Coleta simultânea de dados de medições de fMRI e fNIRS usando um arranjo de optode de cabeça inteira e canais de curta distância

A função cognitiva tem sido estudada no cérebro humano adulto por meio de ressonância magnética funcional (RMf) há quase três décadas. Embora a RMf forneça alta resolução espacial e imagens funcionais e estruturais, muitas vezes não é prática para estudos realizados em contextos naturalísticos ou para uso com lactentes e populações clínicas. Essas restrições limitam substancialmente nossa compreensão da função cerebral. Uma alternativa à RMf é o uso de metodologias portáteis mais econômicas e robustas ao movimento, como a espectroscopia funcional no infravermelho próximo (fNIRS)^1,2,3. A fNIRS tem sido utilizada com lactentes e crianças pequenas para avaliar a função cerebral em uma variedade de domínios cognitivos, como desenvolvimento da linguagem, processamento de informações socialmente relevantes e processamento de objetos ^4,5,6. A fNIRS também é uma modalidade de neuroimagem especialmente adequada para testar populações clínicas devido ao seu potencial para testes repetidos e monitoramento através de idades ^7,8,9. Apesar de sua ampla aplicabilidade, não há estudos comparando quantitativamente os sinais de RMf e fNIRS coletados simultaneamente dos mesmos indivíduos com cobertura de cabeça inteira. Essa comparação é necessária para validar de forma abrangente as ativações em nível de área e a conectividade funcional entre regiões de interesse (ROIs) em relação ao padrão-ouro de RMf. Além disso, o estabelecimento dessa correspondência intermodalidade tem o potencial de melhorar a interpretação da fNIRS quando é o único sinal coletado em ambos os desenvolvimentos típicos e atípicos.

Tanto a RMf quanto os sinais da fNIRS detectam alterações na oxigenação sanguínea (OCC) cerebral durante a ativação funcional cerebral^10,11. A RMf baseia-se em mudanças em campos eletromagnéticos e fornece uma alta resolução espacial das alterações da CBO¹². O fNIRS, por outro lado, mede os níveis de absorção de luz infravermelha próxima usando uma série de optodes emissores e detectores de luz². Uma vez que o fNIRS mede mudanças na absorção em diferentes comprimentos de onda, ele pode avaliar mudanças de concentração tanto na oxi- quanto na desoxihemoglobina. Estudos anteriores utilizando registros simultâneos de sinais de RMf e fNIRS com um pequeno número de optódios mostraram que os dois sinais têm alta correspondência espacial e temporal¹⁰. Existem fortes correlações entre RMf dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) e medidas ópticas^11,13, com a desoxihemoglobina apresentando a maior correlação com a resposta BOLD, como relatado por trabalhos anteriores comparando a dinâmica temporal das funções de resposta hemodinâmica (FCR) da RMf e da RMf14. Esses primeiros estudos implementaram paradigmas de resposta motora (isto é, toque dos dedos) e usaram um número limitado de optódios cobrindo áreas motoras primárias e córtex pré-motor. Na última década, os estudos expandiram o foco para incluir uma bateria maior de tarefas cognitivas e sessões de repouso, embora ainda usando um número limitado de optódios cobrindo ROIs específicas. Esses estudos mostraram que a variabilidade nas correlações fNIRS/fMRI é dependente da distância do optode do couro cabeludo e do cérebro¹⁵. Além disso, a fNIRS pode fornecer medidas de conectividade funcional em repouso comparáveis à RMf^16,17.

O protocolo atual baseia-se em trabalhos anteriores e aborda as principais limitações, i) fornecendo cobertura fNIRS de cabeça inteira, ii) incluindo medições de curta distância para regressão de sinais fisiológicos não corticais, iii) implementando dois métodos diferentes para o co-registro opto-couro cabeludo das medidas fNIRS e iv) permitindo a avaliação da confiabilidade teste-reteste do sinal em duas sessões independentes. Este protocolo para coleta simultânea de dados de sinais de RMf e fNIRS foi inicialmente desenvolvido para testar adultos jovens. No entanto, um dos objetivos do estudo foi criar um arranjo experimental para coletar sinais simultâneos de RMf/fNIRS que possam ser posteriormente adaptados para testar populações de desenvolvimento. Portanto, o protocolo atual também pode ser usado como ponto de partida para o desenvolvimento de um protocolo para testar crianças pequenas. Além de utilizar a cobertura de fNIRS de cabeça inteira, o protocolo também visa incorporar avanços recentes no campo do hardware de fNIRS, como a inclusão de canais de curta distância para medir o sinal fisiológico sistêmico (ou seja, alterações vasculares decorrentes de fontes não corticais, como pressão arterial, sinais respiratórios e cardíacos)^18,19 ; e o uso de um sensor de estrutura 3D para o co-registro opto-couro cabeludo²⁰. Embora o foco do presente protocolo esteja nos resultados de uma tarefa de xadrez piscante visual, todo o experimento inclui duas sessões com uma mistura de designs tradicionais de tarefas em bloco, sessões de repouso e paradigmas naturalistas de visualização de filmes.

O protocolo descreve as etapas necessárias para adaptar o equipamento fNIRS para uso no ambiente de RM, incluindo o desenho da tampa, o alinhamento temporal via sincronização do gatilho e os testes simuladores necessários antes do início da coleta de dados. Como observado, o foco aqui está nos resultados da tarefa de xadrez intermitente, mas o procedimento geral não é específico da tarefa e pode ser apropriado para qualquer número de paradigmas experimentais. O protocolo descreve ainda as etapas necessárias durante a coleta de dados, que incluem a colocação da tampa fNIRS e calibração do sinal, a configuração do equipamento participante e experimental, bem como a limpeza pós-experimento e o armazenamento dos dados. O protocolo termina fornecendo uma visão geral dos pipelines analíticos específicos para o pré-processamento de dados de fNIRS e fMRI.