Design and validation of an fNIRS system to assess functional activity of the prefrontal cortex

Abstract

La espectroscopía funcional de infrarrojo cercano (fNIRS por sus siglas en inglés) es una tecnología de imagen óptica no invasiva que se ha utilizado ampliamente para medir actividad cortical inferida a través de los cambios de concentración relativa de hemoglobina oxigenada (HbO) y desoxigenada (HbR) gracias al acoplamiento neurovascular. Desafortunadamente, es común que las señales fNIRS se vean afectadas por oscilaciones hemodinámicas (espontáneas y relacionadas con los paradigmas de estimulación) indeseables no relacionadas con la actividad cerebral. Para abordar este problema, se ha propuesto la utilización de mediciones multidistancia como una estrategia particularmente efectiva. El dispositivo Theia es un instrumento fNIRS novedoso de onda continua, equipado con mediciones multidistancia, que ha sido diseñado con el objetivo de cumplir con los estándares de vanguardia en el contexto de sistemas fNIRS aplicados a la neurociencia cognitiva. El objetivo principal de este trabajo es validar el dispositivo Theia para la evaluación de la actividad funcional de la corteza prefrontal. Con este fin se ha aplicado un conjunto de pruebas iniciales (evaluación de ciertos aspectos técnicos, detección de las oscilaciones espontáneas conocidas y un test de oclusión vascular) así como una validación experimental utilizando un paradigma cognitivo basado en aritmética mental. Además, nos propusimos evaluar si la tarea de aritmética mental rítmica podría inducir fluctuaciones hemodinámicas cíclicas adecuadas para llevar a cabo mediciones efectivas en términos de frecuencia. Por otro lado, en un intento por aislar la respuesta cortical provocada por la tarea, investigamos el acoplamiento entre los cambios hemodinámicos que surgen de las capas superficiales (frente) y profundas (corticales) durante el esfuerzo mental. Veinte estudiantes universitarios de entre 18 y 25 años (ocho hombres; edad media: 21,7; SD: 3,8) se sometieron a una tarea de aritmética mental rítmica mientras se monitorizaban los cambios hemodinámicos de la corteza frontopolar a través de la frente utilizando el dispositivo Theia. Demostramos que el rendimiento del dispositivo Theia ha sido óptimo en las diferentes pruebas, cumpliendo con todos los requisitos estipulados en la literatura previa referente a la validación de nuevos instrumentos fNIRS. Además, encontramos que la tarea de aritmética mental propuesta es factible para inducir fluctuaciones hemodinámicas periódicas idóneas para llevar a cabo análisis de frecuencia efectivos. De hecho, esta aproximación permitió aplicar una técnica novedosa (basada en la función de transferencia y el álgebra fasorial) para estimar la actividad cerebral funcional y evaluar la coordinación temporal entre las respuestas cerebrales y extracerebrales. La comparación de la señal cerebral estimada mediante la nueva técnica coincidió con la obtenida por la regresión lineal, la cual es un método consolidado en la literatura NIRS. En este sentido, ambas aproximaciones coincidieron en señalar que la aritmética mental producía un patrón de oxigenación inversa. En conjunto, nuestros resultados demuestran la viabilidad de utilizar una tarea mental rítmica para imponer un estado oscilatorio útil en la separación de las respuestas funcionales cerebrales de las no cerebrales. Esta diferenciación parece ser esencial para la mejor comprensión de las señales fNIRS y para una evaluación más precisa la dinámica neurovisceral.