Recopilación simultánea de datos de mediciones de fMRI y fNIRS utilizando una matriz de optodos de cabeza completa y canales de corta distancia

La función cognitiva se ha estudiado en el cerebro humano adulto a través de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) durante casi tres décadas. Aunque la resonancia magnética funcional proporciona una alta resolución espacial e imágenes tanto funcionales como estructurales, a menudo no es práctica para estudios realizados en contextos naturalistas o para su uso con bebés y poblaciones clínicas. Estas limitaciones limitan sustancialmente nuestra comprensión de la función cerebral. Una alternativa a la resonancia magnética funcional es el uso de metodologías portátiles que son más rentables y resistentes al movimiento, como la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS)^1,2,3. fNIRS se ha utilizado con bebés y niños pequeños para evaluar la función cerebral en una variedad de dominios cognitivos, como el desarrollo del lenguaje, el procesamiento de información socialmente relevante y el procesamiento de objetos ^4,5,6. fNIRS también es una modalidad de neuroimagen especialmente adecuada para la realización de pruebas en poblaciones clínicas debido a su potencial para la repetición de pruebas y monitorización a lo largo de las edades ^7,8,9. A pesar de su amplia aplicabilidad, no hay estudios que comparen cuantitativamente las señales de fMRI y fNIRS recogidas simultáneamente de los mismos sujetos con cobertura de toda la cabeza. Esta comparación es necesaria para validar de forma exhaustiva las activaciones a nivel de área y la conectividad funcional entre regiones de interés (ROI) con respecto al estándar de oro de fMRI. Además, el establecimiento de esta correspondencia intermodal tiene el potencial de mejorar la interpretación de fNIRS cuando es la única señal recogida tanto en el desarrollo típico como en el atípico.

Tanto las señales de fMRI como fNIRS detectan cambios en la oxigenación de la sangre cerebral (CBO) durante la activación funcional del cerebro^10,11. La resonancia magnética funcional se basa en los cambios en los campos electromagnéticos y proporciona una alta resolución espacial de los cambios en la CBO¹². fNIRS, por el contrario, mide los niveles de absorción de la luz infrarroja cercana utilizando una serie de optodos emisores y detectores de luz². Dado que fNIRS mide los cambios en la absorción en diferentes longitudes de onda, puede evaluar los cambios en la concentración tanto en la oxihemoglobina como en la desoxihemoglobina. Estudios previos que utilizaron registros simultáneos de señales de fMRI y fNIRS con un pequeño número de optodos han demostrado que las dos señales tienen una alta correspondencia espacial y temporal¹⁰. Existen fuertes correlaciones entre la fMRI dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) y las medidas ópticas^11,13, siendo la desoxihemoglobina la que muestra la mayor correlación con la respuesta BOLD, según lo reportado por trabajos previos que comparan la dinámica temporal de las funciones de respuesta hemodinámica (HRF) fNIRS y fMRI)¹⁴. Estos primeros estudios implementaron paradigmas de respuesta motora (es decir, golpeteo con los dedos) y utilizaron un número limitado de optodos que cubrían las áreas de la corteza motora primaria y premotora. En la última década, los estudios han ampliado el enfoque para incluir una batería más grande de tareas cognitivas y sesiones en estado de reposo, aunque todavía utilizan un número limitado de optodos que cubren ROI específicos. Estos estudios han demostrado que la variabilidad en las correlaciones entre fNIRS y fMRI depende de la distancia del optodo al cuero cabelludo y al cerebro¹⁵. Además, fNIRS puede proporcionar medidas de conectividad funcional en estado de reposo comparables a las de fMRI^16,17.

El protocolo actual se basa en trabajos anteriores y aborda las limitaciones clave mediante i) proporcionar cobertura de fNIRS en toda la cabeza, ii) incluir mediciones de corta distancia para la regresión de señales fisiológicas no corticales, iii) implementar dos métodos diferentes para el registro conjunto de optodo a cuero cabelludo de las mediciones de fNIRS y iv) permitir la evaluación de la fiabilidad test-retest de la señal en dos sesiones independientes. Este protocolo para la recopilación simultánea de datos de señales de fMRI y fNIRS se desarrolló inicialmente para realizar pruebas a adultos jóvenes. Sin embargo, uno de los objetivos del estudio era crear una configuración experimental para recopilar señales simultáneas de fMRI/fNIRS que puedan adaptarse posteriormente para probar poblaciones en desarrollo. Por lo tanto, el protocolo actual también puede utilizarse como punto de partida para desarrollar un protocolo para realizar pruebas a los niños pequeños. Además de utilizar la cobertura de fNIRS en toda la cabeza, el protocolo también tiene como objetivo incorporar avances recientes en el campo del hardware fNIRS, como la inclusión de canales de corta distancia para medir la señal fisiológica sistémica (es decir, los cambios vasculares derivados de fuentes no corticales, como la presión arterial, las señales respiratorias y cardíacas)^18,19 ; y el uso de un sensor de estructura 3D para el co-registro optodo-scalp²⁰. Aunque el presente protocolo se centra en los resultados de una tarea de tablero de ajedrez de parpadeo visual, todo el experimento incluye dos sesiones con una mezcla de diseños tradicionales de tareas en bloque, sesiones en estado de reposo y paradigmas naturalistas de visualización de películas.

El protocolo describe los pasos necesarios para adaptar el equipo fNIRS para su uso en el entorno de resonancia magnética, incluido el diseño de la tapa, la alineación temporal a través de la sincronización de disparadores y las pruebas fantasma necesarias antes del inicio de la recopilación de datos. Como se ha señalado, la atención se centra aquí en los resultados de la tarea del tablero de ajedrez intermitente, pero el procedimiento general no es específico de la tarea y puede ser apropiado para cualquier número de paradigmas experimentales. El protocolo describe además los pasos necesarios durante la recopilación de datos, que incluyen la colocación de la tapa fNIRS y la calibración de la señal, la configuración de los equipos participantes y experimentales, así como la limpieza posterior al experimento y el almacenamiento de datos. El protocolo finaliza proporcionando una descripción general de las canalizaciones analíticas específicas para el preprocesamiento de datos fNIRS y fMRI.