Effet du masque chirurgical sur les signaux IRMf pendant la tâche et le repos

Biologie des communications volume 5, Numéro d'article : 1004 (2022) Citer cet article

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Le port d'un masque facial est devenu essentiel pour contenir la propagation du COVID-19 et est devenu obligatoire lors de la collecte de données IRMf dans la plupart des instituts de recherche. Ici, nous étudions les effets du port d'un masque chirurgical sur les données d'IRMf chez n = 37 participants en bonne santé. Les activations pendant le tapotement des doigts, l'appariement des visages émotionnels, les tâches de mémoire de travail et le repos ont été examinés. Les analyses préliminaires d'IRMf montrent que malgré les différents états de masque, les signaux d'état de repos et les activations de tâches étaient relativement similaires. La connectivité fonctionnelle à l'état de repos a montré des schémas d'atténuation négligeables avec le masque activé par rapport au masque désactivé. L'analyse du retour sur investissement basée sur les tâches n'a également démontré aucune différence significative entre les deux états de masque sous chaque contraste étudié. Nonobstant les effets globaux insignifiants, ces résultats indiquent que le port d'un masque facial pendant l'IRMf a peu ou pas d'effet significatif sur l'état de repos et les activations de tâches.

L'épidémie de COVID-19 à la fin de 2019 a été déclarée pandémie mondiale par l'Organisation mondiale de la santé (OMS)1 en mars 2020. L'OMS a émis une recommandation de porter des masques faciaux comme mesure de précaution importante pour contrôler les taux de transmission du virus. Le port d'un masque facial atténue considérablement le risque de transmission et réduit ainsi la probabilité de transmission de personne à personne2. La recommandation a suscité un débat houleux dans les pays du monde entier. Les préoccupations portaient notamment sur le fait que le port du masque pourrait être inconfortable et gênant, interférant avec les activités de la vie quotidienne, et des questions sur les effets de l'utilisation prolongée du masque3,4.

Alors que les installations de recherche en imagerie IRM (et IRMf) reprennent lentement la numérisation, la plupart des installations rendent obligatoire l'utilisation de masques faciaux chez les sujets humains. Avant la préoccupation potentielle du port d'un masque lors d'une IRM, peu d'études ont étudié l'impact physiologique et cognitif du port d'un masque facial. Roberge et ses collègues ont étudié la physiologie sous-jacente dans des conditions d'activité normales (tout en portant un masque N95), comme la marche à un rythme lent5,6. Bien que les auteurs aient trouvé une augmentation de 3 % de la résistance pendant l'inhalation, ce qui signifie une demande plus élevée d'air/oxygène (O2), ils ont conclu que cela n'avait pas d'impact significatif sur les processus physiologiques sous-jacents. Ils ont suggéré que des masques relativement plus légers, tels que les masques chirurgicaux standard, pourraient induire peu ou pas de différences dans la capacité respiratoire et la saturation en O2 (le rapport entre l'hémoglobine saturée en O2 et l'hémoglobine totale dans le sang). Bien que les études ci-dessus se soient concentrées sur les différences d'O2, la demande d'air et la composition de l'air sont le plus souvent examinées par des mesures de dioxyde de carbone en fin d'expiration (EtCO2), généralement parce que l'O2 inspiré (en volume réduit) et l'air pulmonaire expiré (avec une accumulation élevée de CO2 pendant la réinspiration) sont mélangés lorsqu'un masque bien ajusté est enfilé. Cependant, bien que ces études suggèrent que les changements physiologiques pendant le port du masque facial sont minimes, les effets potentiels sur les signaux et l'activité du cerveau ne sont toujours pas suffisamment étudiés. De plus, il convient de noter que le sang artériel serait principalement composé d'une augmentation du CO2 (suite à une diminution de l'O2) au fil du temps et pourrait affecter le volume vasculaire artériel, en particulier dans la matière grise, mais plus important encore, les changements de signal IRMf BOLD dus à la composition de l'air sont les meilleurs. acquis par voie veineuse qui est connu pour correspondre directement aux niveaux d'oxygène dans le sang (BOLD).

BOLD fMRI est principalement utilisé pour étudier la fonction cérébrale. Dans le défi de la tâche et l'état de repos, le signal BOLD dépend des niveaux et des variations de base d'oxygène ainsi que des conditions qui affectent la consommation d'oxygène. Une façon d'étudier les changements d'oxygénation cérébrale a été d'utiliser des mélanges gaz-air7. Une autre façon a été d'utiliser l'apnée8. Dans les études sur l'apnée, on demande aux participants de retenir leur respiration pendant une courte période, la tâche devrait entraîner une réduction de l'oxygène et une accumulation de CO2 dans le sang, en particulier dans les poumons, ce qui introduit l'hypercapnie9,10.

