Name: cerebral blood flow-based resting state functional connectivity of the human brain using optical diffuse correlation spectroscopy
Uploaded: 2020-05-27T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy at JoVE.com

ويود المؤلفان أن ينوها بالدعم المالي المقدم من جبهة أوهايو الثالثة إلى شبكة أوهايو لبحوث وابتكار التصوير (OIRAIN, 667750) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 81771876).

ووافق مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة رايت ستيت على البروتوكول، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من كل مشارك قبل التجربة.
1- إعداد الموضوع
<ol><li>قم بإنشاء نظام FD-fNIRS و DCS للإحماء لمدة 10 دقيقة على الأقل (انظر القسمين 2 و3 لمزيد من التفاصيل) قبل البدء في أي قياسات للموضوع. ويرد مثال ل?...

لتحديد ما إذا كان CBF كما يقاس بواسطة DCS الكشف بدقة RSFC، تم فحص منطقتين من الدماغ مع خصائص RSFC المعروفة. يفترض أن الاتصال الوظيفي بين مناطق DLFC وبين DLFC وIFC موجود57،58،59. تم اختيار الاتصال بين موقعين داخل DLFC الأيسر والأيمن، لأن الاتصال داخل المنطق?...

عندما يكون الدماغ في حالة راحة ، فإنه يدل على تزامن عال من النشاط التلقائي في المناطق ذات الصلة وظيفيا ، والتي يمكن أن تقع على مقربة من مسافة قريبة أو من مسافة بعيدة. وتعرف هذه المناطق في المزامنة والشبكات الوظيفية1،2،3،4،5،6،7،8,،9. تم الكشف عن هذه الظاهرة لأول مرة من خلال دراسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) باستخدام إشارات تعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) تشير إلى مستويات الأوكسجين في الدم الدماغي5،10، المعروف أيضًا باسم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة (RSFC). وقد ارتبطت تشوهات في RSFC مع اضطرابات الدماغ مثل التوحد11,مرض الزهايمر12,والاكتئاب13. وبالتالي ، فإن RSFC هي أداة قيمة لدراسة المرضى الذين يعانون من اضطرابات الذين لديهم صعوبة في إجراء التقييمات القائمة على المهام. ومع ذلك، العديد من المرضى، مثل الأطفال المصابين بالتوحد الشباب، هم المرشحين الفقراء للتقييم من قبل التصوير بالرنين المغناطيسي، كما أنه يتطلب البقاء لا يزال داخل مساحة ضيقة لفترات طويلة من الزمن14،,15. التصوير البصري سريع وقابل للارتداء. وبالتالي ، فهي مناسبة لغالبية المرضى ، وخاصة عدد الأطفال16،17،18،19،20،21،,22،23،24. باستخدام هذه المزايا ، يستخدم التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) ، والذي يمكن أن يحدد تركيز الهيموجلوبين ومعلمات تشبع الأكسجين في الدماغ ، لقياس RSFC في البشر (بما في ذلك عدد الأطفال4و8,و25 والمرضى الذين يعانون من التوحد11).
الطيف البصري الارتباط المنتشر (DCS)، تقنية بصرية جديدة نسبيا، يمكن تحديد تدفق الدم الدماغي، وهو المعلمة الهامة التي تربط إمدادات الأكسجين مع التمثيل الغذائي6،,17،,26،,27،,28،,29. وقد ثبت أن تباين التدفق البصري الذي تم قياسه بواسطة DCS له حساسية أعلى في الدماغ مقارنة بتباين الأكسجين30. وبالتالي، فإن استخدام بارامترات CBF المشتقة من DCS لتقييم RSFC أمر مفيد.
DCS حساس ة لنقل خلايا الدم. عند نشر الفوتونان المتناثرة من خلايا الدم المتحركة، يؤدي هذا إلى تقلب شدة الضوء المكتشف بمرور الوقت. يقيس DCS وظيفة الارتباط التلقائي للكثافة المستندة إلى الوقت ويعتمد معدل اضمحلالها على المعلمات البصرية وتدفق الدم. وتستخدم هذه القيم في نهاية المطاف للحصول على مؤشر تدفق الدم الدماغي (CBFi). مع خلايا الدم المتحركة بشكل أسرع، تتحلل وظيفة الارتباط التلقائي الكثافة بشكل أسرع. لذلك ، يمكن اشتقاق معلومات حول الحركة العميقة تحت سطح الأنسجة (على سبيل المثال ، في الدماغ) من قياسات تقلبات الضوء المنتشرة بمرور الوقت27، 31،32,32،33،34،35. DCS هو تقنية مكملة لfNIRS المعروفة على نطاق واسع التي تقيس الأوكسجين في الدم17،36. نظرًا لأن كلاً من fNIRS و DCS هما تقنيات تصوير دماغ بصرية ذات دقة زمنية عالية في نطاق ميلي ثانية ، فإن عمليات التصوير البصري أقل حساسية بكثير للقطع الأثرية المتحركة من fMRI. كما تم استخدامها بنجاح لتصوير الدماغ وظيفية في مجموعات الأطفال, بما في ذلك الرضع الصغار جدا16. في السابق، تم استخدام قياسات تدفق الدم السطحية لتقييم RSFC في الدراسات قبل السريرية في الفئران37. هنا، يتم استخدام معلمات تدفق الدم لتحديد RSFC في تسعة بالغين أصحاء كدراسة إثبات المفهوم38،39.
