Functional near-infrared spectroscopy of the neonatal brain: Instrumentation, methods and experiments

Abstract

Near-infrared spectroscopy (NIRS) is a noninvasive medical technology that uses visible red and near-infrared light to probe changes in the concentrations of absorbers in tissue. In functional NIRS (fNIRS), local hemoglobin concentration changes in brain are measured, which can be interpreted as changes in cerebral blood flow and volume, and are related to neuronal activation. NIRS is an especially suitable imaging modality for neonates as the instrumentation is safe, portable and silent compared to, e.g., positron emission tomography and functional magnetic resonance imaging. Also, neonates are especially suitable subjects for fNIRS because of their small head size, thin scalp and skull and undeveloped myelination.

In this Thesis, instrumentation and software for an optical tomography system were developed to improve the usability and data quality to allow fNIRS imaging of brain function in neonates and young infants. Also, measurement and data analysis methods were developed. The usability of the improvements was demonstrated by performing measurements of auditory evoked hemodynamic responses in neonates. Neuroscientific aims included the study of newborn brain function, the properties of hemodynamic responses and lateralization of speech and music processing.

The results of the Thesis show that neonatal brain studies with NIRS are feasible; NIRS can measure hemodynamic responses to stimulation and is well accepted by neonates. Hemodynamic responses to auditory stimuli were found to be changing rapidly around the time of birth and they correlate with sleep stage. The hemodynamic response to speech was found to be located on the left hemisphere already at the time of birth. This may be taken as an evidence that leftward lateralization of speech is already established at birth at least to some extent. The results also showed a large amount of inter-individual variations in hemodynamic responses in newborns. This is probably in part due to anatomical differences between individuals. A robust optical reconstruction method based on a realistic anatomical model of optical properties at the actual measurement area and a high-density measurement array is likely to reduce the variability and portray true responses more accurately. Monitoring of sleep stage, global systemic responses, and spontaneous hemodynamic oscillations should also be beneficial.

Lähi-infrapunaspektroskopia (NIRS) on ei-invasiivinen lääketieteellinen tutkimusmenetelmä, joka hyödyntää punaista ja infrapunaista valoa kudoksen hemoglobiinikonsentraatioiden mittaamiseen. Funktionaalinen NIRS (fNIRS) mittaa aivotoiminnan aiheuttamia muutoksia aivokudoksen hapettuneen ja hapettumattoman hemoglobiinin pitoisuuksissa. NIRS soveltuu hyvin pienten lasten aivotutkimukseen, koska laitteisto on turvallinen, siirreltävä ja hiljainen. Vastasyntyneiden pään pienen koon, päänahan ja kallon ohuuden sekä aivojen vähäisen myeliinin määrän takia vastasyntyneet ovat myös erityisen soveltuvia koehenkilöitä fNIRS-tutkimukseen. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin optisen tomografian instrumentointia ja laiteohjelmistoja, mittaustekniikkaa sekä data-analyysimenetelmiä erityisesti vastasyntyneiden ja pienten lasten fNIRS-tutkimuksia varten. Työssä kehitettyä tekniikkaa, menetelmiä ja ohjelmistoja testattiin mittaamalla hemodynaamisia vasteita kuuloherätteisiin vastasyntyneillä koehenkilöillä. Mittausten neurotieteellisinä tavoitteina oli tutkia vastasyntyneiden aivotoimintaa, hemodynaamisen vasteen ominaisuuksia ja puheen sekä musiikin käsittelyn lateralisaatiota. Väitöstyön tulokset osoittavat fNIRS:n olevan käyttökelpoinen työkalu vastasyntyneiden aivotutkimukseen; menetelmällä voidaan mitata hemodynaamisia vasteita kuuloherätteisiin vauvaa turhaan rasittamatta. Mittaustulokset osoittivat hemodynaamisten vasteiden olevan erilaisia eri unitiloissa ja olevan nopean kehityksen vaiheessa raskausviikkojen 38–42 aikana. Tulosten mukaan hemodynaaminen vaste puheherätteeseen oli tilastollisesti merkitsevä vasemmalla aivokuorella, mikä viittaa puheen vasemman puoleisen lateralisaation olevan kehittynyt jo vastasyntyneillä. NIRS-tulokset osoittivat myös suurta vaihtelua yksilöiden välillä, mikä saattaa johtua anatomisista eroista. Anatomisesti realistiseen optiseen malliin perustuva rekonstruktio ja mittausten suurempi paikkaresoluutio saattaisi vähentää yksilöiden välistä vaihtelua ja kuvantaa vasteet tarkemmin. Myös unitilan, systeemisen verenkierron ja spontaanien oskillaatioiden huomioiminen analyysissä vähentää tulosten vaihtelua.