Une première étude très récente a abordé la question de savoir si le port d'un masque facial peut avoir un effet sur les mesures IRMf. Ce travail récent de Law et al. (2021) ont montré que le port d'un masque facial pendant l'IRMf induit des niveaux plus élevés de CO2 qui influencent potentiellement le signal BOLD, mais affectent de manière minimale l'activation de la tâche11. Ce travail est parmi les premiers à répondre à la préoccupation des effets possibles du port du masque sur l'activation de l'IRMf. Cependant, les conclusions de l'étude étaient limitées en raison de la taille relativement petite de l'échantillon (n = 8) et de l'accent mis sur une tâche sensorimotrice, tandis que les effets du port d'un masque facial sur les paradigmes d'IRMf cognitifs, émotionnels et au repos fréquemment utilisés restent à déterminer. déterminé.

Dans cette étude actuelle, basée sur une étude récente de neuroimagerie montrant un effet négligeable11 du port d'un masque, nous avons donc cherché à examiner plus en détail les données d'IRMf des états de masque (masques activés et désactivés) pour les paradigmes de l'état de repos et des tâches courantes dans un conception intra-sujet dans un échantillon plus large de n = 35 sujets sains.

Après avoir soumis les données à des critères d'exclusion de mouvement de la tête (translation < = 2 mm et rotation < = 2o) et la suppression ultérieure des images dégradées a conduit à un échantillon final de 35 participants droitiers en bonne santé (15 hommes, 20 femmes, âge moyen des hommes = 23,8 ± 1,13 ans, âge moyen des femmes = 23,4 ± 1,04 ans) pour toutes les analyses ultérieures, Tableau 1. En ce qui concerne SPO2 et HR, le test t apparié a révélé que même si le masque était généralement plus élevé, il n'y avait pas de différence significative pour les pré- scan-O2 et Post-scan-O2 entre les états de masque. De plus, nous n'avons trouvé aucune différence entre HR-pre-scan et HR-post-scan à la fois avec et sans masque. Tous les résultats sont résumés dans le tableau 2.

À travers les indices examinés, nous observons des ALFF et fALFF relativement similaires pour les masques activés et désactivés. Dans les deux états, signaux sur une large gamme de réseaux, en particulier dans les régions de mode par défaut (PCC et dLPFC) et les réseaux de saillance (insula) Fig. 1a–d. Le test t apparié entre mask-on et mask-off n'a démontré aucune signification (un seuil à p < 0,05, FDR corrigé). En ce qui concerne le ReHo (Fig. 1e, f), nous observons des corrélations dans les réseaux en mode par défaut et les réseaux visuels pour les masques activés et désactivés, il n'y avait pas de différence significative entre les deux états de masque, tous appariés non corrigés t -les cartes de test sont présentées dans la Fig. 1 supplémentaire.

(a, b), (c, d) et (e, f) représentent un test t à un échantillon calculé pour ALFF, fALFF et ReHo, respectivement dans les états masque activé et désactivé, les résultats sont seuil à p < 0,05, FDR corrigé.

Pour le rsFC (Fig. 2a, b), le test t à un échantillon calculé dans chaque état de masque a montré des schémas de connectivité généralement similaires sur les 116 ROI. Bien que chaque état ait démontré à la fois une augmentation et une augmentation de la connectivité régionale, l'état sans masque était légèrement plus élevé que l'état avec masque. Le test t apparié n'a montré aucune différence significative entre les deux états de masque (p < 0,05, FDR, corrigé).

a, b Matrice FC de 116 retours sur investissement extraits du modèle AAL sur tous les sujets pour les deux états de masque, la barre de couleur correspond à la force des valeurs z calculées à l'aide du test t à un échantillon (p <0,05, corrigé FDR).

L'activation maximale du cerveau entier correspondant au tapotement du doigt a montré des activations robustes dans chaque état du masque. Dans les états mask-on et mask-off, des activations significatives sont localisées dans l'aire motrice supplémentaire (SMA) et le gyrus post-central, fusiforme et calcarin des réseaux visuels, le cervelet, le caudé et certaines régions temporales, Fig. 3a , B. La différence entre l'activation de la tâche avec masque et sans masque n'était pas significative (test t apparié, p < 0,05).

a Régions associées à la tâche de tapotement du doigt pendant l'état de masque. b Régions activées pendant l'état de masque désactivé. Toutes les régions présentées ont été seuillées à p < 0,05, corrigées par FDR, calculées à l'aide d'un test t à un échantillon dans chaque état de masque. L hémisphère gauche, R hémisphère droit, > supérieur à.