في هذه الدراسة ، يتم استخدام نظام FD-fNIRS تجاري ونظام DCS مخصص(انظر جدول المواد). يتكون DCS الذي تم بناؤه داخليًا من جهازي 785 نانومتر و100 متر وأشعة ليزر طويلة من التماسك المستمر التي تقترن بموصل FC وثماني آلات عد فوتون واحدة (SPCM) متصلة بوصلة تلقائية. كما تم إجراء واجهة مستخدم رسومية مخصصة للبرامج (GUI) خصيصًا لهذا النظام لعرض وحفظ أعداد الفوتون ومنحنيات الارتباط التلقائي وتدفق الدم شبه الكمي لكل قناة SPCM في الوقت الفعلي. وتستخدم عادة أجزاء في هذا النظام لDCS16،17،31،32،40،42،43،44، كما تم التحقق من النتائج التي تم الحصول عليها في المنزل واستخدامها في دراسة حديثة39.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1012px;" width="1011">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">3D Printed Probe</td>
			<td style="width:121px;">In-house</td>
			<td style="width:272px;">N/A</td>
			<td style="width:339px;">3D printed PLA probe (Craftbot, Craft unique)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">785nm, 100mW, CW, FC coupled Laser</td>
			<td style="width:121px;">CrystaLaser</td>
			<td style="width:272px;">DL785-100-S</td>
			<td>DCS component (light source)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Auto-correlator</td>
			<td style="width:121px;">Correlator.com</td>
			<td style="width:272px;">Flex05-8ch</td>
			<td>DCS component (output g2 curve to PC)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Data Acquisition GUI</td>
			<td>In-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>GUI coded in LabVIEW to run the DCS system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Data analysis software</td>
			<td>In-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Matlab code used for obtaining RSFC results</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">EEG Electrode Cap</td>
			<td>OpenBCI</td>
			<td>N/A</td>
			<td>EEG mesh cap with standard 10/20 positions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Multi-mode fiber</td>
			<td style="width:121px;">OZ Optics</td>
			<td style="width:272px;">QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3</td>
			<td>DCS component (source fiber)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Oxiplex calibration phantom</td>
			<td>ISS</td>
			<td>75019, 75020</td>
			<td>Set of 2 PDMS Calibration Phantom</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Oxiplex muscle probe</td>
			<td style="width:121px;">ISS</td>
			<td>86010</td>
			<td>4 channel muscle probe</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Oxiplex Oximeter</td>
			<td style="width:121px;">ISS</td>
			<td>95205</td>
			<td>FD-fNIRS (690nm, 830nm)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Power meter</td>
			<td style="width:121px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:272px;">PM100D</td>
			<td>Laser light power adjuster</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Sensor card</td>
			<td style="width:121px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:272px;">F-IRC1-S</td>
			<td>laser IR beam viewer</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:280px;">Single-mode fiber</td>
			<td style="width:121px;">OZ Optics</td>
			<td style="width:272px;">SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3</td>
			<td>DCS component (detector fiber)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Single-Photon Counting Machine</td>
			<td>Excelitas</td>
			<td>SPMC-NIR-1x2-FC</td>
			<td>DCS component (detector)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

cerebral blood flow-based resting state functional connectivity of the human brain using optical diffuse correlation spectroscopy

