Name: cerebral blood flow-based resting state functional connectivity of the human brain using optical diffuse correlation spectroscopy
Uploaded: 2020-05-27T13:30:00
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作者感谢俄亥俄州第三前沿对俄亥俄成像研究和创新网络（OIRAIN，667750）和中国国家自然科学基金（第81771876号）的财政支持。

该议定书得到赖特州立大学机构审查委员会的批准，在实验前，每个参与者都征得了知情同意。
1. 主题准备
<ol><li>在开始对主体进行任何测量之前，请为 FD-fNIRS 和 DCS 系统预热至少 10 分钟（有关详细信息，请参阅第 2 节和第 3 节）。图1显示了使用紧凑型DCS仪器进行主体测量的示例。</li>
	<li>首先，使用磁带测量测量每个受试者头部的切口到内因之间?...

为了确定由DCS测量的CBF是否准确检测到RSFC，检查了大脑中具有已知RSFC特性的两个区域。DLFC 区域之间以及 DLFC 和 IFC 之间的功能连接假定存在57、58,58、59。,选择左和右两个站点之间的连接，因为区域内连接通常较高。此外，IFC和DLFC之间的连接被选择，因为区域间连接已知较弱。
DCS 技术显示 DLFC 区域内的?...

当大脑处于静止状态时，它显示功能相关区域的自发活动高度同步，这些区域可以位于接近或距离附近。这些同步区域称为功能网络1,1、2、3、4、5、6、7、8、9。2,3,4,5,6,7,8,9这一现象首先通过功能磁共振成像（fMRI）研究发现，该研究使用血液含氧水平依赖（BOLD）的信号，指示脑血55，1010的氧合水平，也称为静息状态功能连接（RSFC）。RSFC的异常与脑疾病有关，如自闭症11、阿尔茨海默氏症12和抑郁症13。因此，RSFC 是研究难以执行基于任务的疾病患者的宝贵工具。然而，许多病人，如年轻的自闭症儿童，是fMRI评估的差劲候选人，因为它要求在14，15,15年，它要求在密闭的空间内长时间留在密闭的空间内。光学成像速度快，可穿戴;因此，它适用于大多数病人，特别是儿科人口16，17，18，19，20，21，22，23，24。16,17,18,19,20,21,22,23,24利用这些优势，功能性近红外光谱（fNIRS）可用于测量人类（包括儿科44、8、258,25和自闭症患者11）。该光谱可以量化大脑中的血红蛋白浓度和氧饱和度参数。
光漫反射相关光谱（DCS）是一种相对较新的光学技术，可以量化大脑血流，这是将氧气供应与代谢66、17、26、27、28、2917,26,27,28,29相关的重要参数。与氧合对比度30相比，DCS量化的光流对比度在大脑中具有更高的灵敏度。因此，利用DCS衍生的CBF参数来评估RSFC是有利的。
DCS对移动的血细胞很敏感。当扩散光子从移动的血细胞中散射时，这会导致检测到的光的强度随时间而波动。DCS 测量基于时间的强度自相关函数，其衰减率取决于光学参数和血流。这些值最终用于获取脑血流指数 （CBFi）。随着移动速度更快的血细胞，强度自相关功能衰变更快。因此，有关组织表面深处运动的信息可以从测量随时间,推导27、31、32、33、34、35。,31,32,3334,35DCS是一种与广为人知的fNIRS技术的补充，它测量血液氧合17，36。17,由于fNIRS和DCS都是光学脑成像技术，在毫秒范围内具有高时态分辨率，因此光学成像设置对运动伪影的敏感程度远不如fMRI。它们还成功地用于儿科人群的功能性脑成像，包括16岁的婴儿。以前，表面血流测量已经用于评估RSFC在临床前研究小鼠37。在这里，血流参数用于量化9个健康成年人的RSFC作为概念验证研究38，39。38,
在这项研究中，使用了商用FD-fNIRS系统和定制DCS系统（参见材料表）。内部制造的 DCS 由两个 785 nm、100 mW 长相干长度连续波激光器组成，这些激光器与 FC 连接器耦合，8 台单光子计数机 （SPCM） 连接到自动腐蚀器。还专门为该系统制作了一个自定义软件图形用户界面 （GUI），以实时显示和保存每个 SPCM 通道的光子计数、自相关曲线和半定量血流。39该系统的零件通常用于DCS 16、17、31、32、40、42、43、44，所得结果也经过内部验证，并在最近的一项研究中使用。16,17,31,32,40,42,43,44

<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

为了全面了解人脑，需要利用脑血流（CBF）作为造影源，因为它是与脑氧供应相关的一个关键血液动力学参数。基于氧合对比度的静息状态低频波动已被证明提供功能连接区域之间的相关性。提交的协议使用光学扩散相关光谱（DCS）来评估人脑中基于血流的静息状态功能连通性（RSFC）。基于CBF的RSFC在人前额叶皮层的结果表明，与两种皮质的区域间RSFC相比，区域内RSFC在左右皮质中明显更高。这种协议应该引起研究人员的兴趣，他们使用多模式成像技术来研究人脑功能，特别是在儿科人群中。

使用DCS测量功能连接的可行性被成功消除39。测量了九个受试者前额皮质的休息状态功能连接。结果显示，左侧区域区域（0.64 ± 0.25）和右侧 （0.62 = 0.23） 皮质的相关性较高， 与左侧区域间区域（0.32 = 0.32）、（0.34 ± 0.27）和右侧（0.34 ± 0.29）、（0.34 ± 0.26）皮质相比。（图5）。还进行了功率为0.8和显著性水平为0.05的功率分析，结果功率为0.82，样本大小?...

