Analyses qualitatives et comparatives des données d’activité corticale à partir d’une expérience de spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge appliquant la conception de blocs

Summary

Nous décrivons l’analyse de l’expérience fonctionnelle continue-onduleuse de spectroscopie proche infrarouge utilisant une conception de bloc avec une tâche sensorimotrice. Pour accroître la fiabilité de l’analyse des données, nous avons utilisé la cartographie statistique paramétrique qualitative générale basée sur un modèle linéaire et les modèles mixtes hiérarchiques comparatifs pour les canaux multiples.

Abstract

Les études de neuroimagerie jouent un rôle central dans l’évaluation des affections neurologiques pré-interventionnelles par rapport aux affections post-interventionnelles, comme la réadaptation et le traitement chirurgical. Parmi les nombreuses technologies de neuroimagerie utilisées pour mesurer l’activité cérébrale, la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) permet d’évaluer les activités corticales dynamiques en mesurant les niveaux locaux d’hémoglobine similaires à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). En outre, en raison d’une restriction physique moindre dans fNIRS, plusieurs variantes de tâches sensorimotrices peuvent être évaluées. De nombreux laboratoires ont mis au point plusieurs méthodes d’analyse des données du FNIRS; cependant, malgré le fait que les principes généraux sont les mêmes, il n’existe pas de méthode universellement normalisée. Ici, nous présentons les méthodes analytiques qualitatives et comparatives des données obtenues à partir d’une expérience fNIRS multicanal à l’aide d’un plan de bloc. Pour l’analyse qualitative, nous avons utilisé un logiciel pour le NIRS comme approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire généralisé. L’analyse NIRS-SPM montre des résultats qualitatifs pour chaque session en visualisant la zone activée pendant la tâche. En outre, le numériseur tridimensionnel non invasif peut être utilisé pour estimer les emplacements des canaux fNIRS par rapport au cerveau. Pour corroborer les résultats du NIRS-SPM, l’amplitude des changements dans les niveaux d’hémoglobine induits par la tâche sensorimotrice peut être statistiquement analysée en comparant les données obtenues à partir de deux sessions différentes (avant et après l’intervention) du même sujet d’étude à l’aide d’un modèle mixte hiérarchique multicanal. Nos méthodes peuvent être utilisées pour mesurer l’analyse pré- vs post-intervention dans une variété de troubles neurologiques tels que les troubles du mouvement, les maladies cérébrovasculaires et les troubles neuropsychiatriques.

Introduction

Neurorehabilitation joue un rôle important dans le rétablissement fonctionnel suivant la perturbation sensorimotrice. Pour clarifier les mécanismes de la récupération fonctionnelle associée à la neuroplasticité, diverses technologies de neuroimagerie ont été utilisées, telles que l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), la tomographie par émission de positons (TEP), l’électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (IRNirs). Différentes modalités d’imagerie présentent différents avantages et inconvénients. Bien que l’IRMf soit l’appareil le plus typique, il est affecté par les champs magnétiques, a un coût élevé, une restriction physique élevée et des tâches sensorimotrices limitées^1,2,3,4. Le dispositif fNIRS se distingue comme une neuroimagerie optique non invasive et a une résolution spatiale relativement inférieure, mais il a une meilleure résolution temporelle que l’IRMf^4. Le fNIRS convient lors de la vérification des effets du traitement, car il compare les effets pré- et post-intervention, a des tâches motrices dynamiques, est portable et fonctionne davantage dans les environnements naturels que l’IRMf^1,2,4. Il a été rapporté que le NIRS est plus approprié dans les domaines des maladies cérébrovasculaires, des troubles épileptiques, des lésions cérébrales graves, de la maladie de Parkinson et des troubles cognitifs^1,5. En ce qui concerne les tâches sensorimotrices, il est largement utilisé dans la démarche et l’équilibre debout^6,7,8,la fonction des membres supérieurs (préhension de la main, tapotement des doigts)^8,9,l’entraînement moteur complexe^10,11,la robotique^12,13,14,15,et l’interface cerveau-ordinateur^16,17,18. Le fNIRS est basé sur les principes de neuroimagerie optique et de couplage neurovasculaire, qui mesurent l’activité métabolique corticale, l’augmentation du flux sanguin, et par conséquent l’activité corticale comme signaux secondaires^19. On a signalé que les signaux fNIRS ont de fortes corrélations avec les signaux d’IRMf²⁰dépendant du niveau d’oxygène dans le sang. Un fNIRS à ondes continues utilise la loi de Beer-Lambert modifiée pour déterminer les changements dans les niveaux de concentration corticale d’hémoglobine oxygénée_(HbO2)et d’hémoglobine désoxygénée (HHb) en fonction des changements mesurés dans l’atténuation de la lumière proche infrarouge à large bande^21,22. Comme il n’était pas possible de mesurer le facteur différentiel de longueur de chemin (DPF) à l’aide du système NIRS à ondes continues, nous avons supposé que le DPF était constant et que les changements de signal d’hémoglobine étaient notés en unités arbitraires de millimole-millimètre (mM x mm)^2,18.