للحصول على فهم شامل للدماغ البشري ، مطلوب استخدام تدفق الدم الدماغي (CBF) كمصدر للتباين لأنه معلم رئيسي في الهيموديناميكية يتعلق بإمدادات الأكسجين الدماغي. وقد ثبت أن تقلبات التردد المنخفض في حالة الراحة على أساس تباين الأوكسجين توفر روابط بين المناطق المتصلة وظيفياً. يستخدم البروتوكول المعروض التحليل الطيفي البصري للارتباط المنتشر (DCS) لتقييم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة المستندة إلى تدفق الدم (RSFC) في الدماغ البشري. تشير نتائج RSFC المستندة إلى CBF في القشرة الأمامية البشرية إلى أن RSFC داخل المنطقة أعلى بكثير في القشريات اليسرى واليمنى مقارنة بـ RSFC الإقليمية في كل من القشريات. يجب أن يكون هذا البروتوكول ذا أهمية للباحثين الذين يستخدمون تقنيات التصوير متعددة الوسائط لدراسة وظيفة الدماغ البشري ، خاصة في عدد الأطفال.

تم بنجاح إزالة جدوى استخدام DCS لقياس الاتصال الوظيفي39. تم قياس الاتصال الوظيفي لحالة الراحة في القشريات الجبهية من تسعة أشخاص. وأشارت النتائج (متوسط ± SD) إلى ارتباط أعلى في المنطقة داخل المنطقة من اليسار (0.64 ± 0.25) واليمين (0.62 ± 0.23) القشريات، بالمقارنة مع المنطقة بين المناطق من ال...

Watch this Scientific Journal Video about Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy at JoVE.com

Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy

يوضح هذا البروتوكول كيفية قياس الاتصال الوظيفي لحالة الراحة في قشرة الجبهية البشرية باستخدام أداة التحليل الطيفي للارتباط المنتشر المصنوعة خصيصًا. كما يناقش التقرير الجوانب العملية للتجربة بالإضافة إلى الخطوات التفصيلية لتحليل البيانات.

الدماغ تدفق الدم القائم على الراحة الدولة الاتصال الوظيفي للدماغ البشري باستخدام الطيف ية الارتباط المنتشر البصري

To obtain a comprehensive understanding of the human brain, utilization of cerebral blood flow (CBF) as a source of contrast is desired because it is a ...

