Neuroimaging feltet metoder å bruke funksjonell nær infrarødspektroskopi (NIRS) Neuroimaging å studere globale barns utvikling: landlige Sahara
Summary
Bærbar neuroimaging tilnærminger (funksjonell nær infrarødspektroskopi) gi fremskritt å studere hjernen i tidligere utilgjengelige områder; her, landlige Elfenbenskysten. Innovasjon i metoder og utvikling av kulturelt-passende neuroimaging protokoller tillater romanen studie av hjernens utvikling og barnas læringsmål i miljøer med betydelig fattigdom og motgang.
Abstract
Bærbar neuroimaging tilnærminger gir nye fremskritt å studere hjernefunksjon og hjernens utvikling med tidligere utilgjengelige bestander og eksternt. Dette papiret viser utviklingen av feltet, funksjonell imaging nær infrarødspektroskopi (fNIRS) til studiet av barn språk, lese og kognitiv utvikling i landsby innstillingen Elfenbenskysten. Innovasjon i metoder og utvikling av kulturelt tilpasset neuroimaging protokoller tillater første gang se i hjernens utvikling og barnas læringsmål i lite studert miljøer. Dette dokumentet demonstrerer protokoller for transport og sette opp et mobil laboratorium, diskuterer hensyn for feltet versus laboratorium neuroimaging, og presenterer en guide for å utvikle neuroimaging samtykke prosedyrer og bygge meningsfylt langsiktige samarbeid med lokale regjeringen og partnere. Bærbar neuroimaging metoder kan brukes til å studere komplekse barn utvikling sammenhenger, inkludert virkningen av betydelig fattigdom og motgang på hjernens utvikling. Protokollen presenteres her er utviklet for bruk i Elfenbenskysten, verdens viktigste kilde til kakao, og der rapporter om barnet arbeid i kakao sektor er vanlig. Likevel, er lite kjent om virkningen av barnearbeid på hjernens utvikling og læring. Feltet neuroimaging metoder har potensial til å gi ny innsikt i slike presserende spørsmål og utviklingen av barn globalt.
Introduction
Bærbar fNIRS imaging gir mulighet til å studere hjernefunksjon og utvikling utenfor laboratoriet, tidligere utilgjengelige innstillinger eller med lite studert populasjoner. Mye av kunnskap i domenet av kognitiv nevrovitenskap kommer fra imaging studier i universitet eller sykehuset laboratoriet innstillingene i overveiende land. Ved design, dette bidrar til en sjelden-talt-av problemet i forskning: mye av det som er kjent om hjernen er basert på studier med deltakere som laboratorium for (mest) vestlige land er tilgjengelig. Det er involverer mest neuroimaging forskning deltakere som bor i rimelig nærhet til en neuroimaging laboratoriet og har både tid og ressurser å delta i en studie. Som en disiplin, kognitiv nevrovitenskap mål å forstå hjernen og faktorene som forme utviklingen-inkludert de kraftig effektene på barnets miljø og deres tidlig i livet erfaringer1,2,3. Metoder som videre feltet kapasitet til å studere utviklingen i et fyldigere spekter av menneskelig erfaring kan dramatisk fremme forståelse av komplekse forholdet mellom hjernens utvikling og livserfaringer som former den.
Dette dokumentet presenterer en protokoll for feltet neuroimaging, som ble utviklet for bruk i landlige sub-Sahara Afrika, spesielt Sør Elfenbenskysten. Målet med dette feltet neuroimaging forskningsprogrammet var å forstå barns lesing utvikling i et miljø med en høy-risiko med analfabetisme. Elfenbenskystens ungdom (15-24 år) lesekyndigheten er 53%, til tross for 93% skole innmelding priser4. Elfenbenskysten er verdens viktigste kilde til kakao, og det er rundt 1,3 millioner barn arbeidere i kakao landbrukssektoren5. Likevel, er lite kjent om virkningen av barnearbeid på hjernens utvikling og læring, spesielt lære å lese. Bruke de nyeste verktøyene av kognitiv nevrovitenskap, dvs. bærbar neuroimaging metoder, kan gi verdifull innsikt i barnas læringsmål. For eksempel kan feltet neuroimaging med fNIRS identifikasjon av neurodevelopmental perioder som målrettet utdanningsprogrammer eller intervensjoner kan ha maksimalt virkninger på barnas læringsmål.
fNIRS neuroimaging er velegnet for feltarbeid. I likhet med funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI), fNIRS måler hjernens hemodynamic svar6. FNIRS bruker imidlertid en rekke lys emitting optodes og lys detektorer i stedet for å generere elektromagnetiske felt. Det er ingen restriksjoner på metall i eller nær testing, og ingen elektrisk skjerming er nødvendig som for Elektroencefalogram (EEG). En viktig fordel med fNIRS er dens portabilitet (dvs. noen systemer kan passe i en koffert) og brukervennlighet. fNIRS er også enkel å bruke med barn; barnet sitter komfortabelt i en stol under eksperimentet og fNIRS systemet tåler bevegelse godt forhold til fMRI. Sammenlignet med fMRI, fNIRS tilbyr også eget tiltak for deoxygenated (HbR) og oksygenrikt hemoglobin (HbO) under opptak sammenlignet fMRI som gir et kombinert blod oksygen nivå tetthet (fet) mål. fNIRS har overlegen midlertidig løsning til fMRI: samplingsfrekvens kan variere mellom ~ 7-15 Hz. fNIRS har god romlig oppløsning: fNIRS’ dybdeskarphet opptak i menneskelig cortex er mindre enn fMRI, måler ca 3-4 cm i dybden, som er velegnet for å studere kortikale funksjoner, spesielt med spedbarn og barn som har tynnere hodeskaller enn voksne,3,,7,,8,,9,,10.
Denne feltet neuroimaging protokollen skisserer hensyn for reiser med og sette opp en bærbar neuroimaging laboratoriet i lav-ressurs sammenhenger. Protokollen fremhever også vesentlig vesen meningsfull, langsiktig samarbeid med lokale vitenskap partnere og måter som denne tilnærmingen serverer å bygge lokale vitenskap kapasitet. Neuroimaging protokollen for innsamling og analyse av fNIRS hjernen data fra et batteri av språk, lese og kognitive oppgaver, er demonstrert inkludert anbefalinger for å lage kulturelt tilpasset informert samtykke prosedyrer for imaging forskning. Mens denne protokollen er utformet for kognitiv utviklingsforskning med skolen alderen barn i landlige Elfenbenskysten, protokollen er svært relevant for alle felt neuroimaging studier i utfordrende, lav-ressurs miljøer, og kan tilpasses for romanen sammenhenger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papiret presentert en feltet neuroimaging protokoll egnet for lav-ressurs sammenhenger eksternt. Nøkkel forkant av dette feltet neuroimaging protokollen er første gang evnen å studere hjernefunksjon og utvikling i lite studert (eller aldri-før studerte) kontekster. Avgjørende skritt i denne protokollen inkludere reiser med og sette opp et mobil laboratorium egnet for kvalitet datainnsamling i tropiske klimaer uten strøm eller tilgjengelige fasilitetene. Denne protokollen gir generelle retningslinjer som danne…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble gjort mulig gjennom Jacobs Foundation tidlig karriere fellesskap K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). Forfatterne også ønsker å erkjenne Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga og Yvette Foto for deres hjelp i innsamling og feltet støtte. Spesiell takk til familie og barn av Moapé, Ananguié, Affery og Becouefin for sin deltakelse i denne forskningsprogram og landsbyene gjestfriheten.
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).
