Efecto de la máscara quirúrgica en las señales de fMRI durante la tarea y el descanso

Biología de las comunicaciones volumen 5, Número de artículo: 1004 (2022) Citar este artículo

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El uso de una máscara facial se ha vuelto esencial para contener la propagación de COVID-19 y se ha vuelto obligatorio al recopilar datos de fMRI en la mayoría de las instituciones de investigación. Aquí, investigamos los efectos de usar una máscara quirúrgica en los datos de fMRI en n = 37 participantes sanos. Se examinaron las activaciones durante el golpeteo con los dedos, el emparejamiento emocional de rostros, las tareas de memoria de trabajo y el descanso. Los análisis preliminares de fMRI muestran que, a pesar de los diferentes estados de máscara, las señales de estado de reposo y las activaciones de tareas fueron relativamente similares. La conectividad funcional en estado de reposo mostró patrones de atenuación insignificantes en la máscara puesta en comparación con la máscara desactivada. El análisis de ROI basado en tareas tampoco demostró diferencias significativas entre los dos estados de máscara en cada contraste investigado. A pesar de los efectos generales insignificantes, estos resultados indican que el uso de una máscara facial durante la resonancia magnética funcional tiene poco o ningún efecto significativo sobre el estado de reposo y las activaciones de tareas.

El brote de COVID-19 a finales de 2019 fue declarado pandemia global por la Organización Mundial de la Salud (OMS)1 en marzo de 2020. La OMS emitió una recomendación de usar mascarillas como una medida de precaución importante para controlar las tasas de transmisión del virus. El uso de una máscara facial mitiga significativamente el riesgo de transmisión y, por lo tanto, reduce la probabilidad de transmisión de persona a persona2. La recomendación provocó un acalorado debate en países de todo el mundo. Las preocupaciones incluían que usar la máscara podría ser incómodo e inconveniente, interfiriendo con las actividades de la vida diaria y preguntas sobre los efectos del uso prolongado de la máscara3,4.

A medida que las instalaciones de investigación de imágenes de MRI (y fMRI) reanudan lentamente el escaneo, la mayoría de las instalaciones exigen el uso de máscaras faciales en sujetos humanos. Antes de la posible preocupación de usar una máscara durante la resonancia magnética, pocos estudios han investigado el impacto fisiológico y cognitivo de usar una máscara facial. Roberge y sus colegas estudiaron la fisiología subyacente en condiciones de actividad normal (mientras usaba una máscara N95), como caminar a un ritmo lento5,6. Aunque los autores encontraron un aumento del 3% en la resistencia durante la inhalación, lo que significa una mayor demanda de aire/oxígeno (O2), concluyeron que no tuvo un impacto significativo en los procesos fisiológicos subyacentes. Sugirieron que las máscaras comparativamente más livianas, como las máscaras quirúrgicas estándar, podrían inducir pocas o ninguna diferencia en la capacidad respiratoria y la saturación de O2 (la proporción de hemoglobina saturada de O2 a la hemoglobina total en la sangre). Aunque los estudios anteriores se han centrado en las diferencias de O2, la demanda de aire y la composición del aire se examinan con mayor frecuencia mediante mediciones de dióxido de carbono al final de la espiración (EtCO2), normalmente porque tanto el O2 inspirado (en volumen reducido) como el aire pulmonar espirado (con una acumulación elevada de CO2 durante la reinhalación) se mezclan cuando se coloca una mascarilla bien ajustada. Sin embargo, aunque estos estudios sugieren que los cambios fisiológicos durante el uso de mascarillas son mínimos, los efectos potenciales sobre las señales y la actividad del cerebro aún no se han investigado lo suficiente. Además, cabe señalar que la sangre arterial estaría compuesta principalmente por un aumento de CO2 (después de una disminución de O2) con el tiempo y puede afectar el volumen vascular arterial, especialmente en la materia gris, pero lo que es más importante, los cambios de señal BOLD fMRI debido a la composición del aire son mejores. adquirida por vía venosa que se sabe que corresponde directamente a los niveles de oxígeno en sangre (BOLD).

BOLD fMRI se utiliza predominantemente para estudiar la función cerebral. Tanto en el desafío de la tarea como en el estado de reposo, la señal BOLD depende de los niveles y variaciones de referencia de oxígeno, así como de las condiciones que afectan el consumo de oxígeno. Una forma de estudiar los cambios en la oxigenación cerebral ha sido utilizar mezclas de gas y aire7. Otra forma ha sido utilizar la contención de la respiración8. En los estudios de contención de la respiración, se les pide a los participantes que contengan la respiración durante un breve período de tiempo, se espera que la tarea resulte en una reducción de oxígeno y una acumulación de CO2 en la sangre, particularmente en los pulmones, esto introduce Hipercapnia9,10.