يستخدم هذا البروتوكول مسابير بصرية متغيرة لتقييم تدفق الدم في الدماغ أثناء حالة الراحة. ومن المزايا الهامة لهذه التقنية إمكانية النقل. مما يجعلها مناسبة تماما لمراقبة السرير.يسمح المسبار القابل للارتداء بقياسات الاتصال الوظيفي لحالة الراحة التي يتم الحصول عليها في البيئات الطبيعية للمواضيع للتطبيقات التشخيصية والعلاجية على حد سواء. يستخدم هذا البروتوكول مسابير بصرية يمكن ارتداؤها لتقييم تدفق دم الدماغ أثناء قياسات الاتصال الوظيفية للدولة الناشئة. إظهار الإجراء مع شين بون سيكون بن رينهارت، طالب غراد من مختبري.على الأقل 10 دقائق قبل بدء التحليل، السلطة حتى FD-fNIRS وDCS مع تشكيل ضوء والجهد كاشف. استخدم شريط قياس لقياس المسافة بين الناوين والإين على رأس الموضوع. باستخدام nasion كنقطة البداية، استخدم علامة حبر لتعيين الموقع الذي هو 10٪ من المسافة إلى إينيون.ضع غطاء EEG 10/20 على رأس الموضوع بحيث تكون النقطة المميزة بين Fp1 و Fp2. ضع علامة على النقطة بين Fp1 و F7 على القشرة اليسرى والنقطة بين Fp2 و F8 على القشرة اليمنى لجعل الحدود بين قشرة الفص الجبهي المتفوق والقشرة الجبهية الظهرية وبين قشرة الفص الجبهي الظهرية والقشرة الفصية السفلية لنصفي الكرة الأرضية الأيسر والأيني، على التوالي. باستخدام مسبار مطبوع ثلاثي الأبعاد، قم بتوصيل الألياف متعددة المستويات بمصدر ضوء الليزر 785 نانومتر.ثم ضع ألياف واحدة أخرى في وضع واحد سنتيمتر واحد تحت الألياف متعددة الوضع في موقع DS على جانبي القشرة وقم بتوصيل كل من الألياف أحادية الوضع بآلات العد الفردية ذات الفوتون المفرد. ضع الألياف أحادية الوضع على بعد 2.75 سنتيمترًا من الألياف متعددة الوضعات ووضع ألياف واحدة على الكورتيز الجانبي الظهري الأيمن والأيسر وألياف واحدة على قشرة الفص الجبهي السفلية. ووضع الألياف متعددة الوضع على النقاط التي تم وضعها حديثا.لإعداد نظام FD-fNIRS للمعايرة، قم بإيقاف تشغيل أي أضواء وفتح برنامج الحصول على بيانات واجهة المستخدم الرسومية. انقر فوق زر التحيز التلقائي لضبط مكسب الكاشف لتحقيق إشارة مثالية مع جهاز الاستشعار المرفق والمؤمن إلى شبح المعايرة. إذا كان التحذير overvoltage يومض، خفض مكاسب.بعد الحصول على أقصى إشارة، افصل أحد الألياف المصدر بحيث يمكن قياس تسرب الضوء الخلفي بواسطة الكاشف. والتحقق من أن التيار المباشر أقل من 20 العد لكل فترة قياس للألياف المصدر المقابلة. بعد ذلك، تحقق من مستوى الإشارة الصحيح على كل مصدر وكاشف وانقر فوق معايرة.وسيقوم النظام بأخذ القياسات وتطبيق عوامل المعايرة لقياس الخصائص البصرية للوهم الوهمي المعروف بشكل صحيح. ثم قم بتسجيل بيانات المعايرة، والتي ستوفر سجلاً لأداء النظام على شبح قياسي. لإعداد DCS، قم بتسخين مصادر ضوء الليزر للنظام وآلات العد أحادية الفوتون لمدة 10 دقائق على الأقل.في برنامج اقتناء نظام واجهة المستخدم الرسومية، تحقق من اتصال كل الألياف من خلال التحقق من واجهة المستخدم الرسومية وذلك للحصول على الأقل 5،000 العد في الثانية وأقل من 1، 000، 000 العد في الثانية الواحدة. للتحقق من مستويات عدد الفوتونات الكافية التي يتم الحصول عليها من كل كاشف، تحقق من مستوى عدد الفوتونات ومنحنيات التوثيق التلقائي القريبة في الوقت الحقيقي. للتحقق من وجود اتصال كاف من الألياف دون أي تسرب للضوء المحيط، تحقق من تقاطع y لمنحنى العلاقات الذاتية.القيمة المثلى هي حوالي 1.5 دون استخدام المستقطبات. للتحقق من أن التحقيق والقياسات ليست عرضة للحركة التحف تشديد الفرقة مرنة بحيث يكون ضيقا بما يكفي لمقاومة الحركة ولكن فضفاضة بما يكفي لمنع أي إزعاج لهذا الموضوع. ثم تحقق من منحنيات التوثيق التلقائي بحيث يتحلل منحنى العلاقات التلقائية إلى واحد لأوقات ارتباط أطول.ثم تأكد من أن الموضوع يجلس في وضع مريح وعيونهم مغلقة. ضع المسبار البصري لنظام FD-fNIRS على الجبهة المجاورة لمسبار DCS وانقر فوق الحصول على برنامج الاستحواذ FD-fNIRS. وستتيح هذه البيانات خصائص بصرية ثابتة، وبارامترات امتصاص، ومعلمات تشتت تستخدم في تحديد كمي المعلمة البصرية الدينامية.عندما تكون جميع المعدات جاهزة، قم بتوجيه الموضوع لتقليل أي حركات أثناء القياس وإطفاء الأنوار. بعد الانتهاء من القياسات FD-fNIRS، انقر فوق تشغيل في واجهة الحصول على البيانات DCS وجمع البيانات عن إجمالي ثماني دقائق مع وقت التكامل الثانيين كحد أقصى. في هذا التحليل التمثيلي، تم قياس الاتصال الوظيفي للدولة المستريحة في الكورتيز قبل الجبهية في تسعة مواضيع.لوحظ ارتباط أعلى في المنطقة الإقليمية الداخلية للزُرُكات اليمنى واليسرى من قياس المنطقة الأقاليمية للقشريات اليسرى والأينية. علاوة على ذلك، كشف تحليل اختبار T مقارنةً بين التوصيليات الوظيفية لحالة الراحة بين المناطق وبين الأقاليم لكل من الكورتيس عن وجود فرق كبير بين هذه القيم. من المهم التحقق من أن معلمات DCS ضمن النطاقات المقبولة حيث قد يؤدي الفشل في تنفيذ هذه الخطوات بشكل مناسب إلى الحصول على بيانات غير قابلة للاستخدام.يمكن أن يوفر التحليل الطيفي للارتباط المنتشر قياسًا غير جراحي لتدفق الدم. مما يجعلها أداة مفيدة لدراسة الاتصال الوظيفي للدماغ يستريح أو نشط على التحفيزات المختلفة. قياسات غير الغازية لتدفق الدم مفيدة لتقييم العلاجات والعلاجات للأمراض العصبية.عند تنفيذ هذا الإجراء، تأكد من اتباع دائمًا إرشادات السلامة بالليزر المناسبة.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Improved Method for the Preparation of a Human Cell-based, Contact Model of the Blood-Brain Barrier

