Metodi di neuroimaging campo usando vicino spettroscopia infrarossa (NIRS) Neuroimaging funzionale per studiare lo sviluppo globale del bambino: zone rurali dell'Africa sub-sahariano
Summary
Approcci di neuroimaging portatile (funzionale Near Infrared Spectroscopy) forniscono anticipi allo studio del cervello nelle regioni precedentemente inaccessibili; qui, rurale Costa d’Avorio. Innovazione nei metodi e lo sviluppo di protocolli di neuroimaging culturalmente appropriate consente un romanzo studio dello sviluppo del cervello e risultati di apprendimento dei bambini in ambienti con le avversità e povertà significativa.
Abstract
Approcci di neuroimaging portatile forniscono nuovi progressi per lo studio della funzione del cervello e lo sviluppo del cervello con popolazioni precedentemente inaccessibili e in località remote. Questa carta Mostra lo sviluppo dell’imaging funzionale di Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) campo allo studio del bambino lo sviluppo cognitivo, la lettura e la lingua in un villaggio rurale della Costa d’Avorio. Innovazione nei metodi e lo sviluppo di protocolli di neuroimaging culturalmente appropriato consentire un’occhiata prima volta nello sviluppo del cervello e risultati di apprendimento dei bambini in ambienti studiati. Questa carta dimostra protocolli per il trasporto e allestire il laboratorio mobile, vengono illustrate considerazioni per campo contro laboratorio neuroimaging, e presenta una guida per lo sviluppo di neuroimaging consenso procedure ed edificio significativo a lungo termine collaborazioni con partner locali di governo e della scienza. Metodi di neuroimaging portatile utilizzabile per studiare i contesti di sviluppo complesso figlio, compreso l’impatto della povertà significativa e avversità sullo sviluppo del cervello. Il protocollo qui presentato è stato sviluppato per uso in Costa d’Avorio, fonte primaria del mondo del cacao, e dove i rapporti del bambino manodopera nel settore del cacao sono comuni. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa l’impatto del lavoro minorile su sviluppo del cervello e l’apprendimento. Metodi di neuroimaging del campo hanno il potenziale per produrre nuove intuizioni tali questioni urgenti e lo sviluppo dei bambini a livello globale.
Introduction
Formazione immagine portatile fNIRS offre la possibilità di studiare la funzione del cervello e sviluppo di fuori del laboratorio, in impostazioni precedentemente inaccessibili o con popolazioni Zito. Gran parte della conoscenza nel settore delle neuroscienze cognitive proviene da studi condotti nelle regolazioni del laboratorio Università o ospedale, nei paesi occidentali principalmente di imaging. Per impostazione predefinita, questo contribuisce ad un raramente parlato di problema nella ricerca: Gran parte di ciò che è noto circa il cervello si basa su studi con i partecipanti per i quali le impostazioni di laboratorio in (quasi) i paesi occidentali sono accessibili. Vale a dire, la maggior parte ricerca di neuroimaging coinvolge partecipanti che vivono nella prossimità ragionevole a un laboratorio di neuroimmagini e hanno sia il tempo e le risorse necessarie per partecipare ad uno studio. Come disciplina, neuroscienze cognitive mira a comprendere il cervello e i fattori che determinano il suo sviluppo — tra cui gli effetti potenti di ambiente di un bambino e loro presto-vita esperienze1,2,3. Metodi che migliorano la capacità del campo nello studio dello sviluppo in una gamma più completa di esperienza umana possono drammaticamente avanzare la comprensione della complessa relazione tra lo sviluppo del cervello e le esperienze di vita che forma.
Questa carta presenta un protocollo per campo neuroimaging, che è stato sviluppato per uso rurale Africa sub-sahariana, in particolare del Sud Costa d’Avorio. Lo scopo di questo programma di ricerca di neuroimaging campo era per comprendere lo sviluppo di lettura dei bambini in un ambiente con un alto rischio di analfabetismo. Tasso di alfabetizzazione giovanile (15-24 anni) della Costa d’Avorio è 53%, nonostante 93% scuola primaria iscrizione Tariffe4. Costa d’Avorio è la principale fonte mondiale di cacao, e ci sono un stimato 1,3 milioni di bambini lavoratori nel settore agricolo cacao5. Tuttavia, piccolo è conosciuto circa l’impatto del lavoro minorile su sviluppo del cervello e apprendimento, in particolare imparando a leggere. Applicando gli strumenti più recenti delle neuroscienze cognitive, cioè, metodi di neuroimaging portatile, può produrre preziose intuizioni risultati di apprendimento dei bambini. Ad esempio, neuroimaging di campo con fNIRS può consentire l’identificazione di neurodevelopmental periodi durante i quali mirati programmi educativi o interventi possono avere un massimo impatto sugli esiti di apprendimento dei bambini.
