Estudio de redes neuronales en el hemisferio izquierdo de neonatos en estado de reposo mediante espectroscopia del infrarrojo cercano

Abstract

[ES] La espectroscopia del infrarrojo cercano se ha convertido en una herramienta muy poderosa para estudiar la conectividad funcional debido a la relación entre la actividad cortical y la respuesta hemodinámica. Utilizando esta técnica se ha podido comprobar la presencia de una red neuronal en la corteza auditiva primaria de neonatos, mostrando algunas diferencias con estudios previos realizados en adultos. También se encuentra en discusión la influencia que la banda de frecuencia estudiada y la fase del sueño tienen sobre la actividad rítmica del cerebro. En este trabajo se han estudiado estos tres parámetros en el hemisferio izquierdo de siete neonatos.

En primer lugar, se filtraron las señales para establecer la línea base y se llevó a cabo un estudio de la densidad espectral de potencia obteniendo una diferencia significativa en la señal HbO2 entre los periodos de sueño activo y de sueño tranquilo en la banda de frecuencia de 0.002 a 0.05 Hz, tal como muestra la literatura.

En segundo lugar, se definieron diferentes métricas para detectar las señales en las cuales se pueden encontrar oscilaciones con el objetivo de detectar una zona de alta actividad. El resultado no fue el esperado debido al ruido y a la relación en amplitud entre la información y las fluctuaciones de la línea base.

En tercer lugar, se utilizó un filtro Butterworth paso banda desde 0.009 a 0.1 Hz y se calculó el coeficiente de correlación temporal de Pearson entre todas las señales cuya distancia emisor-detector fuera de 3 ± 0.5 centímetros. Se consideró que la correlación era significativa si se cumplía que r (HbO2) > 0.7, r (HbR) > 0.7 y r (HbT) > 0.6. La representación se hizo siguiendo la literatura en la cual se utiliza teoría de grafos para estudiar las redes neuronales en estado de reposo; se considera como vértice el punto medio de la señal y se dibuja la arista si la correlación entre señales es significativa. Los resultados son muy interesantes, pero se observa una alta discrepancia entre sujetos.

[EN] Near-infrared spectroscopy (NIRS) has become a powerful tool to study the functional connectivity among different brain regions due to the relation between neuronal activity and hemodynamic response, knew as neurovascular coupling. This technique was used to prove the existence of a resting state network (RSN) at the primary auditory cortex of neonates; even these studies showed discrepancies among babies and with previous results obtained in adults. There is also an open discussion about how the studied frequency and the sleep stage could affect the results. On this study, the influence of these three parameters on the NIRS signals of the left hemispheres of seven neonates is studied.

Firstly, all the signals were band-pass filtered between 0.002 and 0.5 Hz and the PSDs of the complete signal, the active and the quiet sleep period were calculated. A significant difference between the PSD of active and quiet sleep on the frequency band from 0.002 to 0.05 Hz has been proved. This result leads us to the conclusion that low-frequency oscillations are more likely to appear in active sleep than in quiet sleep.

Secondly, six metrics were defined to identify which signals presented oscillations. The aim was to study if there was a high activity spot. The results were not conclusive due to the poor estimation of the metrics. A possible explanation is the noise and the relation between the amplitude of the information and the fluctuations of the base line.

Finally, the signals which distance source-detector was 3 ± 0.5 centimetres were bandpass filtered between 0.009 and 0.1 Hz and the Pearson correlation coefficients among signals were obtained. The signals which correlation was positive, r (HbO2) > 0.7, r (HbR) > 0.7 and r (HbT) > 0.6, were plotted. The representation was done following graph theory literature: the middle point between the source and the detector of each signal was taken as the vertex and the edge was plotted when the correlation was positive. The results were interesting, but there is some discrepancy among the different runs and patients.