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

Forfatterne vil gerne anerkende finansiel støtte fra Ohio Third Frontier til Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), og National Natural Science Foundation of China (Nr. 81771876).

Protokollen blev godkendt af Institutional Review Board på Wright State University, og der blev indhentet informeret samtykke fra hver deltager forud for eksperimentet.
1. Forberedelse af emnet
<ol><li>Tænd for FD-fNIRS- og DCS-systemet for at varme op i mindst 10 min (se afsnit 2 og 3 for at få flere oplysninger), før du starter målinger af motivet. Et eksempel på motivmåling med det kompakte DCS-instrument er vist i figur 1.</li>
	<li>Brug først et må...

For at afgøre, om CBF målt ved DCS nøjagtigt detekterede RSFC, blev to områder af hjernen med kendte RSFC-egenskaber undersøgt. Funktionel forbindelse mellem DLFC-områder og mellem DLFC og IFC antages at eksistere57,58,59. Der blev valgt forbindelse mellem to steder i venstre og højre DLFC, fordi den intraregionale forbindelse normalt er højere. Der blev også valgt konnektivitet mellem IFC og DLFC, da den interregionale...

Når hjernen er i hviletilstand, viser det en høj synkronisering af spontan aktivitet i funktionelt relaterede regioner, som kan være placeret tæt på eller på afstand. Disse synkroniseringsområder kaldes funktionelle netværk1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dette fænomen blev først afsløret af en funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) undersøgelse ved hjælp af blod ilt-afhængige (FED) signaler, der indikerer iltning niveauer af cerebralt blod5,10, også kendt som hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder (RSFC). Abnormiteter i RSFC har været forbundet med hjernesygdomme såsom autisme11, Alzheimers12, og depression13. RSFC er således et værdifuldt værktøj til at studere patienter med lidelser, der har problemer med at udføre opgavebaserede vurderinger. Men mange patienter, såsom unge autistiske børn, er dårlige kandidater til vurdering af fMRI, da det kræver at forblive stadig inde i et lukket rum i længere tid14,15. Optisk billedbehandling er hurtig og bærbar; Det er således velegnet til et flertal af patienter, især den pædiatriske befolkning16,17,18,19,20,21,22,23,24. Udnytte disse fordele, funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), som kan kvantificere hæmoglobin koncentration og ilt mætning parametre i hjernen, bruges til at måle RSFC hos mennesker (herunder den pædiatriske befolkning4,8,25 og patienter med autisme11).
Optisk diffus korrelation spektroskopi (DCS), en forholdsvis ny optisk teknik, kan kvantificere cerebral blodgennemstrømning, som er et vigtigt parameter, der forbinder iltforsyning med stofskiftet6,17,26,27,28,29. Optisk flow kontrast kvantificeret af DCS har vist sig at have højere følsomhed i hjernen sammenlignet med iltning kontrast30. Det er således fordelagtigt at bruge DCS-afledte CBF-parametre til vurdering af RSFC.
DCS er følsom over for bevægelige blodlegemer. Når sprede fotoner scatter fra bevægelige blodlegemer, dette forårsager intensiteten af detekterede lys til at svinge over tid. DCS måler en tidsbaseret intensitet autokorrelationsfunktion og dens henfaldshastighed er afhængig af de optiske parametre og blodgennemstrømningen. Disse værdier er i sidste ende bruges til at opnå cerebral blodgennemstrømning indeks (CBFi). Med hurtigere bevægelige blodlegemer henfalder intensitetsfunktionen autokorrelationsfunktionen hurtigere. Derfor kan oplysninger om bevægelse dybt under vævsoverfladen udledes (f.eks. i hjernen) fra målinger af forskellige lysudsving over tid27,31,32,33,34,35. DCS er en teknik, der supplerer de almindeligt kendte fNIRS , der måler iltning i blodet17,36. Da både fNIRS og DCS er optiske hjernebilleddannelseteknikker med høj tidsmæssig opløsning inden for millisekunder, er de optiske billedopbygninger langt mindre følsomme over for bevægelsesartefakter end fMRI. De er også blevet anvendt med succes til funktionel hjernescanning i pædiatriske populationer, herunder meget unge spædbørn16. Tidligere er der anvendt overfladiske blodgennemstrømningsmålinger til vurdering af RSFC i prækliniske undersøgelser hos mus37. Her anvendes blodgennemstrømningsparametre til kvantificering af RSFC hos ni raske voksne som en proof-of-concept-undersøgelse38,39.
I denne undersøgelse anvendes et kommercielt FD-fNIRS-system og brugerdefineret DCS-system (se Materialetabel). DCS, der blev bygget in-house består af to 785 nm, 100 mW, lang kohærens længde kontinuerlig-bølge lasere, der er koblet til en FC-stik og otte enkelt-foton tælle maskiner (SPCM) forbundet til en auto-korrelator. En brugerdefineret software grafisk brugergrænseflade (GUI) blev også lavet specielt til dette system til at vise og gemme foton tæller, autokorrelation kurver, og semi-kvantitative blodgennemstrømningen af hver SPCM kanal i realtid. Delene i dette system anvendes almindeligvis til DCS16,17,31,32,40,42,43,44, og de opnåede resultater er også blevet kontrolleret internt og anvendt i en nylig undersøgelse39.

