Napredno mapiranje nevrovaskularne sklopitve z združenima tehnikama bližnje infrardeče spektroskopije in magnetoencefalografije na osnovi optičnih magnetometrov

Nevrovaskularna sklopitev (NVC, angl. neurovascular coupling) je osnovni mehanizem zagotavljanja energije aktivnim možganskim področjem. Za preučevanje NVC so potrebni sočasno pridobljeni podatki iz dveh načinov slikanja možganov. V našem projektu bomo razvili in uporabili sistem, ki bo združeval dva neinvazivna načina slikanja možganov; funkcionalna bližnja infrardeča spektroskopija (fNIRS, angl. functional near-infrared spectroscopy) in magnetoencefalografija (MEG, angl. magnetoencephalography). Z fNIRS določimo hemodinamsko aktivnost na možganski skorji z merjenjem sprememb v koncentracijah oksi- in deoksihemoglobina. MEG določa aktivnost znotraj skorje na podlagi merjenja magnetnega polja v bližini glave. Standardni MEG sistemi uporabljajo tekoči helij za hlajenje superprevodnih magnetometrov SQUID, v tem projektu pa bomo uporabili nove optične magnetometre (OPM). MEG na osnovi OPM (oMEG) ne potrebuje hlajenja s tekočim helijem, magnetometre je mogoče podobno kot optode pri fNIRS postaviti direktno na površino glave. To odpira številne nove aplikacije za preučevanje NVC, kjer je vključeno premikanje subjekta med meritvijo. Do nedavnega je bila edina kombinacija načinov, ki omogoča premikanje, elektroencefalografija (EEG) in fNIRS. MEG ima veliko prednost pred EEG, saj ima zaradi natančnejše inverzne rešitve višjo prostorsko ločljivost. Optode fNIRS, ki so pritrjene na glavo, ne potrebujejo nobene elektronike, njihovo ohišje je lahko paramagnetno, zato ne motijo delovanja OPM senzorjev; kar smo potrdili v naših preliminarnih rezultatih.

Kombinirani sistem MEG-fNIRS bo sestavljen iz treh ključnih delov: optode za fNIRS, OPM za MEG in nosilec za obe vrsti merilnikov. Za vsako osebo bomo s 3D tiskanjem izdelali individualni nosilec merilnikov. Pri tem bomo uporabili magnetne resonančne slike (MRI) subjektove glave, tako da se bo tesno prilegal glavi subjekta. Cilj te študije je razviti izboljšano metodologijo NVC, zato bomo s tem sistemom preizkusili več merskih scenarijev. Z obema merskima sistemoma bomo sočasno merili odzive na posamezne senzorične naloge, na stanje mirovanja in tudi na več senzoričnih nalog, ki bodo hkrati vzbudile tako v vizualni kot v motorični del možganske skorje. Za določitev NVC bomo primerjali in združili meritve z obeh merskih sistemov ter uporabil različne metode: navzkrižna korelacija in spektralna analiza; rekonstrukcija izvorov; izračun funkcionalne povezljivosti.

Projekt izvajamo v sodelovanju raziskovalnih skupin treh osrednjih organizacij: Univerze v Ljubljani (UL) z Inštitutom za matematiko, fiziko in mehaniko (IMFM) kot soizvajalcem, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Inštitutom za biokibernetiko in biomedicinski inženiring, Poljske akademije znanosti (IBIB PAS). Vsaka skupina ima svoje prednosti, PTB ima vso infrastrukturo in znanje za izvajanje meritev MEG in IBIB PAS za izvajanje meritev fNIRS. Skupina z UL in IMFM ima odlične izkušnje pri delu z različnimi nabori biomedicinskih podatkov, njihovo znanje bo uporabljeno za obdelavo merskih rezultatov in določitev NVC.

Ključni cilji:

Razvoj merskega sistema in študij nevrovaskularne sklopitve s sočasnim merjenem elektrofiziološke aktivnosti možganov z optičnimi magnetometri in hemodinamičnega odziva s funkcionalno infrardečo spektroskopijo.

