Análises de dados de atividade cortical qualitativa e comparativa de um experimento funcional de espectroscopia infravermelha aplicando design de bloco

Summary

Descrevemos a análise de um experimento de espectroscopia funcional de ondas contínuas quase infravermelha usando um projeto de bloco com uma tarefa sensorial. Para aumentar a confiabilidade da análise dos dados, utilizou-se o mapeamento estatístico paramétrico baseado em modelo linear qualitativo e os modelos mistos hierárquicos comparativos para multi-canais.

Abstract

Os estudos de neuroimagem desempenham um papel fundamental na avaliação de condições neurológicas pré versus pós-intervenção, como na reabilitação e no tratamento cirúrgico. Entre as muitas tecnologias de neuroimagem utilizadas para medir a atividade cerebral, a espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) permite a avaliação de atividades corticais dinâmicas medindo os níveis locais de hemoglobina semelhantes à ressonância magnética funcional (fMRI). Além disso, devido à menor restrição física no fNIRS, várias variantes de tarefas sensoriais podem ser avaliadas. Muitos laboratórios desenvolveram vários métodos para análise de dados fNIRS; no entanto, apesar de os princípios gerais serem os mesmos, não há um método universalmente padronizado. Aqui, apresentamos os métodos analíticos qualitativos e comparativos de dados obtidos a partir de um experimento fNIRS multicanal usando um design de bloco. Para análise qualitativa, utilizamos um software para NIRS como uma abordagem univariada em massa baseada no modelo linear generalizado. A análise NIRS-SPM mostra resultados qualitativos para cada sessão visualizando a área ativada durante a tarefa. Além disso, o digitalizador tridimensional não invasivo pode ser usado para estimar os locais do canal fNIRS em relação ao cérebro. Para corroborar os achados do NIRS-SPM, a amplitude das alterações nos níveis de hemoglobina induzidas pela tarefa sensorial pode ser analisada estatisticamente comparando os dados obtidos a partir de duas sessões diferentes (antes e depois da intervenção) do mesmo sujeito de estudo utilizando um modelo misto hierárquico multicanal. Nossos métodos podem ser usados para medir a análise pré-vs. pós-intervenção em uma variedade de distúrbios neurológicos, como distúrbios de movimento, doenças cerebrovasculares e distúrbios neuropsiquiátricos.

Introduction

A neuroreabilitação desempenha um papel importante na recuperação funcional após a perturbação sensorial. Para esclarecer os mecanismos de recuperação funcional associada à neuroplasticidade, várias tecnologias de neuroimagem têm sido utilizadas, como ressonância magnética funcional (fMRI), tomografia de emissão de pósitrons (PET), eletroencefalografia (EEG) e espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS). Diferentes modalidades de imagem têm diferentes vantagens e desvantagens. Embora o fMRI seja o dispositivo mais típico, ele é afetado por campos magnéticos, tem alto custo, alta restrição física e tarefas sensoriais limitadas^1,2,3,4. O dispositivo fNIRS destaca-se como uma neuroimagem óptica não invasiva e tem uma resolução espacial relativamente menor, mas tem uma resolução temporal melhor do que fMRI⁴. FNIRS é adequado ao verificar os efeitos do tratamento porque compara os efeitos pré-versus pós-intervenção, tem tarefas motoras dinâmicas, é portátil e funciona mais em ambientes naturais do que fMRI^1,2,4. O NIRS tem sido relatado ser mais adequado nos campos da doença cerebrovascular, distúrbios epilépticos, lesão cerebral grave, doença de Parkinson e comprometimento cognitivo^1,5. No que diz respeito às tarefas sensoriais, é amplamente utilizado no equilíbrio de marcha e pé^6,7,8, função do membro superior (aperto da mão, toque de dedo)^8,9, treinamento complexo de habilidades motoras^10,11,robótica^12,13,14,15, e interface cérebro-computador^16,17,18. O fNIRS baseia-se nos princípios da neuroimagem óptica e do acoplamento neurovascular, que medem a atividade metabólica cortical, o aumento do fluxo sanguíneo e, consequentemente, a atividade cortical como sinais secundários¹⁹. Os sinais fNIRS têm sido relatados como fortes correlações com sinais de fMRI²⁰dependente do nível de oxigênio no sangue . Um fNIRS de ondas contínuas usa a lei modificada de Beer-Lambert para determinar as alterações nos níveis de concentração cortical de hemoglobina oxigenada (HbO₂) e desoxigenada (HHb) com base em mudanças medidas na atenuação da luz infravermelha de banda larga^21,22. Como não foi possível medir o fator diferencial de comprimento do caminho (DPF) utilizando o sistema NIRS de ondas contínuas, assumimos que o DPF era constante e que as alterações de sinal de hemoglobina eram denotadas em unidades arbitrárias de milímetros (mM x mm)^2,18.