Dans cette tâche, nous avons initialement déterminé les zones cérébrales qui montraient l'effet de l'attention et du traitement émotionnel entre le masque et le masque. Dans la tâche émotionnelle pour les deux états, les régions activées sont situées dans le thalamus, le cingulaire moyen/antérieur, le cortex préfrontal et l'hippocampe. Les activations induites par la colère contrastant avec les images heureuses et neutres, respectivement, étaient généralement plus importantes dans le cingulaire et l'hippocampe pendant le masque désactivé par rapport à l'état masqué, Fig. 4a – d. Le contraste du visage heureux avec le visage neutre partageait une activation régionale relativement similaire généralement à travers le moteur, le gyrus cingulaire moyen et postérieur et l'hippocampe, Fig. 4e, f.

(a, b : visages en colère > visages heureux), (c, d : visages en colère > visages neutres) et (e, f : visages heureux > visages neutres) indique le contraste calculé pour les stimuli émotionnels présentés entre les deux états de masque, respectivement. Les activations les plus calculées se produisent dans le cortex visuel, l'hippocampe, le cingulaire moyen/antérieur et le cortex préfrontal (seuil corrigé par cluster à p < 0,05). L hémisphère gauche, R hémisphère droit, > supérieur à.

Cette tâche comprend trois conditions avec différentes charges de mémoire de travail (0-back, 1-back et 2-back). Le 0-back a été utilisé comme charge de mémoire de base. Un schéma similaire d'activation s'est produit dans le cortex préfrontal dorsolatéral (dLPFC) pour le masque activé et désactivé et chaque charge de mémoire. Les régions activées sont relativement similaires entre les états masqués et masqués, Fig. 5a – f. Il n'y avait pas de différence d'activation significative entre les états de masque activé et désactivé.

(a, b : premier chargement de mémoire > ligne de base), (c, d : deuxième chargement de mémoire > ligne de base) et (e, f : deuxième chargement de mémoire > premier chargement de mémoire) affichent le modèle d'activation pour chaque contraste de charge de mémoire dans chaque état de masque . Le schéma d'activation est identique dans les deux conditions (seuil corrigé par cluster d'activation de p < 0,05). L hémisphère gauche, R hémisphère droit, > supérieur à.

L'analyse du ROI a été effectuée pour les trois tâches indépendantes (ROI voir Méthodes). Des tests t appariés (seuil p < 0,05) ont été calculés sur les valeurs estimées des paramètres extraits pour les retours sur investissement dans les états masque activé et désactivé. La tâche de tapotement du doigt n'a montré aucune différence significative entre le masque activé et le masque désactivé dans le Vermis_6 et le SMA respectivement (Fig. 6a, b). Pour l'expérience d'appariement de visage émotionnel, il n'y avait aucune différence significative entre les deux états de masque pour aucun des contrastes examinés (en colère > heureux, en colère > neutre et heureux > neutre ; Fig. 7a–c) dans l'amygdale (Fig. 7d) . De même, dans la tâche de mémoire de travail, il n'y avait pas de différence significative dans le contraste 1-dos> 0-dos et 2-dos> 1-dos obtenu à partir des ROI (Fig. 8a – c) des deux régions (Fig. 8d ).

a montre les poids bêta extraits pour tous les sujets dérivés des deux ROI dans (b : SMA (x = 10, y = −4, z = 58) et vermis_6 (x = 6, −70, z = −16)) entre le masque activé et désactivé. Les différences entre les deux états de masque calculées au niveau des ROI étaient via un test t apparié (p <0,05). Les barres d'erreur indiquent les erreurs standard, ns non significatif. Hémisphère gauche L, hémisphère droit R, > supérieur à, aire motrice supplémentaire SMA.

(a : visage en colère > visages heureux, b : visages en colère > visages neutres et c : visage heureux > visages neutres) montre les poids bêta extraits pour tous les sujets dérivés des deux ROI en (d : amygdale gauche (x = −24, y = −2, z = −32) et l'amygdale droite (x = 26, y = −6, z = −28) entre les états mask-on et mask-off. La différence entre les deux conditions calculées aux ROI était via test t apparié (p < 0,05, corrigé de Bonferroni). Les barres d'erreur indiquent les erreurs standard, ns non significatif. L hémisphère gauche, R hémisphère droit, > supérieur à, Amyg amygdale.

(a : visages en colère > visages heureux, b : visages en colère > visages neutres et c : visages heureux > visages neutres) montre les poids bêta extraits pour tous les sujets dérivés des deux ROI en (d : gyrus frontal supérieur, médial (x = 2, y = 54, z = 20) et cortex cingulaire postérieur (PCC ; x = 2, -44, z = -28)). La différence entre les deux conditions a été examinée via un test t apparié (p < 0,05, corrigé de Bonferroni). La barre d'erreur indique l'erreur standard, ns non significatif, l'hémisphère gauche L, l'hémisphère droit R, > supérieur à.

