Одновременный сбор данных измерений фМРТ и фБИС с использованием оптодной матрицы и каналов на коротких расстояниях

Когнитивные функции мозга взрослого человека изучаются с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в течение почти трех десятилетий. Несмотря на то, что фМРТ обеспечивает высокое пространственное разрешение и получение как функциональных, так и структурных изображений, она часто непрактична для исследований, проводимых в натуралистическом контексте, или для использования с младенцами и клиническими популяциями. Эти ограничения существенно ограничивают наше понимание функций мозга. Альтернативой фМРТ является использование портативных методологий, которые являются более экономичными и устойчивыми к движению, таких как функциональная спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS)^1,2,3. fNIRS используется у младенцев и детей младшего возраста для оценки функций мозга в ряде когнитивных областей, таких как развитие речи, обработка социально значимой информации и обработка объектов ^4,5,6. fNIRS также является методом нейровизуализации, особенно подходящим для тестирования клинических популяций из-за его потенциала для повторного тестирования и мониторинга в возрасте ^7,8,9 лет. Несмотря на его широкую применимость, нет исследований, количественно сравнивающих сигналы фМРТ и фБИРС, собранные одновременно от одних и тех же субъектов с охватом всей головы. Это сравнение необходимо для всесторонней проверки активаций на уровне областей и функциональной связности между областями интереса (ROI) в соответствии с золотым стандартом фМРТ. Кроме того, установление этого интермодального соответствия может улучшить интерпретацию fNIRS, когда он является единственным собранным сигналом как в типичном, так и в нетипичном развитии.

Сигналы фМРТ и фНИРС выявляют изменения оксигенации церебральной крови (ООО) во время функциональной активации мозга^10,11. фМРТ опирается на изменения электромагнитных полей и обеспечивает высокое пространственное разрешение изменений СВО¹². fNIRS, напротив, измеряет уровни поглощения ближнего инфракрасного света с помощью серии светоизлучающих и светодетектирующих оптодов². Поскольку fNIRS измеряет изменения поглощения на разных длинах волн, он может оценить изменения концентрации как окси-, так и дезоксигемоглобина. Предыдущие исследования с использованием одновременной регистрации сигналов фМРТ и фНИРС с небольшим числом оптодов показали, что эти два сигнала имеют высокую пространственную и временную корреляцию¹⁰. Существует сильная корреляция между фМРТ, зависящей от уровня кислорода в крови (BOLD) и оптическими показателями^11,13, при этом дезоксигемоглобин показал самую высокую корреляцию с ответом BOLD, как сообщалось в предыдущих работах, сравнивающих временную динамику функций гемодинамического ответа (HRF) fNIRS и fMRI14. В этих ранних исследованиях были реализованы парадигмы двигательной реакции (т.е. постукивание пальцами) и использовалось ограниченное количество оптод, охватывающих первичные моторные и премоторные области коры. В последнее десятилетие исследования расширили фокус, включив в него большую батарею когнитивных задач и сеансов в состоянии покоя, хотя по-прежнему используется ограниченное количество оптодов, охватывающих конкретные ROI. Эти исследования показали, что вариабельность корреляций fNIRS/fMRI зависит от расстояния от оптоды до кожи головы и мозга¹⁵. Кроме того, fNIRS может обеспечить показатели функциональной связи в состоянии покоя, сравнимые с фМРТ^16,17.

Настоящий протокол основан на предыдущих работах и устраняет ключевые ограничения за счет i) обеспечения охвата fNIRS всей головы, ii) включения измерений на коротких расстояниях для регрессии некортикальных физиологических сигналов, iii) реализации двух различных методов для совместной регистрации измерений fNIRS между оптодой и кожей головы и iv) обеспечения оценки надежности сигнала при тестировании и повторном тестировании в течение двух независимых сеансов. Этот протокол для одновременного сбора данных сигналов фМРТ и фНИРС изначально был разработан для тестирования молодых людей. Тем не менее, одной из целей исследования было создание экспериментальной установки для одновременного сбора сигналов фМРТ/фНИРС, которые впоследствии могут быть адаптированы для тестирования популяций развития. Таким образом, текущий протокол также может быть использован в качестве отправной точки для разработки протокола тестирования детей младшего возраста. В дополнение к использованию покрытия fNIRS всей головы, протокол также направлен на включение последних достижений в области аппаратного обеспечения fNIRS, таких как включение каналов на короткие расстояния для измерения системного физиологического сигнала (т.е. сосудистых изменений, возникающих из некорковых источников, таких как артериальное давление, дыхательные и сердечные сигналы)^18,19 ; и использование 3D-структурного датчика для совместной регистрации оптоды и кожи головы²⁰. Несмотря на то, что в настоящем протоколе основное внимание уделяется результатам выполнения задачи на визуальной шахматной доске, весь эксперимент включает в себя две сессии с сочетанием традиционных блочных задач, сессий в состоянии покоя и натуралистических парадигм просмотра фильмов.

Протокол описывает шаги, необходимые для адаптации оборудования fNIRS для использования в условиях МРТ, включая конструкцию колпачка, временное выравнивание с помощью синхронизации триггеров и фантомные тесты, необходимые перед началом сбора данных. Как уже отмечалось, основное внимание здесь уделяется результатам задачи на мигающей шахматной доске, но общая процедура не является специфичной для конкретной задачи и может быть уместна для любого количества экспериментальных парадигм. Протокол также описывает шаги, необходимые во время сбора данных, которые включают в себя установку колпачка fNIRS и калибровку сигнала, настройку участников и экспериментального оборудования, а также очистку после эксперимента и хранение данных. Протокол завершается обзором аналитических конвейеров, специфичных для предварительной обработки данных fNIRS и fMRI.