオプトードを依然として使用しています。これらの研究は、fNIRS/fMRI相関の変動性が頭皮および脳からの光学管の距離に依存することを示した¹⁵。さらに、fNIRSは、fMRI^16,17に匹敵する安静時の機能的接続測定を提供することができます。

現在のプロトコルは、以前の研究に基づいて構築されており、i) 全頭部 fNIRS カバレッジの提供、ii) 非皮質生理学的信号の回帰のための短距離測定を含む、iii) fNIRS 測定のオプトードから頭皮への同時登録のための 2 つの異なる方法の実装、および iv) 2 つの独立したセッションにわたる信号のテストと再テストの信頼性の評価を可能にします。fMRI信号とfNIRS信号を同時にデータ収集するためのこのプロトコルは、当初、若年成人の検査用に開発されました。しかし、この研究の目標の1つは、fMRI/fNIRS信号を同時に収集し、その後、発生集団の検査に応用できる実験装置を作成することでした。したがって、現在のプロトコルは、幼児をテストするためのプロトコルを開発するための出発点としても使用できます。このプロトコルは、全身のfNIRSカバレッジの使用に加えて、全身の生理学的信号(すなわち、血圧、呼吸器、心臓信号などの非皮質ソースから生じる血管の変化)を測定するための短距離チャネルを含めるなど、fNIRSハードウェアの分野における最近の進歩を組み込むことも目的としています^18,19。オプトードと頭皮の共登録のための3D構造センサーの使用²⁰。現在のプロトコルの焦点は、視覚的に点滅するチェッカーボードタスクの結果にありますが、実験全体には、従来のブロックタスク設計、安静状態セッション、および自然主義的な映画鑑賞パラダイムを組み合わせた2つのセッションが含まれています。

このプロトコルでは、キャップの設計、トリガー同期による時間的アライメント、データ収集開始前に必要なファントムテストなど、fNIRS装置をMRI環境で使用するために適応させるために必要な手順を説明しています。前述したように、ここでは点滅するチェッカーボードタスクの結果に焦点を当てていますが、全体的な手順はタスク固有ではなく、任意の数の実験パラダイムに適している可能性があります。このプロトコルでは、fNIRSキャップの配置とシグナルのキャリブレーション、参加者と実験装置のセットアップ、実験後のクリーンアップとデータの保存など、データ収集中に必要な手順をさらに概説しています。プロトコルの最後には、fNIRSおよびfMRIデータの前処理に特化した分析パイプラインの概要を示します。