Un estudio inicial y muy reciente abordó la cuestión de si el uso de una máscara facial puede tener un efecto en las mediciones de fMRI. Este trabajo reciente de Law et al. (2021) demostraron que usar una máscara facial durante la resonancia magnética funcional induce niveles más altos de CO2 que potencialmente influyen en la señal BOLD, pero afecta mínimamente la activación de la tarea11. Este trabajo es uno de los primeros en abordar la preocupación de los posibles efectos del uso de máscaras en la activación de fMRI. Sin embargo, las conclusiones del estudio fueron limitadas debido al tamaño de la muestra comparativamente pequeño (n = 8) y el enfoque en una tarea sensoriomotora, mientras que los efectos de usar una máscara facial en los paradigmas de resonancia magnética funcional cognitivos, emocionales y de estado de reposo de uso frecuente aún no se conocen. determinado.

En este estudio actual, basado en un estudio reciente de neuroimagen que muestra un efecto insignificante11 de usar una máscara, buscamos examinar más a fondo los datos de resonancia magnética funcional de los estados de la máscara (máscaras puestas y máscaras apagadas) tanto para el estado de reposo como para los paradigmas de tareas comunes en un diseño dentro del sujeto en una muestra más grande de n = 35 sujetos sanos.

Después de someter los datos a los criterios de exclusión del movimiento de la cabeza (traslación < = 2 mm y rotación < = 2o) y la posterior eliminación de las imágenes degradadas, se obtiene una muestra final de 35 participantes sanos diestros (15 hombres, 20 mujeres, edad media masculina = 23,8 ± 1,13 años, edad media femenina = 23,4 ± 1,04 años) para todos los análisis posteriores, Tabla 1. Con respecto a SPO2 y HR, la prueba t pareada reveló que aunque el enmascaramiento fue generalmente mayor, no hubo una diferencia significativa para Pre- scan-O2 y Post-scan-O2 entre estados de máscara. Además, no encontramos diferencias entre la exploración previa a la frecuencia cardíaca y la exploración posterior a la frecuencia cardíaca tanto en el uso de la máscara como en la ausencia de la máscara. Todos los resultados se resumen en la Tabla 2.

En los índices examinados, observamos ALFF y fALFF relativamente similares tanto para enmascarar como para enmascarar. En ambos estados, las señales a través de una amplia gama de redes, particularmente en las regiones de modo predeterminado (PCC y dLPFC) y las redes destacadas (ínsula) Fig. 1a–d. La prueba t pareada entre máscara puesta y máscara no demostró significación (un umbral en p < 0,05, FDR corregido). Con respecto al ReHo (Fig. 1e, f), observamos correlaciones en las redes de modo predeterminado y las redes visuales tanto para enmascarar como para enmascarar, no hubo una diferencia significativa entre los dos estados de máscara, todos t emparejados sin corregir -Los mapas de prueba se muestran en la figura complementaria 1.

(a, b), (c, d) y (e, f) representan una prueba t de una muestra calculada para ALFF, fALFF y ReHo, respectivamente en estados con y sin máscara, los resultados son umbral en p < 0,05, FDR corregido.

Para el rsFC (Fig. 2a, b), la prueba t de una muestra calculada dentro de cada estado de máscara mostró patrones de conectividad generalmente similares en todos los 116 ROI. Aunque cada estado demostró un aumento y un aumento dentro de la conectividad regional, el estado sin máscara fue ligeramente más alto en comparación con el estado con máscara puesta. La prueba t pareada no mostró diferencias significativas entre los dos estados de máscara (p < 0,05, FDR, corregido).

a, b Matriz FC de 116 ROI extraídas de la plantilla AAL en todos los sujetos para ambos estados de máscara, la barra de color corresponde a la fuerza de los valores z calculados usando la prueba t de una muestra (p < 0.05, corregido por FDR).

La activación máxima de todo el cerebro correspondiente al golpeteo con los dedos mostró activaciones sólidas dentro de cada estado de máscara. Tanto en el estado de enmascaramiento como en el de enmascaramiento, se localizan activaciones significativas en el área motora suplementaria (SMA) y la circunvolución poscentral, fusiforme y calcarina de las redes visuales, el cerebelo, el caudado y algunas regiones temporales, Fig. 3a , b. La diferencia entre la activación de tareas con máscara y sin máscara no fue significativa (prueba t pareada, p < 0,05).

a Regiones asociadas con la tarea de tocar con el dedo durante el estado de máscara. b Regiones activadas durante el estado sin máscara. Todas las regiones mostradas tenían un umbral de p < 0,05, corregido por FDR, calculado mediante la prueba t de una muestra dentro de cada estado de máscara. L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que.

