Λειτουργική μελέτη εγκεφάλου με την τεχνική fNIRS (Functional Near-Infrared Spectroscopy)

Ψυχογυιού, Βασιλική

Functional brain study with fNIRS (Functional Near-Infrared Spectroscopy)

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Ψυχογυιού, Βασιλική

Date

2023-11-23

Advisor

Σκουρολιάκου, Αικατερίνη

Μεταπτυχιακή Εργασία (11.80Mb)

Keywords

Λειτουργική φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου ; Μέθοδος νευροαπεικόνισης ; Γνωστικές εργασίες ; Εγκεφαλική δραστηριότητα ; Οξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη (HbO2) ; Αποξυγονωμένη αιμοσφαιρίνη (HbR) ; Νόμος Beer-Lambert

Abstract

Η λειτουργική φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου (fNIRS), αποτελεί μία σχετικά νέα μη επεμβατική μέθοδο νευροαπεικόνισης του εγκεφάλου, που παρακολουθεί τις αλλαγές στην αιμοδυναμική απόκριση εντός του φλοιού, αξιολογώντας την εγκεφαλική δραστηριότητα που σχετίζεται κυρίως με γνωστικές και κινητικές εργασίες. Η τεχνική fNIRS χρησιμοποιεί συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός, που εισάγονται μέσω του τριχωτού της κεφαλής και του κρανίου, στον εγκέφαλο, έτσι ώστε να γίνει καταγραφή της έντασης του φωτός που επιστρέφει στους ανιχνευτές, εξασθενημένο πλέον από φαινόμενα όπως αυτά της σκέδασης και της απορρόφησης. Μέσω της καταγραφής του εξασθενημένου φωτός μπορεί να υπολογιστούν οι αλλαγές των σχετικών αναλογιών των συγκεντρώσεων της οξυγονωμένης (HbO2) και αποξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης (HbR) στον εγκέφαλο, κατά την διάρκεια της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η ιδιότητα της κάθε αιμοσφαιρίνης, να έχει το δικό της μοναδικό φάσμα απορρόφησης, εντός του συγκεκριμένου εύρους μηκών κύματος φωτός που χρησιμοποιεί η μέθοδος fNIRS, παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση όλων των παραπάνω διαδικασιών. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, γίνεται αρχικά μια αναφορά στην βασική ανατομία, το νευρικό σύστημα και την φυσιολογία του εγκεφάλου, διότι είναι σημαντικό να είναι γνωστά κάποια βασικά στοιχεία της λειτουργίας και της δομής αυτού, ώστε να συνεχιστεί η περαιτέρω ανάλυση της μελέτης του και της λειτουργίας του συστήματος fNIRS. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή της εξέλιξης των συστημάτων fNIRS, για να παρουσιαστεί η πρόοδος που έχει πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια στα συστήματα αυτά. Το θεωρητικό κομμάτι της διπλωματικής εργασίας συνεχίζεται με την περιγραφή της λειτουργίας και των φυσικών αρχών του συστήματος fNIRS, αναλύοντας τα φαινόμενα διασποράς, απορρόφησης και τον νόμο Beer-Lambert. Ακολουθούν η περιγραφή των διαφορετικών τύπων φασματόμετρων που υπάρχουν, καθώς και σύγκριση αυτών μεταξύ τους. Ένα μεγάλο κεφάλαιο αποτελούν οι εφαρμογές της τεχνικής fNIRS, οι οποίες σχετίζονται κυρίως με τους κλάδους της νευρολογίας, της ψυχιατρικής, της εκπαίδευσης και της γνωστικής νευροεπιστήμης, με τους ερευνητές να προσπαθούν να εξελίξουν όλο και περισσότερο τις εφαρμογές αυτής της μεθόδου σε περισσότερους τομείς, με σκοπό την κατανόηση της λειτουργικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Επίσης έχει γίνει αναφορά και σε άλλες μεθόδους νευροαπεικόνισης, όπου συγκρίνονται με την τεχνική fNIRS και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου fNIRS. Τέλος στο θεωρητικό κομμάτι, γίνεται μια αναφορά γενικότερα στον εξοπλισμό των συστημάτων fNIRS, καθώς και στην επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων που λαμβάνονται από αυτά. Στο πειραματικό στάδιο της διπλωματικής εργασίας, έγινε μια προσπάθεια δημιουργίας μιας σειράς πρωτοκόλλων λήψης και επεξεργασίας δεδομένων, με την εφαρμογή της συσκευής fNIRS 2000c σε έναν συμμετέχοντα, για την καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε καταστάσεις ηρεμίας και δραστηριότητας, μέσα από πέντε διαφορετικούς τύπους δοκιμασιών, που περιείχαν εντολές κλιμακωτής δυσκολίας, για αυξημένη απαίτηση εγκεφαλικής λειτουργίας. Μετά την εφαρμογή φίλτρου αφαίρεσης υψηλών συχνοτήτων και στατιστικής επεξεργασίας των δεδομένων καταγραφής, βγήκαν συμπεράσματα και σχολιάστηκαν. Η δοκιμασία παρατηρητικότητας εμφάνισε καλύτερο διαχωρισμό των περιόδων ηρεμίας, δραστηριότητας και διαφοράς βαθμού δυσκολίας στα περισσότερα οπτόδια, τα δεδομένα που λήφθηκαν εξαρτιόνταν από τον τύπο της δοκιμασίας (π.χ. ομιλία, κίνηση) και οι παράμετροι HbO2, HbR, HbT (άθροισμα αιμοσφαιρινών), Difference Hb (διαφορά αιμοσφαιρινών), παρείχαν διαφορετικές πληροφορίες, επιλέγοντας κάθε φορά διαφορετική για την ανάδειξη καλύτερου διαχωρισμού των περιόδων ηρεμίας και δραστηριότητας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι δεν είναι επαναλήψιμο και σίγουρο ότι μόνο η HbO2 ή η HbR δίνει καλύτερη πληροφορία, αλλά και ο συνδυασμός αυτών.

