Neuroimaging veld methoden met behulp van functionele in de buurt van infrarood spectroscopie (NIRS) Neuroimaging te bestuderen van Global Child Development: landelijke sub-Sahara Afrika
Summary
Draagbare neuroimaging benaderingen (functionele in de buurt van infraroodspectroscopie) verstrekken voorschotten aan de studie van de hersenen in eerder ontoegankelijke gebieden; hier, landelijke Ivoorkust. Innovatie in methoden en ontwikkeling van neuroimaging cultureel aangepaste protocollen toestaat nieuwe studie van de ontwikkeling van de hersenen en kinderen van leerresultaten in omgevingen met aanzienlijke armoede en tegenspoed.
Abstract
Draagbare neuroimaging benaderingen bieden nieuwe voorschotten aan de studie van hersenfunctie en ontwikkeling van de hersenen met een bevolking die eerder ontoegankelijk en op externe locaties. Deze paper toont de ontwikkeling van veld, functionele beeldvorming-in de buurt van infraroodspectroscopie (fNIRS) aan de studie van kind taal, lezen, en cognitieve ontwikkeling in een landelijk dorp instelling van Ivoorkust. Innovatie in de methodes en de ontwikkeling van cultureel passend neuroimaging protocollen toestaan een eerste blik in de ontwikkeling van de hersenen en kinderen van leerresultaten in understudied omgevingen. Deze paper toont protocollen voor het vervoer en opzetten van een mobiel laboratorium, overwegingen voor veld versus laboratorium neuroimaging bespreekt en presenteert een gids voor de ontwikkeling van neuroimaging toestemming procedures en zinvolle gebouw op lange termijn samenwerkingen met lokale partners van de regering en de wetenschap. Draagbare neuroimaging methoden kunnen worden gebruikt om studiecontexten complexe kind ontwikkeling, inclusief de invloed van aanzienlijke armoede en tegenspoed op de hersenontwikkeling. Het protocol hier gepresenteerd is ontwikkeld voor gebruik in Ivoorkust,’s werelds belangrijkste bron van cacao, en waar rapporten van kind arbeid in de cacaosector zijn gemeenschappelijk. Nog, er is weinig bekend over de gevolgen van kinderarbeid op de ontwikkeling van de hersenen en leren. Veld neuroimaging methoden hebben het potentieel om het opleveren van nieuwe inzichten in deze dringende kwesties, en de ontwikkeling van kinderen wereldwijd.
Introduction
Draagbare fNIRS imaging biedt u de mogelijkheid te bestuderen van de hersenfunctie en ontwikkeling buiten het laboratorium, in eerder ontoegankelijk instellingen of met understudied populaties. Veel van de kennis in het domein van de cognitieve neurowetenschappen komt uit imaging onderzoeken in universiteit of ziekenhuis laboratorium instellingen in voornamelijk westerse landen. Door ontwerp, dit draagt bij aan een probleem zelden-gesproken-of in het onderzoek: veel van wat is bekend over de hersenen is gebaseerd op studies met deelnemers voor wie laboratorium instellingen in (meestal) de landen van de westelijke toegankelijk zijn. Dat wil zeggen omvat de meeste neuroimaging onderzoek deelnemers die wonen in de nabijheid van de redelijke naar een laboratorium neuroimaging en heb de tijd en de middelen die nodig zijn om deel te nemen in een studie. Als een discipline, cognitieve neurowetenschappen is gericht op het begrijpen van de hersenen en de factoren die de ontwikkeling vorm — waaronder de krachtige effecten van de woonomgeving van het kind en het hun vroege-leven ervaringen1,2,3. Methoden die verder van het veld capaciteit te bestuderen van de ontwikkeling in een vollediger bereik van de menselijke ervaring kunnen dramatisch het begrip van de complexe relatie tussen de ontwikkeling van de hersenen en de levenservaringen die vorm het verder.