En esta tarea, determinamos inicialmente las áreas del cerebro que mostraban el efecto de la atención y el procesamiento emocional entre el enmascaramiento y el enmascaramiento. En la tarea emocional para ambos estados, las regiones activadas se localizan en el tálamo, cíngulo medio/anterior, corteza prefrontal e hipocampo. Las activaciones inducidas por el enojo en contraste con las imágenes felices y neutrales, respectivamente, fueron generalmente más grandes en el cíngulo y el hipocampo durante el estado de máscara en relación con el estado de máscara puesta, Fig. 4a-d. El contraste de la cara feliz con la cara neutra compartía una activación regional relativamente similar generalmente en la circunvolución motora, cingulada media y cingulada posterior, y el hipocampo, Fig. 4e, f.

(a, b: rostros enojados > rostros felices), (c, d: rostros enojados > rostros neutrales) y (e, f: rostros felices > rostros neutrales) indica el contraste calculado para los estímulos emocionales presentados entre los dos estados de máscara, respectivamente. Las activaciones computadas más ocurren en la corteza visual, hipocampo, cingulada media/anterior y prefrontal (umbral corregido por grupo en p < 0,05). L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que.

Esta tarea incluye tres condiciones con diferentes cargas de memoria de trabajo (0-atrás, 1-atrás y 2-atrás). El 0-back se utilizó como carga de memoria de referencia. Se produjo un patrón similar de activación en la corteza prefrontal dorsolateral (dLPFC) tanto para enmascarar como para enmascarar y cada carga de memoria. Las regiones activadas son comparativamente similares entre los estados con máscara en comparación con los estados sin máscara, Fig. 5a-f. No hubo una diferencia de activación significativa entre los estados con y sin máscara.

(a, b: primera carga de memoria > línea base), (c, d: segunda carga de memoria > línea base) y (e, f: segunda carga de memoria > primera carga de memoria) muestran el patrón de activación para cada contraste de carga de memoria dentro de cada estado de máscara . El patrón de activación es idéntico en ambas condiciones (umbral de activación corregido por grupo de p < 0,05). L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que.

El análisis de ROI se realizó para las tres tareas independientes (ROI, ver Métodos). La prueba t pareada (umbral p < 0,05) se calculó en los valores estimados de los parámetros extraídos para las ROI en los estados de enmascaramiento y enmascaramiento. La tarea de tocar con los dedos no mostró diferencias significativas entre el enmascaramiento y el enmascaramiento en Vermis_6 y SMA respectivamente (Fig. 6a, b). Para el experimento de emparejamiento emocional de rostros, no hubo una diferencia significativa entre los dos estados de máscara para ninguno de los contrastes examinados (enojado > feliz, enojado > neutral y feliz > neutral; Fig. 7a–c) en la amígdala (Fig. 7d) . De manera similar, en la tarea de memoria de trabajo, no hubo una diferencia significativa en el contraste 1-back> 0-back y 2-back> 1-back obtenido de los ROI (Fig. 8a-c) de las dos regiones (Fig. 8d ).

a muestra los pesos beta extraídos para todos los sujetos derivados de los dos ROI en (b: SMA (x = 10, y = −4, z = 58) y vermis_6 (x = 6, −70, z = −16)) entre el enmascaramiento y el enmascaramiento. Las diferencias entre los dos estados de máscara calculados en los ROI se realizaron mediante la prueba t pareada (p < 0,05). Las barras de error denotan errores estándar, ns no significativos. L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que, área motora suplementaria de SMA.

(a: rostro enojado > rostros felices, b: rostros enojados > rostros neutrales y c: rostro feliz > rostros neutrales) muestra los pesos beta extraídos para todos los sujetos derivados de los dos ROI en (d: amígdala izquierda (x = −24, y = −2, z = −32) y la amígdala derecha (x = 26, y = −6, z = −28) entre los estados con y sin máscara. La diferencia entre las dos condiciones calculadas en los ROI fue a través de la prueba t pareada (p < 0,05, Bonferroni corregido). Las barras de error indican errores estándar, ns no significativos. L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que, Amyg amygdala.

(a: rostros enojados > rostros felices, b: rostros enojados > rostros neutrales y c: rostros felices > rostros neutrales) muestra los pesos beta extraídos para todos los sujetos derivados de los dos ROI en (d: circunvolución frontal superior, medial (x = 2, y = 54, z = 20) y corteza cingulada posterior (PCC; x = 2, −44, z = −28)). La diferencia entre las dos condiciones se examinó mediante la prueba t pareada (p < 0,05, corregido por Bonferroni). La barra de error muestra el error estándar, ns no significativo, L hemisferio izquierdo, R hemisferio derecho, > mayor que.

Empleamos enfoques basados en tareas y en estado de reposo para examinar si el uso de una máscara quirúrgica podría afectar las señales de fMRI durante la exploración. En general, observamos señales consistentes de estado de reposo y activación de tareas entre los dos estados de máscara. (1) no hubo diferencias significativas de rsFC entre el enmascaramiento y el enmascaramiento a nivel de todo el cerebro (2) el hallazgo general en los experimentos de tareas mostró un patrón de activación relativamente similar en los estados de enmascaramiento y enmascaramiento con sin diferencias significativas en las activaciones. Nuestros resultados, por lo tanto, confirmaron la falta de efectos del uso de máscaras en los patrones de activación observados en 11 y extendieron los hallazgos a tareas cognitivas y emocionales adicionales, así como a la IRMf en estado de reposo.