Nous avons utilisé des approches basées sur l'état de repos et les tâches pour examiner si le port d'un masque chirurgical pouvait avoir un impact sur les signaux d'IRMf pendant le balayage. En général, nous avons observé des signaux d'état de repos cohérents et une activation de tâche entre les deux états de masque. (1) il n'y avait pas de différences rsFC significatives entre le masque activé et le masque désactivé au niveau du cerveau entier (2) les résultats globaux des expériences de tâche ont montré un schéma d'activation relativement similaire dans les états masqué et désactivé avec pas de différences significatives dans les activations. Nos résultats ont donc confirmé l'absence d'effets du port du masque sur les schémas d'activation observés dans11 et étendent les résultats à des tâches cognitives et émotionnelles supplémentaires ainsi qu'à l'IRMf à l'état de repos.

L'analyse du signal rs a démontré des fluctuations ALFF, fALFF et de connectivité relativement similaires dans ReHo. Le masque désactivé a démontré des différences insignifiantes dans les trois mesures par rapport au masque, des différences statistiques (non corrigées, Fig. 1 supplémentaire) suggérant qu'il existe une variation subtile du mélange d'air (peut-être via l'accumulation de CO2, pendant le masque comme également décrit in11) entraînant un léger changement d'activation entre les deux états de masque, mais l'effet est insignifiant et ne reflète aucune différence de signaux sous-jacents pendant l'IRMf-rs.

Le rsFC n'a montré aucune différence significative entre les deux états de masque, cependant, le modèle de connectivité global démontré était comparable, le masque activé présentait une force de connectivité inférieure relativement insignifiante par rapport au masque désactivé, cela peut être dû à l'augmentation du CO2 dans le mélange d'air . En général, les trois mesures de l'état de repos et la FC ont montré que le masque était légèrement inférieur à celui du masque. Cette observation peut être le résultat d'une augmentation de la perfusion cérébrale entraînant une diminution de la SPO2 artérielle par opposition à l'augmentation nette de l'O2 veineux.

Pour l'analyse des tâches, la tâche de tapotement du doigt a montré des schémas similaires dans les deux cas, avec et sans masque, en particulier dans la SMA, les ganglions de la base et les régions cérébelleuses. Des études antérieures ont révélé que la SMA était impliquée dans diverses formes d'activité motrice telles que le mouvement volontaire de base et la coordination bimanuelle12,13. De plus, des mouvements séquentiels et répétitifs ont été liés à l'activation des ganglions de la base14,15. Ainsi, nous nous attendions à ce que ces modèles d'activation soient évidents dans les états de masque activé et désactivé. Notre résultat était cohérent avec11 dans lequel ils n'ont également trouvé aucune différence d'activations dans la tâche sensori-motrice.

L'examen de la tâche d'appariement émotionnel des visages utilisant le visage neutre comme ligne de base a révélé que les visages en colère engageaient le cortex préfrontal pour les deux conditions avec des différences se produisant dans le gyrus cingulaire moyen, le thalamus, le cortex visuel, l'hippocampe et le dLPFC. De plus, dans les conditions de visages en colère et heureux, des activations identiques sont apparues sous chaque état de masque par rapport à la condition de visage neutre. Pour l'analyse du retour sur investissement, les signaux BOLD dans la condition de masque activé étaient inférieurs par rapport à la condition de masque désactivé pour tous les différents contrastes calculés.

La tâche de mémoire de travail a montré des activations robustes dans des régions telles que le dLPFC, le cortex visuel, le cingulaire moyen/antérieur SMA, le thalamus et le PCC, qui étaient attendus dans les deux états masqués. Des modèles d'activation similaires se sont avérés impliquer les réponses cognitives et comportementales correspondantes dans les expériences. Les activations entre les deux états de masque sont généralement similaires dans tout le cerveau, ce qui indique qu'il n'y avait aucune influence du masque sur les réponses générales d'activation des tâches à travers les charges de mémoire. Cela suggère également une activité neuronale similaire pour chaque charge de mémoire et est cohérent avec les études portant sur le maintien de la mémoire de travail chez l'homme16. Bien que ces schémas d'activation dans les deux états de masque ne soient pas affectés, certaines études ont montré un effet similaire dans des conditions d'hypoxie17. Les performances de la mémoire de travail reflètent une plus grande réponse au signal BOLD, ce qui correspond à une plus grande maîtrise de la tâche, c'est-à-dire que l'augmentation de la difficulté de la tâche produira une plus grande réponse dans le cerveau. Le PCC a été impliqué dans une charge de mémoire plus élevée18, conformément à nos résultats. Cependant, une enquête plus approfondie serait nécessaire pour déterminer si les effets étaient dus à un processus cognitif sous-jacent.