Dit document stelt een protocol voor het veld neuroimaging, die werd ontwikkeld voor gebruik in landelijke sub-Sahara Afrika, specifiek zuidelijke Côte d’Ivoire. Het doel van dit onderzoeksprogramma van veld neuroimaging was om te begrijpen van de ontwikkeling van kinderen lezen in een omgeving met een hoog risico van analfabetisme. Ivoorkust van bedraagt jongeren (15-24 jaar) geletterdheid 53%, ondanks 93% lagere school inschrijving tarieven4. Ivoorkust is’s werelds belangrijkste bron van cacao, en er zijn naar schatting 1.3 miljoen arbeiders van het kind in de cacao agrarische sector-5. Nog, er is weinig bekend over de gevolgen van kinderarbeid op ontwikkeling van de hersenen en leren, speciaal leren lezen. Toepassing van de meest recente hulpprogramma’s cognitive Neuroscience, d.w.z., draagbare neuroimaging methoden, kan waardevolle inzichten in Kinder leerresultaten opleveren. Veld neuroimaging met fNIRS kunnen bijvoorbeeld de identificatie van neurologische periodes gedurende welke gericht educatieve programma’s of interventies maximale gevolgen kunnen hebben voor kinderen leerresultaten.
fNIRS neuroimaging is goed geschikt voor veldonderzoek. Gelijkaardig aan functionele magnetische resonantie imaging (fMRI), fNIRS meet6hemodynamische reactie van de hersenen. Echter fNIRS maakt gebruik van een reeks van licht dat optodes en licht detectoren in plaats van het genereren van elektromagnetische velden. Er zijn geen beperkingen op metaal in of dichtbij de testen gebied, en geen elektrische afscherming nodig is, zoals in het geval voor elektro-encefalografie (EEG). Een belangrijk voordeel van fNIRS is zijn draagbaarheid (dat wil zeggen, sommige systemen in een koffer passen kunnen) en gebruiksgemak. fNIRS is ook makkelijk te gebruiken met kinderen; het kind zit comfortabel in een stoel tijdens het experiment en het fNIRS systeem tolereert beweging goed ten opzichte van fMRI. Vergeleken met fMRI, fNIRS biedt ook afzonderlijke maatregelen van gedeoxygeneerd (HbR) en zuurstofrijk hemoglobine (HbO) tijdens het opnemen, in vergelijking met fMRI die een gecombineerde bloed zuurstof niveau dichtheid (BOLD) maatregel levert. fNIRS heeft superieure temporele resolutie aan fMRI: bemonsteringsfrequentie kan variëren tussen ~ 7-15 Hz. fNIRS heeft goede ruimtelijke resolutie: de fNIRS diepte van opname in de menselijke cortex is minder dan fMRI, meten van ongeveer 3 tot 4 cm diepte, die goed geschikt voor de studie is corticale functies, vooral met baby’s en kinderen hebben een dunnere schedels dan volwassenen3,7,8,9,10.
Dit veld neuroimaging protocol schetst overwegingen voor reizen met en het opzetten van een draagbare neuroimaging laboratorium in lage-resource contexten. Het protocol heeft ook gewezen op het essentiële karakter van betekenisvolle en langdurige samenwerkingen met lokale wetenschap partners en manieren waarop deze benadering dient om de capaciteitsopbouw van de lokale wetenschap. Het neuroimaging protocol voor het verzamelen en analyseren van fNIRS gegevens van de hersenen van een batterij van taal, lezen en cognitieve taken, wordt aangetoond met inbegrip van aanbevelingen voor het maken van cultureel passend geïnformeerde toestemming procedures voor imaging-onderzoek. Terwijl dit protocol is bedoeld voor onderzoek van de cognitieve ontwikkeling met basisschool leeftijd kinderen in landelijke Ivoorkust, het protocol is zeer relevant voor elk veld neuroimaging studie in uitdagende, lage-resource omgevingen, en kan worden aangepast voor roman contexten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze paper gepresenteerd een veld neuroimaging protocol geschikt voor lage-resource contexten op externe locaties. De belangrijkste vooruitgang van dit veld neuroimaging protocol is de eerst mogelijkheid te bestuderen van de hersenfunctie en haar ontwikkeling in understudied (of nooit-vóór studeerde) contexten. Kritische stappen in dit protocol opnemen met reizen en het opzetten van een mobiel laboratorium geschikt voor het verzamelen van de gegevens van de kwaliteit in tropische klimaten zonder elektriciteit of beschi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door de Jacobs Stichting vroege carrière Fellowship aan K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). De auteurs wil Axel Blahoua, Fabrice Tanoh Ariane Amon, Brice Kanga en Yvette Foto erkennen voor hun hulp bij het verzamelen van gegevens en veld ondersteuning. Speciale dank aan de families en de kinderen van Moapé, Ananguié, Affery en Becouefin voor hun deelname aan dit onderzoeksprogramma en de dorpen warme gastvrijheid.
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).
