使用全头光电阵列和短距离通道同时收集 fMRI 和 fNIRS 测量数据

近三十年来，人们一直在通过功能性磁共振成像 （fMRI） 在成人大脑中研究认知功能。尽管功能磁共振成像（fMRI）提供了高空间分辨率以及功能和结构图像，但对于在自然环境中进行的研究或用于婴儿和临床人群的研究，它通常不实用。这些限制极大地限制了我们对大脑功能的理解。fMRI 的替代方案是使用更具成本效益且对运动更稳健的便携式方法，例如功能性近红外光谱 （fNIRS）^1,2,3。fNIRS已被用于婴幼儿，以评估一系列认知领域的大脑功能，例如语言发展，社会相关信息的处理和对象处理^4,5,6。fNIRS也是一种神经影像学方法，特别适合检测临床人群，因为它有可能在^7,8,9岁人群中重复检测和监测。尽管其适用性很广，但没有研究定量比较同时从同一受试者收集的具有全头部覆盖率的 fMRI 和 fNIRS 信号。这种比较对于根据 fMRI 金标准全面验证区域级激活和感兴趣区域 （ROI） 之间的功能连接是必要的。此外，建立这种模态间对应关系有可能增强对fNIRS的解释，因为它是典型和非典型发育中唯一收集的信号。

fMRI 和 fNIRS 信号都检测功能性脑激活期间脑血氧 （CBO） 的变化^10,11。fMRI 依赖于电磁场的变化，并提供 CBO 变化的高空间分辨率¹²。相比之下，fNIRS使用一系列发光和光检测^光电管2测量近红外光的吸收水平。由于fNIRS测量不同波长的吸收变化，因此它可以评估氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。先前使用少量光极同时记录 fMRI 和 fNIRS 信号的研究表明，这两种信号具有很高的空间和时间对应关系¹⁰。血氧水平依赖性 （BOLD） fMRI 与光学测量之间存在很强的相关性^11,13，脱氧血红蛋白与 BOLD 反应的相关性最高，正如先前比较 fNIRS 和 fMRI 血流动力学反应函数 （HRF） 的时间动力学的工作所报告的那样¹⁴。这些早期研究实施了运动反应范式（即手指敲击），并使用了有限数量的光电管覆盖初级运动和运动前皮层区域。在过去的十年中，研究已经扩大了关注范围，包括更多的认知任务和静息状态会话，尽管仍然使用有限数量的视光管来覆盖特定的ROI。这些研究表明，fNIRS/fMRI 相关性的变异性取决于光与头皮和大脑的距离¹⁵.此外，fNIRS可以提供与fMRI相当的静息态功能连接测量^16,17。

目前的协议建立在先前工作的基础上，并通过以下方式解决了关键限制：i）提供全头fNIRS覆盖，ii）包括用于非皮层生理信号回归的短距离测量，iii）实施两种不同的方法，用于fNIRS测量值的光电到头皮共同配准，以及iv）能够在两个独立的会话中评估信号的重测可靠性。这种用于同时收集fMRI和fNIRS信号数据的协议最初是为测试年轻人而开发的。然而，该研究的目标之一是创建一个实验装置，用于收集同时的fMRI / fNIRS信号，这些信号随后可以用于测试发育人群。因此，目前的协议也可以作为制定测试幼儿的协议的起点。除了使用全头fNIRS覆盖外，该协议还旨在结合fNIRS硬件领域的最新进展，例如包括短距离通道来测量全身生理信号（即由非皮质来源引起的血管变化，如血压、呼吸和心脏信号）^18,19;以及使用 3D 结构传感器进行光电与头皮共配准²⁰.尽管本协议的重点是视觉闪烁棋盘任务的结果，但整个实验包括两个会话，混合了传统的块任务设计、静止状态会话和自然主义观影范式。

该协议描述了使fNIRS设备适应MRI环境所需的步骤，包括帽设计，通过触发同步进行时间对齐以及数据收集开始前所需的幻象测试。如前所述，这里的重点是闪烁棋盘任务的结果，但整个过程不是特定于任务的，可以适用于任何数量的实验范式。该协议进一步概述了数据收集过程中所需的步骤，包括fNIRS电容放置和信号校准，参与者和实验设备设置，以及实验后清理和数据存储。该协议最后概述了专门用于预处理fNIRS和fMRI数据的分析管道。