Il convient de mentionner que les résultats doivent être considérés dans le contexte des limites. Tout d'abord, bien que nous ayons pu mesurer la SPO2 avant et après l'analyse, cela pourrait ne pas refléter les véritables changements de signal IRMf BOLD par rapport à si l'EtCO2 devait être mesuré et que le débit d'air était contrôlé dans le scanner comme cela a été fait dans11,19. Deuxièmement, le port du masque avant l'analyse était court pendant la session expérimentale, nous avons également modifié l'expérience pour inclure une durée de tâche plus courte afin de permettre une performance de tâche minimale et pratique pour les états masqués et masqués, une durée de port plus longue de masque pré- et post-scan améliorera donc les réponses aux tâches. Les études futures doivent examiner les effets d'un port de masque plus long ainsi que la réalisation de la tâche séparément. De plus, la réduction de la SPO2 périphérique comme estimation des saturations en oxygène artériel – SaO2, peut correspondre à des modifications de la matière grise et reste spéculative

Dans l'ensemble, nos résultats démontrés pour toutes les mesures, y compris l'état de repos et les activations de tâches, les états masqués et masqués présentaient des schémas similaires. Cela peut refléter l'effet négligeable ou nul du port d'un masque chirurgical sur le signal IRMf. Essentiellement, ces résultats confirment et complètent les résultats in11 en élargissant la taille des données et l'expérimentation utile qui reflète les paradigmes les plus utilisés en IRMf.

Trente-sept jeunes adultes droitiers en bonne santé (âge moyen = 23,6 ; intervalle = 21-27) ont dû porter un masque facial chirurgical lors de l'une des deux sessions d'acquisition d'IRMf. Tous les participants ont été recrutés sur un campus et étaient tous des étudiants à temps plein de premier cycle ou de cycles supérieurs avec au moins 14 ans de formation scolaire et étaient considérés comme ayant un niveau de QI louable. Tous les participants ont subi un examen approfondi de la capacité vitale (niveau de faiblesse des muscles respiratoires, volume pulmonaire et fréquence respiratoire) avant l'examen à l'hôpital de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine (UESTC) avant l'expérience. Pour exclure les sujets présentant des niveaux élevés de dépression ou d'anxiété à des niveaux pathologiques pertinents, les participants ont été sélectionnés au moyen de deux échelles (Inventaire de dépression de Beck chinois, C-BDI20 ; Inventaire d'anxiété des traits d'état, STAI21).

Avant la numérisation, tous les sujets ont pratiqué les tâches. Toutes les procédures d'étude ont été approuvées par le comité d'éthique local de l'UESTC. Tous les sujets ont donné leur consentement écrit pour participer à cette étude. Une partie du consentement comprenait des informations exactes sur la procédure de numérisation et l'évaluation psychologique. L'étude a été approuvée par le comité d'éthique de l'hôpital clinique du Chengdu Brain Science Institute (CBSI) et a adhéré à la dernière révision de la Déclaration d'Helsinki.

Les données IRM ont été recueillies à l'aide d'un scanner IRM (3,0 T, Discovery MR750, GE, USA). Les images fonctionnelles ont été recueillies à l'aide d'une séquence d'imagerie écho-planaire à écho de gradient. Les paramètres de balayage étaient les suivants : TR/TE = 2000 ms/30 ms ; champ de vision = 240 × 240 mm2 ; angle de bascule = 90° ; taille de la matrice = 64 × 64 et épaisseur = 4 mm. Numéro de tranche axiale = 42 avec une épaisseur de tranche = 3 mm et un écart = 0. Les données ont été recueillies pour l'IRMf au repos et à la tâche pour les états masqués et masqués. Les données d'IRMf à l'état de repos ont été acquises au cours d'un cycle unique de 8 minutes contenant 240 volumes d'image. Les cinq premiers volumes du balayage au repos ont été rejetés pour assurer une magnétisation longitudinale en régime permanent. Au cours de l'analyse de l'état de repos, les participants devaient simplement garder les yeux fermés et ne penser à rien de particulier.

Tous les tests physiologiques et psychologiques ont été effectués avant les séances d'IRM. Les premières étapes consistent à demander aux participants de se reposer pendant 5 minutes pour abaisser la fréquence cardiaque. La section de numérisation comprenait deux évaluations au cours desquelles les participants étaient répartis au hasard pour porter un masque (mask-on) et ne pas porter de masque (mask-off). C'est-à-dire que les sujets ont été scannés deux fois, si un sujet entre dans le scanner avec un masque, il sera à nouveau scanné sans masque et les saturations SPO2 seront mesurées en conséquence. Avant que le participant n'enfile un masque, nous avons retiré la bande métallique de la partie supérieure du masque facial. Pour réduire l'effet du retrait des bandes métalliques, nous avons collé du ruban adhésif double face sur chaque masque où nous avons retiré les bandes métalliques pour maintenir l'étanchéité au gaz. Pour la condition portant le masque, les participants ont effectué les tests psychologiques suivants : State-Trait Anxiety Inventory, Test Anxiety Inventory et Beck Depression Inventory-II. Les participants ont également pratiqué les trois tâches sans enlever le masque. Après les tests psychologiques, un oxymètre de pouls a été placé sur l'index pendant 3 min pour mesurer la saturation en SPO2 et la fréquence cardiaque (ci-après appelée pré-scan-O2). Les participants sont ensuite entrés dans le scanner. Une fois les examens IRM terminés, la saturation en O2 et la fréquence cardiaque ont été à nouveau mesurées (ci-après dénommées Post-scan-O2). Les résultats des mesures physiologiques ont été comparés dans chaque état de masque entre avant et après la séance d'IRM à l'aide du test t, la signification statistique a été seuillée à p <0,05. Un test t a été utilisé pour tester la différence dans l'état du masque, et un test t apparié a été utilisé entre le masque activé et le masque désactivé, la signification statistique a été seuillée à p <0,05.