El análisis de la señal rs demostró fluctuaciones de ALFF, fALFF y conectividad relativamente similares en ReHo. La desactivación de la máscara demostró diferencias insignificantes en las tres medidas en comparación con el uso de la máscara, diferencias estadísticas (sin corregir, Fig. 1 complementaria) que sugieren que existe una variación sutil en la mezcla de aire (tal vez a través de la acumulación de CO2, durante el uso de la máscara como también se describe in11), lo que da como resultado un ligero cambio de activación entre los dos estados de máscara, pero el efecto es insignificante y no refleja ninguna diferencia de señales subyacente durante la rs-fMRI.

El rsFC no mostró diferencias significativas entre los dos estados de la máscara, sin embargo, el patrón de conectividad general demostrado fue comparable aún, la máscara exhibió una fuerza de conectividad más baja relativamente insignificante en comparación con la máscara, esto puede deberse al aumento de CO2 en la mezcla de aire . En general, tanto las tres medidas del estado de reposo como la FC mostraron que el enmascaramiento era ligeramente más bajo en comparación con el enmascaramiento. Esta observación puede ser el resultado de un aumento de la perfusión cerebral que provoca una disminución de la SPO2 arterial en oposición al aumento neto del O2 venoso.

Para el análisis de tareas, la tarea de golpeteo con los dedos mostró patrones similares tanto en la máscara puesta como en la máscara quitada, particularmente en las regiones de AME, ganglios basales y cerebelo. Estudios anteriores han revelado que la AME estaba implicada en diversas formas de actividad motora, como el movimiento voluntario básico y la coordinación bimanual12,13. Asimismo, el movimiento secuencial y repetitivo se ha relacionado con la activación de los ganglios basales14,15. Por lo tanto, esperábamos que estos patrones de activación fueran evidentes tanto en los estados de enmascaramiento como en los de enmascaramiento. Nuestro resultado fue consistente con11 en el que tampoco encontraron diferencias de activaciones en la tarea sensoriomotora.

El examen de la tarea de coincidencia de caras emocionales empleando una cara neutral como línea de base reveló que las caras enojadas involucraban la corteza prefrontal para ambas condiciones con diferencias que ocurrían en la circunvolución cingulada media, el tálamo, la corteza visual, el hipocampo y el dLPFC. Además, tanto en condiciones de caras felices como enojadas, aparecieron activaciones idénticas en cada estado de máscara en relación con la condición de cara neutral. Para el análisis de ROI, las señales BOLD en la condición de máscara activada fueron más bajas en relación con la condición de máscara desactivada para todos los diversos contrastes calculados.

La tarea de memoria de trabajo mostró activaciones sólidas en regiones como la dLPFC, la corteza visual, el cingulado medio/anterior de SMA, el tálamo y el PCC, que se esperaban bajo los dos estados de enmascaramiento. Se demostró que patrones similares de activación implican las correspondientes respuestas cognitivas y conductuales en los experimentos. Las activaciones entre los dos estados de máscara son generalmente similares en todo el cerebro, lo que indica que no hubo influencia de la máscara en las respuestas generales de activación de tareas a través de las cargas de memoria. Esto también sugiere una actividad neuronal similar para cada carga de memoria y es consistente con los estudios que investigan el mantenimiento de la memoria de trabajo en humanos16. Aunque estos patrones de activación en ambos estados de máscara no se ven afectados, algunos estudios han demostrado un efecto similar en condiciones de hipoxia17. El rendimiento de la memoria de trabajo refleja una mayor respuesta a la señal BOLD, lo que corresponde a una mayor competencia en la tarea, es decir, el aumento de la dificultad de la tarea producirá una mayor respuesta en el cerebro. El PCC estuvo implicado en una mayor carga de memoria18 de acuerdo con nuestros resultados. Sin embargo, se necesitaría más investigación para aclarar si los efectos se debieron a algún proceso cognitivo subyacente.

Vale la pena mencionar que los hallazgos deben ser considerados en el contexto de las limitaciones. En primer lugar, si bien pudimos medir la SPO2 antes y después de la exploración, es posible que esto no refleje los verdaderos cambios de la señal BOLD fMRI en comparación con si se midiera EtCO2 y se controlara el flujo de aire en el escáner como se hizo en11,19. En segundo lugar, el uso de la máscara antes del escaneo fue corto durante la sesión experimental, también modificamos el experimento para incluir una duración de tarea más corta para permitir un desempeño de tarea mínimo y conveniente para los estados de máscara puesta y sin máscara, mayor duración de uso de la exploración previa y posterior a la máscara mejorará, por lo tanto, las respuestas a las tareas. Los estudios futuros deben examinar los efectos del uso prolongado de mascarillas, así como la realización de la tarea por separado. Además, la reducción de la SPO2 periférica como estimación de las saturaciones de oxígeno arterial – SaO2, puede corresponder a cambios en la sustancia gris y seguir siendo especulativa.