Les expériences fNIRS doivent sélectionner les méthodes les plus adéquates, y compris les paramètres de la sonde, les plans d’expérience et les méthodes d’analyse. En ce qui concerne le réglage de la sonde, la méthode internationale 10-20 utilisée dans la mesure EEG est la norme de réglage utilisée par de nombreux chercheurs en neuroimagerie. Au cours des dernières années, des paramètres de coordonnées basés sur le cerveau standard sur la base des coordonnées de l’Institut neurologique de Montréal (INM) ont été utilisés. L’expérience utilise une conception de bloc, généralement utilisée pour les tâches sensorimotrices, et une conception liée aux événements. Il s’agit d’une méthode de comparaison des changements dans la concentration d’hémoglobine au repos et pendant les tâches; Les niveaux de concentration de HbO₂ augmentent et les niveaux de concentration de HHb diminuent avec des changements du flux sanguin cérébral lié à l’activité corticale tâche-dépendante. Bien qu’il existe différentes méthodes d’analyse, le logiciel libre NIRS-SPM permet une analyse similaire à la cartographie paramétrique statistique (SPM) de l’IRMf. Le traitement des données nirs utilise une approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire général (GLM). Lors de l’analyse de l’activité cérébrale dépendante de la tâche, les mesures fNIRS peuvent être affectées par une activité neuronale évoquée ou non évoquée et des interférences physiologiques systémiques (fréquence cardiaque, pression artérielle, fréquence respiratoire et activité du système nerveux autonome) dans le compartiment cérébral et extracérébral^23. Par conséquent, le traitement de pré-analyse, le filtrage, la conversion d’ondelettes et l’analyse en composantes principales sont utiles^23. En ce qui concerne le filtrage et les artefacts du traitement des données à l’aide du NIRS-SPM, le filtrage passe-bas⁹ et la longueur minimale de description des ondelettes (Wavelet-MDL)²⁴ detrending ont été utilisés pour surmonter le mouvement ou d’autres sources de bruit / artefact. Pour plus de détails sur cette méthode analytique, voir le rapport de Ye et coll.^25. Bien qu’il existe des rapports utilisant uniquement SPM, il ne s’agit que d’un index qualitatif par analyse d’image, et en raison de la faible résolution spatiale de NIRS, une extrême prudence est requise pour l’analyse de groupe. De plus, lorsque le DPF est constant, des comparaisons numériques entre les canaux et les individus ne doivent pas être effectuées, mais la différence dans les changements dans chaque canal peut être vérifiée. Sur la base des conditions ci-dessus, afin de compléter les résultats de l’analyse de groupe NIRS-SPM, nous avons utilisé la méthode d’analyse originale pour l’analyse multicanal après avoir amélioré la précision de l’enregistrement spatial. Cette analyse multicanal a comparé l’amplitude de la variation des niveaux d’HbO2 et de HHb entre les périodes de repos et de travail à chaque canal avant et immédiatement après le traitement à l’aide de modèles mixtes hiérarchiques avec des interventions fixes (avant ou après), des périodes fixes (repos ou sur la tâche) et des effets individuels aléatoires.

De cette façon, il existe plusieurs méthodes de mesure et d’analyse du FNIRS; toutefois, aucune méthode normalisée n’a été établie. Dans cet article, nous présentons nos méthodes, la cartographie paramétrique statistique qualitative basée sur glm et le modèle mixte hiérarchique multi-niveaux comparatif, pour analyser les données obtenues à partir d’une expérience fNIRS multicanal de pré- vs post-intervention en utilisant une conception de bloc avec des tâches sensorimotrices.

Protocol

Cette étude a été approuvée par le comité d’examen institutionnel (CISR) de l’Université de Fukuoka, au Japon (CISR no 2017M017). Avant la participation, tous les patients ont donné leur consentement éclairé par écrit. 1. Préparation de l’expérience fNIRS REMARQUE : Un système NIRS à ondes continues multicanal à ondes continues a été utilisé pour cette expérience. Les longueurs d’onde de la lumière proche infrarouge étaient de 780 nm, 805 …

Representative Results

Nous présentons ici la rééducation assistée par robot sur laquelle notre groupe travaille actuellement : les effets du biofeedback sur le déficit moteur des membres supérieurs chez les patients ayant subi un AVC aigu. Nous avons inclus 10 patients consentants de course (âge moyen : 66,8 ± 12,0 ans ; deux femmes et huit hommes) qui ont été admis à notre hôpital. À l’étape subaiguë de course, plus de 2 semaines après le début, nous avons évalué l’activité corticale m…

Discussion

Dans nos méthodes analytiques de groupe pour le fNIRS, en plus d’effectuer une méthode d’analyse d’imagerie par des mappages qualitatifs de statistiques t,nous avons comparé pré- et post-intervention (exercice assisté par robot) en utilisant l’analyse multicanal comparative. Pour l’analyse qualitative, nous avons utilisé le logiciel NIRS-SPM comme une approche univariée de masse basée sur le modèle linéaire généralisé. L’analyse NIRS-SPM montre les résultats qualitatifs de chaque sessio…

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)