Toutes les images ont été prétraitées à l'aide de DPARSF1 (http://rfmri.org/DPARSF) en appliquant les étapes suivantes : l'acquisition d'images entre les tranches a été corrigée dans le temps, les images ont été réalignées pour supprimer d'éventuels artefacts de mouvement, les images ont été normalisées sur un modèle EPI standard, chaque image du sujet a été déformée dans un espace standard avec une résolution de 3 × 3 × 3 mm à l'aide du modèle de l'Institut neurologique de Montréal (INM), et enfin les images ont été lissées avec un noyau gaussien de 8 mm pleine largeur à mi-hauteur (FWHM). Nous n'avons pas régressé le signal global car cela était supposé introduire une corrélation négative et diminuer le signal réel analysé. Les paramètres de mouvement de la tête ont été estimés dans les trois directions (x, y, z) ainsi que la rotation angulaire sur chaque axe (tangage, roulis et lacet) à l'aide du modèle Friston à 24 paramètres22. Nous avons fixé le seuil de mouvement à une translation < 2 mm et une rotation < 2° pour éviter un mouvement extrême de la tête, les sujets avec des valeurs supérieures aux seuils ont été exclus de l'analyse ultérieure. Le déplacement framewise (FD)23 a été évalué pour chaque sujet à l'aide de la formule ;

où t est le nombre de points dans le temps dans l'IRMf ; \({x}_{i}^{1}/{x}_{i}^{2}\),\({y}_{i}^{1}/{y}_{i}^ {2}\) et \({z}_{i}^{1}/{z}_{i}^{2}\) sont la translation et la rotation au tième instant dans les trois directions (x, y et z) et \(\triangle {d}_{{x}_{i}^{1}}={x}_{i}^{1}-{x}_{i-1}^{1} \)(Éq. 2). Nous avons défini le seuil de déplacement moyen comme FD < = 0,5.

Toutes les analyses de données ont été effectuées à l'aide du logiciel spm12 (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/) ainsi que de scripts dépendants de spm12 pour les calculs par lots.

Les mesures du signal à l'état de repos, y compris l'amplitude des fluctuations à basse fréquence (ALFF), l'ALFF fractionnaire (fALFF) et l'homogénéité régionale (ReHo) ont été calculées pour tous les sujets dans les deux conditions. La mesure ALFF par voxel est la racine carrée moyenne de la puissance dans les fenêtres de fréquence choisies. Le fALFF spécifie la contribution relative des oscillations dans une plage basse fréquence sélectionnée aux différences de signal sur toute la plage de fréquences spécifiée. Dans ce calcul, la similarité de la série temporelle d'un voxel donné a été mesurée à celles de ses 27 voisins les plus proches d'une manière voxel, puis la valeur du coefficient de concordance de Kendall (KCC) a été donnée à chaque voxel central. Toutes les images ALFF ont été estimées en extrayant les spectres de puissance via la transformée de Fourier rapide et en calculant la somme des amplitudes dans une bande basse fréquence (0,01–0,08 Hz). Le fALFF a également été calculé comme le rapport de l'amplitude dans la même plage de fréquences que l'ALFF à l'amplitude totale sur toute la plage de fréquences de 0,01 à 0,1 Hz. Nous avons calculé le ReHo en utilisant KCC. La carte ReHo a été spatialement lissée avec un noyau gaussien FWHM de 6 × 6 × 6 mm.

Nous avons calculé le FC via DPARSF en utilisant l'atlas du cerveau entier AAL24 comprenant 116 ROI. Des cours de temps moyens ont été obtenus à partir des 116 ROI, et une analyse de corrélation par voxel a été effectuée pour créer la carte FC. La carte des coefficients de corrélation a ensuite été convertie en carte az par la transformation r à z de Fisher pour améliorer la normalité. Nous avons en outre extrait les matrices de corrélation pour chaque état de masque et effectué des tests appariés entre le masque activé et le masque désactivé.