En general, nuestros resultados demostraron en todas las medidas, incluidas las activaciones de tareas y estado de reposo, tanto los estados con máscara puesta como sin máscara exhibieron patrones similares. Esto puede reflejar el efecto insignificante o nulo de usar una máscara quirúrgica en la señal de fMRI. En esencia, estos resultados confirman y complementan los resultados en 11 al ampliar el tamaño de los datos y la experimentación útil que refleja los paradigmas más utilizados en fMRI.

Treinta y siete adultos jóvenes sanos y diestros (edad media = 23,6; rango = 21–27) debieron usar una máscara facial quirúrgica en una de las dos sesiones de adquisición de fMRI. Todos los participantes fueron reclutados en un campus y eran estudiantes de pregrado o posgrado de tiempo completo con al menos 14 años de formación educativa y se consideró que tenían un nivel de coeficiente intelectual encomiable. Todos los participantes se sometieron a un examen exhaustivo de la capacidad vital (nivel de debilidad de los músculos respiratorios, volumen pulmonar y frecuencia respiratoria) antes del escaneo en el hospital de la Universidad de ciencia y tecnología electrónica de China (UESTC) antes del experimento. Para excluir sujetos con altos niveles de depresión o ansiedad en niveles patológicamente relevantes, los participantes fueron evaluados por medio de dos escalas (Chinese Beck Depression Inventory, C-BDI20; State-Trait Anxiety Inventory, STAI21).

Antes de escanear, todos los sujetos practicaron las tareas. Todos los procedimientos del estudio fueron aprobados por el Comité de Ética local de UETC. Todos los sujetos dieron su consentimiento por escrito para participar en este estudio. Parte del consentimiento incluía la información exacta sobre el procedimiento de escaneo y la evaluación psicológica. El estudio fue aprobado por el Comité de Ética del hospital clínico del Chengdu Brain Science Institute (CBSI) y se adhirió a la última revisión de la Declaración de Helsinki.

Los datos de resonancia magnética se recopilaron utilizando un escáner de resonancia magnética (3.0 T, Discovery MR750, GE, EE. UU.). Las imágenes funcionales se recogieron utilizando una secuencia de imágenes ecoplanares de eco de gradiente. Los parámetros de exploración fueron los siguientes: TR/TE = 2000 ms/30 ms; campo de visión = 240 × 240 mm2; ángulo de giro = 90°; tamaño de matriz = 64 × 64 y espesor = 4 mm. Número de cortes axiales = 42 con grosor de corte = 3 mm y espacio = 0. Los datos se recopilaron tanto para la resonancia magnética funcional (fMRI) de reposo como de tarea para los estados con y sin máscara. Los datos de resonancia magnética funcional en estado de reposo se adquirieron en una sola ejecución de 8 minutos que contenía 240 volúmenes de imágenes. Los primeros cinco volúmenes de la exploración en reposo se descartaron para garantizar una magnetización longitudinal en estado estacionario. Durante la exploración en estado de reposo, a los participantes simplemente se les indicó que mantuvieran los ojos cerrados y que no pensaran en nada en particular.

Todas las pruebas fisiológicas y psicológicas se realizaron antes de las sesiones de resonancia magnética. Los pasos iniciales consisten en pedir a los participantes que descansen durante 5 minutos para reducir la frecuencia cardíaca. La sección de escaneo incluyó dos evaluaciones durante las cuales los participantes fueron asignados aleatoriamente a usar una máscara (máscara puesta) y no usar una máscara (máscara fuera). Es decir, los sujetos fueron escaneados dos veces, si un sujeto ingresa al escáner con la máscara puesta, será escaneado nuevamente sin máscara y las saturaciones de SPO2 se medirán en consecuencia. Antes de que el participante se pusiera la mascarilla, retiramos la tira de metal de la parte superior de la mascarilla. Para reducir el efecto de quitar las tiras de metal, pegamos cinta adhesiva de doble cara en cada máscara donde retiramos las tiras de metal para mantener la estanqueidad a los gases. Para la condición de máscara puesta, los participantes completaron las siguientes pruebas psicológicas: Inventario de ansiedad de estado-rasgo, Inventario de ansiedad de prueba e Inventario de depresión de Beck-II. Los participantes también practicaron las tres tareas sin quitarse la máscara. Después de las pruebas psicológicas, se colocó un oxímetro de pulso en el dedo índice durante 3 min para medir la saturación de SPO2 y la frecuencia cardíaca (en adelante, pre-scan-O2). Luego, los participantes ingresaron al escáner. Después de que se completaron las exploraciones de resonancia magnética, se midieron nuevamente la saturación de O2 y la frecuencia cardíaca (en lo sucesivo, Post-exploración-O2). Los resultados de las mediciones fisiológicas se compararon dentro de cada estado de máscara entre antes y después de la sesión de resonancia magnética utilizando la prueba t, la significación estadística se limitó a p < 0,05. Se usó una prueba t para probar la diferencia dentro del estado de la máscara, y se usó una prueba t pareada entre enmascarar y quitar la máscara, la significación estadística se limitó a p < 0,05.