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

该协议演示如何使用定制的漫反射相关光谱仪测量人类前额叶皮层的静止状态功能连接。报告还讨论了实验的实际方面以及分析数据的详细步骤。

使用光学漫反射相关光谱，基于脑血流的休息状态功能连接

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 ...

该协议利用可变光学探针来评估休息状态下脑血流量。这种技术的一个重要优点是它的可移植性。使其非常适合床边监控。可穿戴探头允许在受试者的自然环境中获得休息状态功能连接测量，适用于诊断和治疗应用。该协议利用可穿戴光学探头来评估休息状态功能连接测量期间脑血流量。演示与千蓬的程序将是本莱因哈特，一个研究生从我的实验室。在开始分析前至少 10 分钟，使用光调制和探测器电压为 FD-fNIRS 和 DCS 供电。使用卷度量测量对象头部的鼻塞和 inion 之间的距离。使用鼻塞作为起点，使用墨迹标记来指定距离 inion 的 10% 的位置。将 EEG 10/20 帽放在主体的头部，使标记点介于 Fp1 和 Fp2 之间。 标记左侧皮层上的 Fp1 和 F7 之间的点以及右皮层上的 Fp2 和 F8 之间的点，分别标记上一个前额皮层和上侧前额皮质之间以及左半球的上侧前额皮质和下半叶前额皮层之间的边界。使用 3D 打印探头，将多模光纤连接到 785 纳米激光光源。然后将另一个单模光纤放在皮层两侧的 Ds 位置的多模光纤下方一厘米处，将每个单模光纤连接到单独的单光子计数机。将单模纤维放在离多模光纤 2.75 厘米远的地方，将一根纤维放在左、右侧前额皮质上，将一根纤维放在低劣的前额皮层上。将多模式光纤放在新标记的点上。要准备 FD-fNIRS 系统进行校准，请关闭任何灯并打开图形用户界面数据采集软件。单击自动偏置按钮以调整探测器增益，在传感器连接并固定在校准幻像上时实现最佳信号。如果过压警告闪烁，请降低增益。获得最大信号后，断开其中一个源光纤，以便探测器可以测量背景漏光。并验证相应源光纤的每个测量周期的直接电流小于 20 个计数。接下来，验证每个源和探测器上的正确信号电平读出，然后单击校准。系统将进行测量并应用校准系数来正确测量已知幻像的光学特性。然后记录校准数据，这些数据将在标准幻像上提供系统性能记录。要设置 DCS，请预热系统激光光源和单光子计数机至少 10 分钟。在图形用户界面系统采集软件中，通过检查图形用户界面来验证每个光纤的触点，以便获得至少 5，000 个计数/秒和低于 1000，000 计数/秒。要验证从每个探测器获得的光子计数水平是否足够，请检查光子计数级别和近实时自相关曲线。要验证足够的光纤接触而不发生任何环境光泄漏，请检查自相关曲线的 y 截距。在不使用偏振器的情况下，最佳值约为 1.5。验证探头和测量值不易使运动伪影拧紧弹性带，使弹性带足够紧，能够抵抗运动，但足够松松，以防止对主体有任何不适。然后检查自相关曲线，使自相关曲线衰减为一个较长的关联时间。然后确认主体处于舒适的位置，闭着眼睛。将 FD-fNIRS 系统光学探头放在 DCS 探头旁边的前额上，然后单击 FD-fNIRS 采集软件中的"获取"。此数据将提供静态光学特性、吸收参数和散射参数，用于动态光学参数的量化。当所有设备准备就绪时，指示主体在测量过程中尽量减少任何移动并关灯。完成 FD-fNIRS 测量后，单击 DCS 数据采集接口中的"运行"，总共收集 8 分钟的数据，最长两秒的集成时间。在此代表性分析中，前额皮质的静状态功能连接在九个受试者中测量。在左右皮质的区域内区域中观察到的相关性高于所测量的左右皮质的区域内区域。此外，比较两种皮质的间休息状态功能连接的 T 测试分析揭示了这些值之间的显著差异。验证 DCS 参数是否在可接受的范围内非常重要，因为未能充分执行这些步骤可能会导致获取无法使用的数据。漫射相关光谱可以提供血流的非侵入性测量。让它成为研究休息或活跃大脑在各种刺激上功能连通性的有用工具。对血流的非侵入性测量可用于评估神经系统疾病的治疗和疗法。执行此过程时，请务必始终遵循适当的激光安全准则。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

改进方法对血脑屏障的人体细胞为主，接触模型的制备

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科研

生物工程

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Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

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路西法黄 - 人类血脑屏障细胞模型中一个健壮的细胞渗透标记

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心脏内侧燃光导管,用于监测细胞代谢,使用渗透哺乳动物心脏的透射吸收光谱

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