Les étapes de prétraitement étaient les mêmes que pour les données de l'état de repos. Nous avons effectué trois tâches différentes pour les conditions de masque et de masque, y compris le tapotement des doigts, la tâche d'appariement facial émotionnel et la mémoire de travail. Ces expériences représentent les processus moteurs, cognitifs et émotionnels de base qui peuvent être utilisés pour évaluer l'effet des deux conditions. Pour chaque sujet, une analyse statistique de premier niveau a été menée en appliquant un filtre passe-haut réglé à 128 s, chaque état de masque (masque activé et masqué) a ensuite été modélisé à l'aide de la fonction hémodynamique canonique des conceptions de bloc dans les expériences . Pour détecter les activations intra-condition, des calculs statistiques de second niveau ont été effectués dans chacune des tâches. Les contrastes ont été calculés dans chaque condition pour toutes les tâches.

Bien que certaines études aient suggéré que l'exposition à un niveau d'O2 relativement faible similaire à une hypoxie légère pourrait ne pas affecter la cognition globale et certaines performances motrices importantes25,26, il y a également eu des rapports indiquant qu'une hypoxie légère pourrait affecter des capacités cognitives complexes, y compris la mémoire, l'attention et une tâche impliquant la performance perceptivo-motrice27,28, sur la base de ces rapports, nous avons choisi les trois tâches d'IRMf largement utilisées, à savoir le tapotement des doigts29,30, l'appariement de visage émotionnel31 et la mémoire de travail n-back32. Nous avons calculé le test t apparié (p < 0,05) entre les deux conditions.

Nous avons utilisé une tâche de tapotement du doigt dans l'étude actuelle en raison de sa simplicité et de sa capacité à mesurer l'intégrité motrice corticale subtile et à fournir des activations motrices correspondantes qui peuvent être observées à l'aide de l'IRMf. De plus, les modulations d'O2 en réponse à la fluctuation BOLD sont bien préservées pendant l'action motrice33,34, permettant l'estimation de l'activité neuronale sous un niveau réduit d'O2. Dans cette tâche, une croix et une phrase ont été présentées en alternance. Lorsque la tâche a commencé, une fixation a été présentée et a duré 34 s, puis une instruction qui était également la phrase de la tâche ("veuillez bouger votre doigt") a été présentée et a duré 24 s, et ce schéma a été répété. À l'exception de la première fixation, le reste des fixations, ainsi que l'instruction, ont duré 24 s. Le temps total de la tâche était de 226 s.

Dans cette expérience, nous avons utilisé un paradigme d'IRMf à conception de blocs qui s'est avéré déterminer les réponses aux visages en colère35,36 dans des régions émotionnellement liées telles que l'amygdale. Nous avons modifié la tâche pour qu'elle se compose de 2 exécutions et chaque exécution comprenait 6 blocs de stimuli faciaux ainsi que 2 blocs de stimuli non faciaux. Nous avons utilisé les stimuli faciaux asiatiques obtenus à partir de la base de données des expressions faciales asiatiques37. Pendant les blocs de traitement du visage, un trio de stimuli faciaux spécifiques à la condition (expressions heureuses, en colère ou neutres) ont été présentés à l'écran. Les participants ont été invités à sélectionner parmi 2 images (en bas) et à identifier celle qui était identique à l'image cible (en haut), puis une réaction d'appui sur une touche a été effectuée pour enregistrer les résultats. Chaque bloc comprenait 4 essais spécifiques à une condition, équilibrés pour le sexe. Lors des blocs non faciaux, un trio de formes géométriques simples (cercles et ellipses) était présenté à l'écran. De même, les participants devaient sélectionner l'une des deux formes (en bas) qui correspondait à la forme cible (en haut). Tous les blocs ont commencé par une brève instruction ("match de visage" ou "match de formes") qui a duré 2 s. Dans chaque bloc, chaque essai a été présenté pendant 4 s avec un intervalle interstimulus (ISI) de 1 à 3 s (moyenne, 2 s). Le temps total de la tâche était de 336 s.

Les participants ont effectué une tâche n-back38 composée de lettres nécessitant la maintenance et la mise à jour continue des informations pertinentes de la mémoire de travail. La tâche n-back avait deux niveaux de complexité différents : les tâches 1-back et 2-back visant à maintenir les charges et la manipulation mentale. Les participants ont également effectué une tâche de contrôle (0-back) dans laquelle on leur a demandé d'identifier une lettre prédéfinie (c'est-à-dire un « X »). Au cours de la tâche 1-back, les participants devaient identifier si la lettre apparaissant à l'écran (le stimulus "cible") correspondait à la lettre précédemment présentée à l'écran (le stimulus "cue"). De même, lors de la tâche 2-back, les participants ont été invités à comparer si la lettre qui apparaissait à l'écran (le stimulus "cible") correspondait à celle avant la lettre précédemment présentée à l'écran (le stimulus "cue"). Les participants ont été invités à répondre en appuyant sur les boutons 2 ou 3 si la cible était identique ou différente du signal, respectivement. Pour réduire les stratégies visuelles et phonologiques, nous avons utilisé des lettres phonologiquement fermées avec des majuscules et des minuscules. Ainsi, les caractères suivants étaient présentés : b, B, d, D, g, G, p, P, t, T, v, V. Les participants devaient ignorer la casse des lettres. Les lettres ont été présentées pendant 500 ms avec un intervalle interstimulus fixe de 1500 ms. Il y avait 4 séries, chaque série avait 3 blocs (bloc 0-1 ou 2) et chaque bloc avait 36 essais dont 12 cibles. Avant chaque bloc de tâche, un écran d'instruction (0, 1- ou 2-back) a été présenté pendant 2000 ms. Un écran vide de 4000 ms séparait les instructions du début de la première lettre. Les blocs de tâches étaient séparés par une croix de fixation de 8000 ms. Le temps total de la tâche était de 270 s.