fNIRS neuroimaging è ben adatto per ricerche sul campo. Simile a risonanza magnetica funzionale (fMRI), fNIRS misure risposta emodinamica6 del cervello. Tuttavia, fNIRS utilizza una serie di luce che emettono optodi e rilevatori di luce piuttosto che generano campi elettromagnetici. Non ci sono restrizioni su metallo in o vicino all’area di test, e nessuna schermatura elettrica è necessaria, come nel caso per elettroencefalografia (EEG). Un vantaggio chiave dei fNIRS è la sua portabilità (vale a dire, alcuni sistemi possono adattarsi in una valigia) e la facilità d’uso. fNIRS è anche facile da usare con i bambini; il bambino è comodamente seduto in una sedia durante l’esperimento e il sistema fNIRS tollera bene rispetto alla fMRI di movimento. Confrontato con fMRI, fNIRS fornisce anche misure separate di deossigenata (HbR) ed emoglobina ossigenata (HbO) durante la registrazione, rispetto alla fMRI che produce una misura di livello di densità (grassetto) di ossigeno sangue combinato. fNIRS ha una risoluzione temporale superiore RMF: frequenze di campionamento possono variare tra ~ 7-15 Hz. fNIRS ha buona risoluzione spaziale: profondità dei fNIRS di registrazione nella corteccia umana è minore di fMRI, misura circa 3-4 cm di profondità, che ben si adatta per lo studio funzioni corticali, soprattutto con gli infanti ed i bambini che hanno più sottile teschi di adulti3,7,8,9,10.
Questo protocollo di neuroimaging campo delinea considerazioni per viaggio con e allestire il laboratorio portatile neuroimaging in contesti di risorse limitate. Il protocollo, inoltre, evidenzia la natura essenziale di collaborazioni significative, a lungo termine con partner locali scienza e modi con cui questo approccio serve a costruire capacità scientifiche locali. Il protocollo di neuroimaging per la raccolta e l’analisi dei dati di cervello fNIRS da una batteria di lingua, lettura e compiti cognitivi, è dimostrato comprese le raccomandazioni per la creazione di procedure di consenso informato culturalmente appropriato per l’imaging di ricerca. Mentre questo protocollo è progettato per la ricerca di sviluppo cognitivo con bambini della scuola primaria di età compresa tra in rurale Costa d’Avorio, il protocollo è molto rilevante per lo studio di neuroimaging qualsiasi campo in ambienti impegnativi, risorse limitate e può essere adattato per il romanzo contesti.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questa carta ha presentato un protocollo di neuroimaging di campo adatto a contesti di risorse limitate in località remote. L’anticipo chiave di questo protocollo di neuroimaging del campo è la capacità di prima volta di studiare la funzione del cervello e suo sviluppo nel sostituto (o mai-prima studiato) contesti. Punti critici in questo protocollo sono in viaggio con e allestire il laboratorio mobile adatto per la raccolta di dati di qualità in climi tropicali senza elettricità o strutture disponibili. Questo prot…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stato reso possibile attraverso la Jacobs Foundation Fellowship di carriera precoce a K. Jasinska (Fellowship numero: 2015 118455). Gli autori desiderano anche riconoscere Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga e Yvette Foto per la loro assistenza nella raccolta dei dati e supporto sul campo. Si ringrazia le famiglie e i bambini di Moapé, Ananguié, Affery e Becouefin per la loro partecipazione a questo programma di ricerca e la calda ospitalità dei villaggi.
Materials
| LIGHTNIRS Main Unit Pack 120V | Shimadzu | 292-34000-42 | Component of the fNIRS system |
| HOLDER ASSY, ALL- CAP | Shimadzu | 594-07618-01 | Component of the fNIRS system |
| LIGHTNIRS connection cable | Shimadzu | 567-10976-11 | fNIRS system component |
| Fiber set for LIGHTNIRS, 1m (8 sets) | Shimadzu | 567-11350-01 | fNIRS system component |
| Dell Latitude Laptop | Shimadzu (from Dell) | 220-97322-00 | Master computer to run fNIRS applications |
| PATRIOT SEU (System Electronics Unit) | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT System component |
| Power Supply | POLHEMUS | 2C0809 | PATRIOT System component |
| Power Supply cord | POLHEMUS | 17500B-BLK | PATRIOT System component |
| RS-232 null modem cable | POLHEMUS | 1C0288 | PATRIOT System component |
| USB cable | POLHEMUS | 1C0289 | PATRIOT System component |
| RX2 Sensor 10' cable | POLHEMUS | 4A0492-20 | PATRIOT System component |
| TX2 Source 10' cable | POLHEMUS | 4A0506-20 | PATRIOT System component |
Riferimenti
- Dawson, G., Ashman, S. B., Carver, L. J. The role of early experience in shaping behavioral and brain development and its implications for social policy. Dev Psychopathol. 12 (4), 695-712 (2000).
- Blair, C., Raver, C. C. Poverty, Stress, and Brain Development: New Directions for Prevention and Intervention. Acad Pediatr. 16 (3 Suppl), S30-S36 (2016).
- Jasińska, K. K., Petitto, L. A. How age of bilingual exposure can change the neural systems for language in the developing brain: A functional near infrared spectroscopy investigation of syntactic processing in monolingual and bilingual children. Dev Cogn Neurosci. 6c, 87-101 (2013).