Delovni sklopi

Cilj 1.1: Nadgraditi obstoječi sistem fNIRS, ki temelji na optičnih vlaknih, da bo primeren za večmodalno meritev, ki posnema vsakodnevno aktivnost.
Razvili smo primerno prožno ovojnico za optična vlakna. Poleg tega smo uspešno razvili stabilno stojalo, ki zagotavlja stabilnost optičnih vlaken med gibanjem merjene osebe. Nadgradili smo tudi priključke optičnih vlaken, ki so zdaj iz nemagnetnih materialov. Opravili smo meritve, kjer se je merjena oseba med meritvami premikala, in rezultati so potrdili, da je nadgrajeni sistem fNIRS primeren za meritve, ki posnemajo vsakodnevno aktivnost.

Cilj 1.2: Integracija sistema MEG, ki temelji na optičnih magnetometrih (oMEG), po celotni glavi merjene osebe
Razvili smo sistem oMEG, ki je primeren za meritve magnetnih signalov po celotni glavi osebe. Opravili smo meritve, kjer so bile na eno stran čelade nameščene fNIRS optode in OPM senzorji, med katerimi se je merjena oseba lahko prosto gibala. Rezultati kažejo na to, da je razmerje signal-šum (SNR) za kombiniran sistem enako, kot če bi meritve izvajali s posameznimi modalnostmi. Edina slabost naše sedanje čelade je, da ne pokriva zadnjega dela glave, kar nam onemogoča merjenje vizualnega dela korteksa. V prihodnje bomo izdelali čelado, ki prekriva tudi to.

Cilj 2.1: Razviti posamezno senzorično nalogo, ki bo vzbudila primeren odziv možganov za obe modalnosti (fNIRS in oMEG).
Zasnovali smo stimulacijske paradigme, ki so usmerjene v aktivacijo le ene možganske skorje. Izvedli smo dve merilni paradigmi, ki sta bili namenjeni aktivaciji primarnega senzoričnega in motornega korteksa. Pri tem smo uporabili merilni sistem oMEG-fNIRS. Kljub nekaterim tehničnim izzivom smo uspešno izvedli meritve obeh paradigem, pri čemer smo uporabili ustrezne senzorje za beleženje aktivnosti. Analiza podatkov je potrdila primernost obeh merilnih paradigem za kombiniran sistem oMEG-fNIRS.

Cilj 2.2: Razviti senzorične naloge, ki bodo vzbudile več možganskih regij in so primerne za merjenje odziva s sistemom oMEG-fNIRS.
Do sedaj smo zaključili fazo idejne zasnove, ki je vključevala pregled literature in zbiranje senzoričnih nalog primerljivih z našim sistemom. V nadaljevanju projekta nameravamo izvesti meritve za preizkus izvedljivosti in učinkovitosti izbranih nalog v povezavi s sistemom oMEG-fNIRS. Kljub temu, da smo začeli z načrtovanjem, smo še vedno v zgodnji fazi in pred nami je še veliko dela, da dosežemo polno uresničitev tega cilja.

Cilj 3.1: Izvesti meritve s sistemom oMEG-fNIRS na večjem vzorcu ljudeh.
Doslej smo uspešno izvedli tri meritvene seje na PTB. Na prvi seji smo pridobili anatomske slike glave (MRI) in izdelali nosilec senzorja po meri, prav tako smo izvedli prve meritve s kombiniranim sistemom oMEG-fNIRS. Na drugi in tretji seji smo izvedli dodatne merite. Za dosego cilja moramo izvesti še meritve za naloge, ki bodo hkrati vzbudile več možganskih regij.

Cilj 3.2: Implementacija nadzora kakovosti in predprocesiranje pridobljenih multimodalnih podatkov.
Uspešno smo implementirali programsko skripto za nadzor kakovosti in predprocesiranje merjenih podatkov z obema merilnima sistemoma (fNIRS in oMEG). Uporabili smo različne metode za odstranjevanje neželenih signalov.

Cilj 4.1: Razviti metodo za časovno in prostorsko parametrizacijo nevrovaskularne sklopitve.
Še nismo začeli z realizacijo tega cilja.

Cilj 4.2: Analizirati funkcionalno povezanosti možganov.
Še nismo začeli z realizacijo tega cilja.

Več o delu na projektu smo skupaj s partnerjema iz Poljske in Nemčije pripravili na povezavi: https://www.combine.ptb.de/home