Todas las imágenes se preprocesaron utilizando DPARSF1 (http://rfmri.org/DPARSF) aplicando los siguientes pasos: la adquisición de imágenes entre cortes se corrigió en el tiempo, las imágenes se realinearon para eliminar posibles artefactos de movimiento, las imágenes se normalizaron a una plantilla EPI estándar, cada imagen del sujeto se distorsionó en un espacio estándar con una resolución de 3 × 3 × 3 mm utilizando la plantilla del Instituto Neurológico de Montreal (MNI) y, finalmente, las imágenes se suavizaron con un núcleo gaussiano de 8 mm de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). No retrocedimos la señal global ya que se asumió que esto introducía una correlación negativa y disminuía la señal real que se analizaba. Los parámetros de movimiento de la cabeza se estimaron en las tres direcciones (x, y, z) junto con la rotación angular en cada eje (cabeceo, balanceo y guiñada) utilizando el modelo Friston de 24 parámetros22. Establecimos el umbral de movimiento en traslación < 2 mm y rotación < 2° para evitar movimientos extremos de la cabeza, los sujetos con valores superiores a los umbrales fueron excluidos de análisis posteriores. Se evaluó el desplazamiento del marco de referencia (FD)23 para cada sujeto utilizando la fórmula;

donde t es el número de puntos de tiempo en la fMRI; \({x}_{i}^{1}/{x}_{i}^{2}\),\({y}_{i}^{1}/{y}_{i}^ {2}\) y \({z}_{i}^{1}/{z}_{i}^{2}\) son traslación y rotación en el punto de tiempo t en las tres direcciones (x, y y z) y \(\triángulo {d}_{{x}_{i}^{1}}={x}_{i}^{1}-{x}_{i-1}^{1} \)(Ec. 2). Establecemos el umbral de desplazamiento medio como FD < = 0,5.

Todo el análisis de datos se realizó con el software spm12 (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/), así como scripts dependientes de spm12 para cálculos por lotes.

Las medidas de la señal en estado de reposo, incluida la amplitud de las fluctuaciones de baja frecuencia (ALFF), el ALFF fraccional (fALFF) y la homogeneidad regional (ReHo), se calcularon para todos los sujetos en ambas condiciones. La medida ALFF por vóxeles es la raíz cuadrada media de la potencia en las ventanas de frecuencia elegidas. El fALFF especifica la contribución relativa de las oscilaciones en un rango de baja frecuencia seleccionado a las diferencias de señal en todo el rango de frecuencia especificado. En este cálculo, la similitud de la serie temporal de un vóxel dado se midió con las de sus 27 vecinos más cercanos en forma de vóxel y luego se le dio el valor del coeficiente de concordancia de Kendall (KCC) a cada vóxel central. Todas las imágenes ALFF se estimaron extrayendo espectros de potencia a través de la transformada rápida de Fourier y calculando la suma de amplitudes dentro de una banda de baja frecuencia (0,01–0,08 Hz). El fALFF también se calculó como la relación entre la amplitud dentro del mismo rango de frecuencia que el ALFF y la amplitud total en el rango de frecuencia completo de 0,01 a 0,1 Hz. Calculamos el ReHo usando KCC. El mapa ReHo se suavizó espacialmente con un núcleo gaussiano FWHM de 6 × 6 × 6 mm.

Calculamos el FC a través de DPARSF utilizando el atlas24 de cerebro completo AAL que comprende 116 ROI. Se obtuvieron cursos de tiempo promedio de los 116 ROI, y se realizó un análisis de correlación de vóxeles para crear el mapa FC. A continuación, el mapa de coeficientes de correlación se convirtió en un mapa z mediante la transformación r-to-z de Fisher para mejorar la normalidad. Además, extrajimos las matrices de correlación para cada estado de máscara y realizamos pruebas pareadas entre máscara puesta y máscara apagada.

Los pasos de preprocesamiento fueron los mismos que para los datos del estado de reposo. Realizamos tres tareas diferentes para las condiciones de enmascaramiento y desenmascaramiento, incluido el golpeteo con los dedos, la tarea de coincidencia facial emocional y la memoria de trabajo. Estos experimentos representan los procesos motores, cognitivos y emocionales básicos que se pueden utilizar para evaluar el efecto de las dos condiciones. Para cada sujeto, se realizó un análisis estadístico de primer nivel mediante la aplicación de un filtro de paso alto establecido en 128 s, luego se modeló cada estado de la máscara (con y sin máscara) utilizando la función hemodinámica canónica de los diseños de bloques en los experimentos. . Para detectar activaciones dentro de la condición, se realizaron cálculos estadísticos de segundo nivel en cada una de las tareas. Se calcularon los contrastes dentro de cada condición para todas las tareas.