Abstract

Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a relatively new non-invasive method of brain neuroimaging that monitors changes in hemodynamic response within the cortex, assessing brain activity mainly related to cognitive and motor tasks. The fNIRS technique uses specific wavelengths of light, introduced through the scalp and skull, into the brain, to record the intensity of light returning to the detectors, now attenuated by phenomena such as scattering and absorption. By recording attenuated light, changes in the relative proportions of concentrations of oxygenated (HbO2) and deoxygenated hemoglobin (HbR) in the brain during brain activity can be calculated. The property of each hemoglobin, to have its own unique absorption spectrum, within the specific range of light wavelengths used by the fNIRS method, plays a very important role in the realization of all the above processes. In this diploma thesis, a reference is initially made to the basic anatomy, the nervous system and the physiology of the brain, because it is important to know some basic elements of its function and structure, in order to continue further analysis of its study and the operation of the fNIRS system. Below is a brief historical review of the evolution of fNIRS systems, to present the progress that has been made in recent years in these systems. The theoretical part of the diploma thesis continues with the description of the operation and physical principles of the fNIRS system, analyzing the scattering, absorption and the Beer-Lambert law. Below is the description of the different types of spectrometers available, as well as a comparison between them. A major chapter is the applications of the fNIRS technique, which are mainly related to the fields of neurology, psychiatry, education and cognitive neuroscience, with researchers trying to increasingly evolve applications of this method in more fields, in order to understand the functionality of the human brain. Reference has also been made to other neuroimaging methods, where they are compared with the fNIRS technique and then the advantages and disadvantages of the fNIRS method are presented. Finally, in the theoretical part, a general reference is made to the equipment of the fNIRS systems, as well as to the processing and analysis of the data obtained from them. In the experimental stage of the thesis, an attempt was made to create a series of data acquisition and processing protocols, by applying the fNIRS 2000c device to a participant, to record brain activity in resting and active states, through five different types of tests, which they contained commands of escalating difficulty, for increased demand on brain function. After applying a high frequency removal filter and statistical processing of the recording data, conclusions were drawn and commented. The observational test showed a better separation of periods of rest, activity and difference in degree of difficulty in most optodes, the data obtained depended on the type of test (eg speech, movement) and the parameters HbO2, HbR, HbT (total hemoglobin) , Difference Hb (hemoglobin difference), provided different information, choosing each time a different one to highlight a better separation of rest and activity periods, concluding that it is not reproducible and certain that only HbO2 or HbR gives better information, but also their combination.