- Statistics, U. I. f. . Côte d’Ivoire. , (2017).
- University, T. . 2013/14 Survey Research on Child Labor in West African Cocoa Growing Areas. , (2015).
- Cui, X., Bray, S., Bryant, D. M., Glover, G. H., Reiss, A. L. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 54 (4), 2808-2821 (2011).
- Quaresima, V., Bisconti, S., Ferrari, M. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain Lang. 121 (2), 79-89 (2012).
- Jasińska, K. K., Berens, M. S., Kovelman, I., Petitto, L. A. Bilingualism yields language-specific plasticity in left hemisphere’s circuitry for learning to read in young children. Neuropsychologia. 98, 34-45 (2016).
- Jasińska, K. K., Petitto, L. A. Development of neural systems for reading in the monolingual and bilingual brain: new insights from functional near infrared spectroscopy neuroimaging. Dev Neuropsychol. 39 (6), 421-439 (2014).
- Petitto, L., et al. The “Perceptual Wedge Hypothesis” as the basis for bilingual babies’ phonetic processing advantage: new insights from fNIRS brain imaging. Brain Lang. 121 (2), 130-143 (2012).
- Jasper, H. H. Report of the Committee on Methods of Clinical Examination in Electroencephalography. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 10 (2), 370-371 (1958).
- Shalinsky, M. H., Kovelman, I., Berens, M. S., Petitto, L. A. Exploring Cognitive Functions in Babies, Children & Adults with Near Infrared Spectroscopy. Journal of visualized experiments. (29), (2009).
- Tadel, F., Baillet, S., Mosher, J. C., Pantazis, D., Leahy, R. M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Comput Intell Neurosci. 2011, 879716 (2011).
- Tak, S., Ye, J. C. Statistical analysis of fNIRS data: A comprehensive review. Neuroimage. 85, Part 1, 72-91 (2014).
- Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., Jang, J. NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage. 44 (2), 428-447 (2009).
- Huppert, T. J. T. J., Diamond, S. G. S. G., Franceschini, M. A. M. A., Boas, D. A. D. A. HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain. Appl Opt. 48 (10), D280-D298 (2009).
- Huppert, T. J. Commentary on the statistical properties of noise and its implication on general linear models in functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 3 (1), 010401 (2016).
- Rosso, A. L., et al. Neuroimaging of an attention demanding dual-task during dynamic postural control. Gait Posture. 57, 193-198 (2017).
- Jang, K. E. K. E., et al. Wavelet minimum description length detrending for near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (3), 034004-034004 (2009).
- Worsley, K. J., Friston, K. J. Analysis of fMRI time-series revisited–again. Neuroimage. 2 (3), 173-181 (1995).
- Friston, K. J., Josephs, O., Rees, G., Turner, R. Nonlinear event-related responses in fMRI. Magn Reson Med. 39 (1), 41-52 (1998).
- Sun, J. Y. Tail Probabilities of the Maxima of Gaussain Random-Fields. The Annals of Probability. 21 (1), 34-71 (1993).
- Sun, J. Y., Loader, C. R. Simultaneous Confidence Bands for Linear-Regression and Smoothing. The Annals of Statistics. 22 (3), 1328-1345 (1994).
- Molfese, P. J., Glen, D., Mesite, L., Pugh, K., Cox, R. . Organization of Human Brain Mapping. , (2015).
- Singh, A. K., Okamoto, M., Dan, H., Jurcak, V., Dan, I. Spatial registration of multichannel multi-subject fNIRS data to MNI space without MRI. Neuroimage. 27 (4), 842-851 (2005).
- Krosin, M. T., Klitzman, R., Levin, B., Cheng, J., Ranney, M. L. Problems in comprehension of informed consent in rural and peri-urban Mali, West Africa. Clinical Trials. 3, (2006).
- Leach, A. An evaluation of the informed consent procedure used during a trial of a Haemophilus influenzae type B conjugate vaccine undertaken in The Gambia, West Africa. Soc Sci Med. 48, (1999).
- Molyneux, C. S., Peshu, N., Marsh, K. Understanding of informed consent in a low-income setting: three case studies from the Kenyan Coast. Soc Sci Med. 59, (2004).
- Oduro, A. R. Understanding and retention of the informed consent process among parents in rural northern Ghana. BMC Med Ethics. 9 (1), 1-9 (2008).
- Tindana, P. O., Kass, N., Akweongo, P. The Informed Consent Process in a Rural African Setting:: A Case Study of the Kassena-Nankana District of Northern Ghana. IRB. 28 (3), 1-6 (2006).
- Lloyd-Fox, S., et al. fNIRS in Africa & Asia: an Objective Measure of Cognitive Development for Global Health Settings. The FASEB Journal. 30 (1 Supplement), (2016).
- Storrs, C. . Nature News. , (2018).
- Lloyd-Fox, S., et al. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) to assess cognitive function in infants in rural Africa. Sci Rep. 4, 4740 (2014).
- Papademetriou, M. D., et al. Optical imaging of brain activation in Gambian infants. Adv Exp Med Biol. 812, 263-269 (2014).