تحسين طريقة لإعداد القائم على الخليوي، الاتصال نموذج الإنسان من حاجز الدم في الدماغ

The blood-brain barrier (BBB) comprises impermeable but adaptable brain capillaries which tightly control the brain environment. Failure of the BBB has ...

Nanomanipulation of Single RNA Molecules by Optical Tweezers

Nanomanipulation من واحدة RNA الجزيئات بواسطة الملقط البصرية

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be ...

Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

استخدام الإرسال الضوئي غير عادية لقياس المؤشرات الحيوية القلب في مصل الدم البشري

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor ...

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

النسيج المستندة إلى [اغروس] محاكاة أشباح البصري للتحليل الطيفي الانعكاس منتشر

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a ...

Nondestructive Monitoring of Degradable Scaffold-Based Tissue-Engineered Blood Vessel Development Using Optical Coherence Tomography

رصد غير تدميري التنمية القابلة للتحلل القائم على سقالة هندسيا أنسجة الأوعية الدموية باستخدام التصوير المقطعي التماسك البصري

Engineered vascular grafts with structural and mechanical properties similar to natural blood vessels are expected to meet the growing demand for arterial ...

Lucifer Yellow - A Robust Paracellular Permeability Marker in a Cell Model of the Human Blood-brain Barrier

لوسيفر الأصفر - علامة نفاذية شبه خلوية قوية في نموذج خلية من حاجز الدم في الدماغ البشري

The blood-brain barrier BBB consists of endothelial cells that form a barrier between the systemic circulation and the brain to prevent the exchange of ...

Intra-cardiac Side-Firing Light Catheter for Monitoring Cellular Metabolism using Transmural Absorbance Spectroscopy of Perfused Mammalian Hearts

القسطرة الخفيفة داخل القلب للإشعال الجانبي لرصد الأيض الخلوي باستخدام مطياف الامتصاص عبر الجدارية لقلوب الثدييات المنصهرة

Absorbance spectroscopy of cardiac muscle provides non-destructive assessment of cytosolic and mitochondrial oxygenation via myoglobin and cytochrome ...

Bioparticle Microarrays for Chemotactic and Molecular Analysis of Human Neutrophil Swarming in vitro

الجسيمات الحيوية Microarrays للتحليل الكيميائي والجزيئي للالعدلة البشرية يحتشدون في المختبر

Neutrophil swarming is a cooperative process by which neutrophils seal off a site of infection and promote tissue reorganization. Swarming has classically ...

Generation of Dynamical Environmental Conditions using a High-Throughput Microfluidic Device

توليد الظروف البيئية الديناميكية باستخدام جهاز Microfluidic عالي الإنتاجية

Mimicking in vivo environmental conditions is crucial for in vitro studies on complex life machinery. However, current techniques targeting live cells and ...

Functional Transcranial Doppler Ultrasound for Monitoring Cerebral Blood Flow

وظيفية عبر الجمجمة دوبلر الموجات فوق الصوتية لرصد تدفق الدم الدماغي

Functional transcranial Doppler ultrasound (fTCD) is the use of transcranial Doppler ultrasound (TCD) to study neural activation occurring during stimuli ...