DPF Characterization in fNIRS: Time-Domain vs Continuous-Wave approaches for visual cortex activation through illusion stimuli

This study investigates the cerebral hemodynamic response to visual stimuli, particularly optical illusions, by employing a multi-instrumental approach based on functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS), a non-invasive neuroimaging technique widely used in neuroscience research due to its portability and convenience. The thesis aims to address a key limitation of continuous wave fNIRS (CW-fNIRS), namely the use of an approximate Differential Pathlength Factor (DPF) to quantify hemodynamic values. In contrast, time-domain fNIRS (TD-fNIRS) systems allow for a point-by-point measurement of the DPF, improving the accuracy of the response quantification. The main objective of this work is to evaluate the same neurocognitive protocol using both a CW-fNIRS system and a TD-fNIRS system to directly compare their performance and results. Specific attention is given to the role of the DPF. To this end, a third, dedicated TD-NIRS instrument was used to precisely measure the subject- and region-specific DPF. This approach aims to assess the influence of the subject-specific DPF on the CW data analysis and whether it leads to more accurate results. The in vivo measurements revealed a predominantly localized activation in the V5 region of the occipital cortex in response to visual stimuli, which aligns with the functional specialization of this area. The results also indicate a lack of significant activation in the frontal regions, suggesting that the measured responses are task-specific and are not influenced by generalized cortical activation.

Questo studio indaga la risposta emodinamica cerebrale a stimoli visivi, in particolare le illusioni ottiche, impiegando un approccio multistrumentale basato sulla spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), una tecnica di neuroimaging non invasiva ampiamente utilizzata nella ricerca neuroscientifica grazie alla sua portabilità e convenienza. La tesi si propone di affrontare una limitazione chiave della fNIRS a onda continua (CW-fNIRS), ovvero l'uso di un Differential Pathlength Factor (DPF) approssimativo per quantificare i valori emodinamici. In contrapposizione, i sistemi fNIRS a dominio temporale (TD-fNIRS) consentono una misurazione puntuale del DPF, migliorando l'accuratezza della quantificazione della risposta. L'obiettivo principale del lavoro è valutare lo stesso protocollo neurocognitivo utilizzando sia un sistema CW-fNIRS che un sistema TD-fNIRS per confrontare direttamente le loro prestazioni e risultati. In particolare, viene posta un'attenzione specifica sul ruolo del DPF. A tal fine, è stato utilizzato un apposito terzo strumento TD-NIRS per misurare con precisione il DPF specifico per il soggetto e la regione. Questo approccio mira a valutare l'influenza del DPF specifico del soggetto sull'analisi dei dati CW e se ciò porta a risultati più accurati. Le misurazioni in vivo hanno rivelato un'attivazione prevalentemente localizzata nella regione V5 della corteccia occipitale in risposta agli stimoli visivi, in linea con la specializzazione funzionale di quest'area. I risultati indicano inoltre una mancanza di attivazione significativa nelle regioni frontali, suggerendo che le risposte misurate sono specifiche del protocollo e non sono influenzate da un'attivazione corticale generalizzata.