Aunque algunos estudios han sugerido que la exposición a un nivel de O2 relativamente bajo, similar a la hipoxia leve, podría no afectar la cognición general y cierto rendimiento motor importante25,26, también ha habido informes que indican que la hipoxia leve podría afectar la capacidad cognitiva compleja, incluida la memoria, la atención y la una tarea que involucra el rendimiento perceptivo-motor27,28, con base en estos informes, elegimos las tres tareas de resonancia magnética funcional ampliamente utilizadas, a saber, toqueteo con los dedos29,30, coincidencia emocional de rostros31 y memoria de trabajo n-back32. Calculamos la prueba t pareada (p < 0.05) entre las dos condiciones.

Empleamos una tarea de golpeteo con los dedos en el estudio actual debido a su simplicidad y capacidad para medir la integridad motora cortical sutil y proporcionar las activaciones motoras correspondientes que se pueden observar mediante resonancia magnética funcional. Además, las modulaciones de O2 en respuesta a la fluctuación BOLD se conservan bien durante la acción motora33,34, lo que permite estimar la actividad neuronal con un nivel reducido de O2. En esta tarea se presentaban alternativamente una cruz y una oración. Cuando comenzó la tarea, se presentó una fijación y duró 34 s, luego se presentó una instrucción que también era la oración de la tarea ("por favor, mueva el dedo") y duró 24 s, y este patrón se repitió. Salvo la primera fijación, el resto de fijaciones, así como la instrucción, tuvieron una duración de 24 s. El tiempo total de la tarea fue de 226 s.

En este experimento, utilizamos un paradigma de IRMf de diseño de bloques que se ha demostrado que determina las respuestas a las caras enfadadas35,36 en regiones emocionalmente relacionadas, como la amígdala. Modificamos la tarea para que constara de 2 carreras y cada carrera comprendía 6 bloques de estímulos faciales y 2 bloques de estímulos no faciales. Utilizamos los estímulos faciales asiáticos obtenidos de la base de datos de expresiones faciales asiáticas37. Durante los bloques de procesamiento facial, se presentaron en la pantalla un trío de estímulos faciales específicos de la condición (expresiones felices, enojadas o neutrales). Se pidió a los participantes que seleccionaran entre 2 imágenes (abajo) e identificaran cuál era idéntica a la imagen de destino (arriba), luego se realizó una reacción al presionar una tecla para registrar los resultados. Cada bloque constaba de 4 pruebas de condiciones específicas, equilibradas por género. Durante los bloques no faciales, se presentaba en pantalla un trío de formas geométricas simples (círculos y elipses). De manera similar, se pidió a los participantes que seleccionaran una de las dos formas (abajo) que coincidiera con la forma objetivo (arriba). Todos los bloques comenzaban con una instrucción breve ("coincidencia de caras" o "coincidencia de formas") que duraba 2 s. Dentro de cada bloque, cada ensayo se presentó durante 4 s con un intervalo entre estímulos (ISI) de 1 a 3 s (media, 2 s). El tiempo total de la tarea fue de 336 s.

Los participantes realizaron una tarea n-back38 consistente en letras que requerían el mantenimiento y actualización continua de la información relevante de la memoria de trabajo. La tarea n-back tenía dos niveles diferentes de complejidad: 1-back y 2-back tareas destinadas a sostener cargas y manipulación mental. Los participantes también realizaron una tarea de control (0-atrás) en la que se les pidió que identificaran una letra preespecificada (es decir, una "X"). Durante la tarea de 1 vuelta, los participantes debían identificar si la letra que aparecía en la pantalla (el estímulo "objetivo") coincidía con la letra presentada previamente en la pantalla (el estímulo "señal"). De manera similar, durante la tarea de 2 espaldas, se pidió a los participantes que compararan si la letra que aparecía en la pantalla (el estímulo "objetivo") coincidía con la anterior a la letra presentada previamente en la pantalla (el estímulo "señal"). Se pidió a los participantes que respondieran presionando los botones 2 o 3 si el objetivo era idéntico o diferente de la señal, respectivamente. Para reducir las estrategias visuales y fonológicas, utilizamos letras fonológicamente cerradas con mayúsculas y minúsculas. Así, se presentaron los siguientes caracteres: b, B, d, D, g, G, p, P, t, T, v, V. Se les dijo a los participantes que ignoraran el caso de las letras. Las cartas se presentaron durante 500 ms con un intervalo interestímulo fijo de 1500 ms. Hubo 4 carreras, cada carrera tenía 3 bloques (0-1-o 2 bloques), y cada bloque tenía 36 intentos que incluían 12 objetivos. Antes de cada bloque de tareas, se presentó una pantalla de instrucciones (0, 1 o 2 atrás) durante 2000 ms. Una pantalla en blanco de 4000 ms separó las instrucciones desde el inicio de la primera letra. Los bloques de tareas estaban separados por una cruz de fijación de 8000 ms. El tiempo total de la tarea fue de 270 s.