Os experimentos fNIRS precisam selecionar os métodos mais adequados, incluindo as configurações da sonda, os desenhos do experimento e os métodos de análise. Em relação à configuração da sonda, o método internacional 10-20 utilizado na medição do EEG é o padrão de definição utilizado por muitos pesquisadores na neuroimagem. Nos últimos anos, foram utilizadas configurações coordenadas baseadas no cérebro padrão com base nas coordenadas do Instituto Neurológico de Montreal (MNI). O experimento usa um design de bloco, geralmente usado para tarefas sensoriais, e um design relacionado a eventos. Trata-se de um método de comparação de alterações na concentração de hemoglobina em repouso e durante as tarefas; Os níveis de concentração do_{HBO 2} aumentam e os níveis de concentração de HHb diminuem com alterações no fluxo sanguíneo cerebral associados à atividade cortical dependente da tarefa. Embora existam vários métodos de análise, o software livre NIRS-SPM permite uma análise semelhante ao mapeamento paramétrico estatístico (SPM) do fMRI. O tratamento dos dados nirs utiliza uma abordagem univariada em massa com base no modelo linear geral (GLM). Ao realizar a análise da atividade cerebral dependente da tarefa, as medidas do fNIRS podem ser afetadas pela atividade neuronal evocada ou não evocada e interferências fisiológicas sistêmicas (frequência cardíaca, pressão arterial, taxa respiratória e atividade autônoma do sistema nervoso) no compartimento cerebral e extracerebral²³. Portanto, o processamento pré-análise, filtragem, conversão de wavelet e análise de componentes principais são úteis²³. Em relação à filtragem e artefatos do processamento de dados utilizando o NIRS-SPM, a filtragem de baixo passe⁹ e o comprimento mínimo de descrição de wavelet (Wavelet-MDL)²⁴ detennding foram usados para superar o movimento ou outras fontes de ruído/artefato. Para obter detalhes deste método analítico, consulte o relatório de Ye et al.²⁵. Embora existam relatórios utilizando apenas SPM, é apenas um índice qualitativo por análise de imagem, e devido à baixa resolução espacial do NIRS, é necessária extrema cautela para a análise em grupo. Além disso, quando a DPF é constante, comparações numéricas entre canais e indivíduos não devem ser realizadas, mas a diferença nas mudanças em cada canal pode ser verificada. Com base nas condições acima, a fim de complementar os resultados de análise do grupo NIRS-SPM, utilizou-se o método de análise original para análise multicanal após melhorar a precisão do registro espacial. Esta análise multicanal comparou a amplitude da mudança nos níveis de HbO₂ e HHb entre os períodos de descanso e on-task em cada canal antes e imediatamente após o tratamento usando modelos hierárquicos mistos com intervenções fixas (antes ou depois), períodos fixos (descanso ou sobre a tarefa) e efeitos individuais aleatórios.

Desta forma, existem vários métodos de medição e análise de fNIRS; no entanto, nenhum método padrão foi estabelecido. Neste artigo, introduzimos nossos métodos, mapeamento paramétrico estatístico qualitativo baseado em GLM e o modelo misto hierárquico comparativo de vários níveis, para analisar dados obtidos a partir de um experimento fNIRS multicanal de pré-vs. pós-intervenção usando um projeto de bloco com tarefas sensorimotoras.

Protocol

Este estudo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional (IRB) da Universidade de Fukuoka, no Japão (IRB nº 2017M017). Antes da participação, todos os pacientes previam consentimento por escrito. 1. Preparação do experimento fNIRS NOTA: Foi utilizado um sistema NIRS baseado em laser de ondas contínuas de vários canais para este experimento. Os comprimentos de onda da luz infravermelha próxima foram de 780 nm, 805 nm e 830 nm, e a taxa de amostragem fo…

Representative Results

Aqui, introduzimos a reabilitação assistida por robôs que nosso grupo está trabalhando atualmente: os efeitos do biofeedback no déficit motor do membro superior em pacientes com derrame agudo. Foram incluídos 10 pacientes com AVC (idade média: 66,8 ± 12,0 anos; duas mulheres e oito homens) que deram entrada no hospital. No estágio de avc subagutado, mais de 2 semanas após o início, avaliamos a atividade cortical relacionada ao motor desses pacientes usando um sistema fNIRS ante…

Discussion

Em nossos métodos analíticos de grupo para fNIRS, além de realizar um método analítico de imagem por mapeamentos qualitativos t-estatísticos, comparamos pré-vs. pós-intervenção (exercício assistido por robôs) usando a análise multicanal comparativa. Para análise qualitativa, utilizamos o software NIRS-SPM como uma abordagem univariada em massa baseada no modelo linear generalizado. A análise NIRS-SPM mostra resultados qualitativos de cada sessão visualizando a área ativada durante a tarefa. Alé…

Materials

3D-digitizer software	TOPCON	–	NS-1000 software ver.1.50
NIRS system	Shimadzu	–	FOIRE-3000
Robot	CYBERDYNE	–	Single-joint type Hybrid Assitive Limb (HAL-SJ)