Neuroimaging fältmetoder använder funktionella nära infraröd spektroskopi (NIRS) Neuroimaging att studera globala barns utveckling: landsbygdens Sahara
Summary
Bärbar neuroradiologiska metoder (funktionell nära infraröd spektroskopi) ge förskott till studiet av hjärnan vid tidigare otillgängliga regioner. här, landsbygdens Elfenbenskusten. Innovation i metoder och utveckling av kulturellt lämpliga neuroimaging protokoll tillåter ny studie av hjärnans utveckling och barns lärandemål i miljöer med stor fattigdom och motgångar.
Abstract
Bärbar neuroradiologiska metoder ger nya framsteg för att studera hjärnans funktion och hjärnans utveckling med tidigare otillgängliga populationer och i avlägsna platser. Detta papper visar utvecklingen av fältet funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS) avbildning till studien av barn språk, läsning och kognitiv utveckling i en lantlig by inställning i Elfenbenskusten. Innovation i metoder och utveckling av kulturellt lämpligt neuroimaging protokoll tillåter en första gången titt in i hjärnans utveckling och barns lärandemål i understudied miljöer. Detta papper visar protokoll för att transportera och ställa in ett mobilt laboratorium, diskuterar överväganden för fältet kontra laboratorium neuroimaging, och presenterar en guide för att utveckla neuroimaging samtycker förfaranden och byggnaden meningsfull långsiktig samarbeten med lokala regeringen och science partners. Bärbar hjärnavbildningsmetoder kan användas för att studera komplexa barn utveckling sammanhang, inklusive effekterna av betydande fattigdom och motgångar på hjärnans utveckling. Det protokoll som presenteras här har utvecklats för användning i Elfenbenskusten, världens främsta källan till kakao, och där rapporter om barn arbete inom kakao är vanliga. Men är lite känt om effekterna av barnarbete på hjärnans utveckling och lärande. Fältet hjärnavbildningsmetoder har potential att ge nya insikter i sådana brådskande frågor och barns utveckling globalt.
Introduction
Bärbar fNIRS imaging ger möjlighet att studera hjärnans funktion och utveckling utanför laboratoriet, i tidigare otillgängliga inställningar eller med understudied populationer. Mycket av kunskapen i domänen för kognitiv neurovetenskap kommer från imaging studier i universitet eller sjukhus laboratoriemiljö, i främst västra länderna. Av design, detta bidrar till ett sällan-talat-av problem i forskning: mycket av vad som är känt om hjärnan bygger på studier med deltagare som laboratoriemiljö i (oftast) västerländska länder är tillgänglig. Det vill säga innebär de flesta neuroradiologisk forskning deltagare som bor i rimlig närhet till neuroradiologisk laboratorium och har både tid och resurser som krävs för att delta i en studie. Som disciplin, kognitiv neurovetenskap syftar till att förstå hjärnan och de faktorer som formar dess utveckling — inklusive kraftfulla effekter av ett barns miljö och deras tidiga-liv erfar1,2,3. Metoder som avancerar fältet kapacitet att studera utvecklingen i ett fylligare utbud av mänsklig erfarenhet kan dramatiskt förväg förståelsen av komplexa förhållandet mellan hjärnans utveckling och livserfarenheter som formar den.
Detta dokument presenterar ett protokoll för fältet neuroimaging, som utvecklats för användning i landsbygdens subsahariska Afrika, särskilt södra Elfenbenskusten. Syftet med detta fält neuroradiologisk forskningsprogram var att förstå barns läsning utveckling i en miljö med en högrisk analfabetismen. Elfenbenskustens ungdom (15-24 år) läskunnigheten är 53%, trots 93% grundskola registrering priser4. Elfenbenskusten är världens främsta källa till kakao, och det finns uppskattningsvis 1,3 miljoner barnarbetare i kakao jordbrukssektorn5. Men är lite känt om effekterna av barnarbete på hjärnans utveckling och lärande, särskilt lära sig läsa. Tillämpa de senaste verktygen i kognitiv neurovetenskap, dvs bärbara hjärnavbildningsmetoder, kan ge värdefulla insikter i barns lärandemål. Exempelvis kan fältet neuroimaging med fNIRS tillåta identifiering av nervsystemets perioder som riktade utbildningsprogram eller interventioner kan ha maximal påverkan på barns lärandemål.
fNIRS neuroimaging är väl lämpad för fältforskning. Liknar funktionell magnetresonanstomografi (fMRI), fNIRS mäter hjärnans hemodynamiska responsen6. FNIRS använder dock en serie ljusets emitting optodes och ljus detektorer i stället för att generera elektromagnetiska fält. Det finns inga begränsningar på metall i eller nära området provning och ingen elektrisk skärmning behövs, som i fallet för elektroencefalografi (EEG). En viktig fördel med fNIRS är dess portabilitet (dvs. vissa system kanske passar i en resväska) och användarvänlighet. fNIRS är också lätt att använda med barn; barnet sitter bekvämt i en stol under experimentet och fNIRS systemet tål rörelse väl jämfört fMRI. Jämfört med fMRI, fNIRS erbjuder även separata åtgärder av syrefattigt (HbR) och syresatt hemoglobin (HbO) under inspelning, jämfört fMRI vilket ger en kombinerad blodet syre Nivå densitet (fet) åtgärd. fNIRS har superior temporal upplösning att fMRI: samplingsfrekvenser kan variera mellan ~ 7-15 Hz. fNIRS har bra rumslig upplösning: den fNIRS’ djupet av inspelning i mänskliga hjärnbarken är mindre än fMRI, mäter cirka 3 till 4 cm i djup, som är väl lämpad för att studera kortikala funktioner, speciellt med spädbarn och barn som har tunnare skallar än vuxna3,7,8,9,10.
Detta fältet neuroimaging protokoll beskriver överväganden för resor med och ställer in en bärbar neuroimaging laboratorium i resurssnål sammanhang. Protokollet belyser också oumbärliga meningsfull, långsiktiga samarbeten med lokala science partners och sätt som serverar denna strategi att bygga upp lokala vetenskap kapacitet. Neuroimaging protokollet för att samla in och analysera fNIRS hjärnan data från ett batteri av språk, läsning och kognitiva uppgifter, demonstreras inklusive rekommendationer för att skapa kulturellt lämpligt informerat samtycke förfaranden för imaging forskning. Medan detta protokoll är avsedd för kognitiv utvecklingsforskning med åldern lågstadiebarn i landsbygdens Elfenbenskusten, protokollet är mycket relevant för någon neuroimaging fältstudie i utmanande, resurssnål miljöer, och kan anpassas för roman sammanhang.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta paper presenterat ett fält neuroimaging protokoll lämplig för resurssnål sammanhang på fjärrplatser. Den viktiga framsteg i detta fält neuroimaging protokoll är första gången möjligheten att studera hjärnans funktion och dess utveckling i understudied (eller aldrig-innan studerade) sammanhang. Kritiska steg i detta protokoll inkluderar resor med och ställa in ett mobilt laboratorium passar kvalitet datainsamling i tropiska klimat utan el eller tillgängliga faciliteter. Detta protokoll ger en generell …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning möjliggjordes genom Jacobs Foundation tidiga karriär stipendiet till K. Jasinska (Fellowship nummer: 2015 118455). Författarna vill även uppmärksamma Axel Blahoua, Fabrice Tanoh, Ariane Amon, Brice Kanga och Yvette Foto för deras hjälp i datainsamling och fältet support. Speciellt tack till de familjer och barn i Moapé, Ananguié, Affery och Becouefin för deras deltagande i detta forskningsprogram och byarna varm gästfrihet.
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).