Pour permettre une analyse plus sensible, nous avons également inclus une analyse des régions d'intérêt (ROI). Les ROI ont été créées (rayon 6 mm) à l'aide de la boîte à outils MarsBar39 implémentée dans SPM. Nous avons défini des masques anatomiques pour chacune des tâches : tapotement des doigts (SMA ; x = 10, y = −4, z = 58 et vermis ; x = 6, y = −70, z = −16), correspondance émotionnelle du visage (gauche amygdale ; x = −24, y = −2, z = −32 et amygdale droite ; x = 26, y = −6, z = −28) et mémoire de travail (gyrus frontal supérieur, médian ; x = 2, y = 54, z = 20 et cortex cingulaire postérieur ; x = 2, y = −44, z = 28). Ces retours sur investissement étaient basés sur les régions cérébrales méta-analytiques dérivées de la base de données Neurosynth (https://neurosynth.org/). Tous les étiquetages de retour sur investissement étaient basés sur l'atlas Automated Anatomical Labeling (AAL)24 dans l'espace MNI. Avant l'analyse, une régression multiple a été calculée pour obtenir des cartes d'activation, puis les retours sur investissement ont été utilisés pour obtenir des valeurs d'estimation des paramètres. Un test t apparié a été utilisé pour évaluer la différence entre les valeurs des deux conditions (seuil significatif fixé à p < 0,05).

Pour assurer la simplicité statistique et la reproductibilité de nos résultats, nous avons adopté une approche en deux étapes : nous avons déterminé au hasard l'état du masque (masque activé et masqué) de chaque sujet avant et après la numérisation. Les données recueillies auprès de chaque sujet ont d'abord été regroupées en pré et post-numérisation, les résultats pour chaque condition de masque ont ensuite été combinés pour tous les n = 35 sujets. Nous avons comparé les t-maps résultant à la fois de l'expérience d'état de repos et de l'expérience de tâche, chacune consistant en un test t à un échantillon pour l'effet d'état à l'intérieur du masque et un test t apparié pour l'effet d'état entre le masque dans l'ensemble du cerveau ( à l'exclusion des voxels en dehors du cerveau).

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports de recherche sur la nature lié à cet article.

Toutes les données ont été obtenues auprès de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine. Les données sont disponibles auprès des auteurs correspondants après acceptation de ce manuscrit et une demande raisonnable. Tous les points de données utilisés pour générer des tracés statistiques de l'analyse des ROI dans les Figs. 6, 7 et 8 sont fournis dans les données supplémentaires 1.

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La Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC, n° 0561871420) a soutenu ce travail.

Hôpital clinique de l'Institut des sciences du cerveau de Chengdu, Laboratoire clé du MOE pour la neuroinformation, Centre d'information en médecine, École des sciences et technologies de la vie, Université des sciences et technologies électroniques de Chine, No.2006, Xiyuan Avenue, West Hi-Tech Zone, Chengdu, Sichuan, 611731, Chine

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Andrew M.Michael

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Xiaobo Li et Bharat Biswal

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Conceptualisation : BK-B. et B. Biswal; Méthodologie, analyse des données et rédaction du projet de manuscrit original : BK-B. ; Acquisition et analyse de données-fMRI : YY, PH et EA ; Conception expérimentale et protocole : CL, X. Liu, X. Yang, YZ, XZ et B. Becker ; rédaction-révision et édition : X. Yu, BR, AMM, X.Li, B. Becker et B. Biswal.

Correspondance avec Benjamin Klugah-Brown ou Bharat Biswal.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Biology remercie Michael Germuska et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef de la manipulation principale : Jeanette Mumford, Karli Montague-Cardoso, Joao Manual de Sousa Valente et George Inglis.

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Réimpressions et autorisations

Klugah-Brown, B., Yu, Y., Hu, P. et al. Effet du masque chirurgical sur les signaux IRMf pendant la tâche et le repos. Commun Biol 5, 1004 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03908-6

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Reçu : 12 août 2021

Accepté : 29 août 2022

Publié: 21 septembre 2022

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

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