Para permitir un análisis más sensible, también incluimos un análisis de regiones de interés (ROI). Se crearon ROI (radio de 6 mm) utilizando MarsBar toolbox39 implementado en SPM. Definimos máscaras anatómicas para cada una de las tareas: golpecitos con los dedos (SMA; x = 10, y = −4, z = 58 y vermis; x = 6, y = −70, z = −16), coincidencia emocional de rostros (izq. amígdala; x = −24, y = −2, z = −32 y amígdala derecha; x = 26, y = −6, z = −28) y memoria de trabajo (circunvolución frontal superior, medial; x = 2, y = 54, z = 20 y corteza cingulada posterior, x = 2, y = −44, z = 28). Estos ROI se basaron en las regiones cerebrales metaanalíticas derivadas de la base de datos Neurosynth (https://neurosynth.org/). Todo el etiquetado de ROI se basó en el atlas24 de etiquetado anatómico automatizado (AAL) en el espacio MNI. Antes del análisis, se calculó una regresión múltiple para obtener los mapas de activación y luego se usaron los ROI para obtener los valores estimados de los parámetros. Se utilizó la prueba t pareada para evaluar la diferencia entre los valores de las dos condiciones (umbral significativo establecido en p < 0,05).

Para garantizar la simplicidad estadística y la reproducibilidad de nuestros resultados, adoptamos un enfoque de dos pasos: determinamos aleatoriamente el estado de la máscara (máscara encendida y máscara apagada) de cada sujeto antes y después del escaneo. Los datos recopilados de cada sujeto se agruparon primero en el escaneo previo y posterior, los resultados para cada condición de máscara se combinaron luego para todos los n = 35 sujetos. Comparamos los mapas t resultantes tanto del experimento del estado de reposo como del experimento de la tarea, cada uno de los cuales consta de una prueba t de una muestra para el efecto del estado dentro de la máscara y una prueba t pareada para el efecto del estado entre máscaras en todo el cerebro ( excluyendo vóxeles fuera del cerebro).

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de investigación de Nature vinculado a este artículo.

Todos los datos se obtuvieron de la Universidad de ciencia y tecnología electrónica de China. Los datos están disponibles de los autores correspondientes a la aceptación de este manuscrito y una solicitud razonable. Todos los puntos de datos utilizados para generar gráficos estadísticos del análisis de ROI en las Figs. 6, 7 y 8 se proporcionan en Datos complementarios 1.

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Descargar referencias

La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC, No. 0561871420) apoyó este trabajo.

The Clinical Hospital of Chengdu Brain Science Institute, MOE Key Laboratory for Neuroinformation, Center for Information in Medicine, School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China, No.2006, Xiyuan Avenue, West Hi-Tech Zone, Chengdú, Sichuan, 611731, China

Benjamin Klugah-Brown, Yue Yu, Peng Hu, Elijah Agoalikum, Congcong Liu, Xiqin Liu, Xi Yang, Yixu Zeng, Xinqi Zhou, Benjamin Becker y Bharat Biswal

Martimos Imaging Center, Harvard Medical School, Charlestown, MA, 02129, EE. UU.

Xin yu

Facultad de Ciencias del Cerebro y del Comportamiento de la Universidad de Texas en Dallas, GR41800 W. Campbell Road, Richardson, TX, 75080-302, EE. UU.

Bart Rypma

Instituto Duke de Ciencias del Cerebro, Universidad de Duke, Durham, NC, EE. UU.

Andrés M. Michael

Departamento de Ingeniería Biomédica, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey, Newark, NJ, EE. UU.

Xiaobo Li y Bharat Biswal

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

Conceptualización: BK-B. y B. Biswal; Metodología, análisis de datos y redacción del borrador del manuscrito original: BK-B.; Adquisición y análisis de datos-fMRI: YY, PH y EA; Diseño experimental y protocolo: CL, X. Liu, X. Yang, YZ, XZ y B.Becker; redacción-revisión y edición: X. Yu, BR, AMM, X.Li, B. Becker y B. Biswal.

Correspondencia con Benjamin Klugah-Brown o Bharat Biswal.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Biology agradece a Michael Germuska y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editores de manejo principal: Jeanette Mumford, Karli Montague-Cardoso, Joao Manual de Sousa Valente y George Inglis.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Klugah-Brown, B., Yu, Y., Hu, P. et al. Efecto de la máscara quirúrgica en las señales de fMRI durante la tarea y el descanso. Comun Biol 5, 1004 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03908-6

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Recibido: 12 agosto 2021

Aceptado: 29 de agosto de 2022

Publicado: 21 de septiembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-022-03908-6

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