<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

For at opnå en omfattende forståelse af den menneskelige hjerne, udnyttelse af cerebral blodgennemstrømning (CBF) som en kilde til kontrast er ønsket, fordi det er en vigtig hæmodynamisk parameter relateret til cerebral iltforsyning. Hviletilstand lavfrekvente udsving baseret på iltning kontrast har vist sig at give sammenhænge mellem funktionelt forbundne regioner. Den præsenterede protokol bruger optisk diffus korrelation spektroskopi (DCS) til at vurdere blodgennemstrømning-baserede hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder (RSFC) i den menneskelige hjerne. Resultater af CBF-baseret RSFC i human frontal cortex viser, at intra-regionale RSFC er betydeligt højere i venstre og højre cortices sammenlignet med inter-regionale RSFC i begge cortices. Denne protokol bør være af interesse for forskere, der anvender multimodale billeddannelse teknikker til at studere menneskelige hjernefunktion, især i den pædiatriske befolkning.

Muligheden for at anvende DCS til at måle funktionel konnektivitet blev demostraterated39. Den hvilende tilstand funktionelle tilslutningsmuligheder i præfrontale cortices af ni emner blev målt. Resultaterne (gennemsnit ± SD) viste en højere korrelation i den intraregionale region for venstre (0,64 ± 0,25) og højre (0,62 ± 0,23) cortices sammenlignet med den interregionale region til venstre (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) og højre (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) cortices. (<strong class="x...

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

Denne protokol viser, hvordan man måler hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder i den menneskelige præfrontale cortex ved hjælp af en skræddersyet diffus korrelation spektroskopi instrument. Rapporten diskuterer også praktiske aspekter af eksperimentet samt detaljerede trin til analyse af dataene.

Cerebral blodflow-baseret hviletilstand funktionel forbindelse af den menneskelige hjerne ved hjælp af optisk diffus korrelation spektroskopi

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 ...

Denne protokol udnytter variable optiske sonder til at evaluere hjernens blodgennemstrømning under hviletilstand. En vigtig fordel ved denne teknik er dens bærbarhed. Gør det velegnet til sengeovervågning.Den bærbare sonde gør det muligt at opnå hviletilstandsfunktionelle konnektivitetsmålinger i naturlige miljøer af forsøgspersonerne til både diagnostiske og terapeutiske anvendelser. Denne protokol anvender bærbare optiske sonder til at evaluere hjernens blodgennemstrømning under hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder målinger. Demonstration af proceduren med Chien Poon vil være Ben Rinehart, en grad studerende fra mit laboratorium.Mindst 10 minutter før analysen påbegyndes, skal FD-fNIRS og DCS tændes med en let modulering og detektorspænding. Brug et målebånd til at måle afstanden mellem nasion og inion på motivets hoved. Brug af nasion som udgangspunkt, skal du bruge en trykfarve markør til at angive den placering, der er 10% af afstanden til inion.Anbeg en EEG 10/20-hætte på motivets hoved, så det markerede punkt er mellem Fp1 og Fp2. Marker punktet mellem Fp1 og F7 på venstre cortex og punktet mellem Fp2 og F8 på højre cortex for at gøre grænserne mellem den overlegne præfrontale cortex og den dorsolaterale præfrontale cortex og mellem dorsolateral præfrontale cortex og ringere præfrontale cortex for venstre og højre halvkugle, henholdsvis. Ved hjælp af en 3D-printet sonde skal du slutte multi-mode fibrene til 785 nanometerlaserlykilden.Derefter placere en anden single-mode fiber en centimeter under multi-mode fibre på DS placering på begge sider af cortex og forbinde hver enkelt-mode fibre til de enkelte enkelt-foton tælle maskiner. Placer single-mode fibre 2,75 centimeter væk fra multi-mode fibre og placere en fiber på venstre og højre dorsale laterale præfrontale cortices og en fiber på ringere præfrontale cortex. Og placer multi-mode fibre på de nyligt markerede punkter.Hvis du vil forberede FD-fNIRS-systemet til kalibrering, skal du slukke lyset og åbne softwaren til dataindsamling i den grafiske brugergrænseflade. Klik på auto-bias-knappen for at justere detektorforøgelse for at opnå et optimalt signal med sensoren fastgjort og fastgjort til et kalibreringstomtom. Hvis advarselen om overspænding blinker, skal du sænke forstærkningen.Når det maksimale signal er opnået, skal du frakoble en af kildefibrene, så baggrundslyslækagen kan måles af detektoren. Og kontroller, at den direkte strøm er mindre end 20 tæller pr. måleperiode for den tilsvarende kildefiber. Kontroller derefter den korrekte udlæsning af signalniveau på hver kilde og detektor, og klik på kalibrer.Systemet vil tage målinger og anvende kalibreringsfaktorer til korrekt måling af de optiske egenskaber af den kendte fantom. Log derefter kalibreringsdataene, som giver en registrering af systemets ydeevne på et standardtombillede. For at opsætte DCS skal du varme systemlaserlyskilderne og enkeltfotontællingsmaskinerne op i mindst 10 minutter.I den grafiske brugergrænseflade system erhvervelse software, kontrollere kontakten af hver fiber ved at kontrollere den grafiske brugergrænseflade for at opnå mindst 5, 000 tæller per sekund og under 1, 000, 000 tæller per sekund. For at kontrollere, at der opnås tilstrækkelige fotontalniveauer fra hver detektor, skal du kontrollere fotontællingsniveauet og de næsten realtids-autokorrelationskurver. For at kontrollere en tilstrækkelig fiberkontakt uden lækage af omgivende lys skal du kontrollere y-skæringskurvens y-skæringskurve.Den optimale værdi er ca. 1,5 uden brug af polarisatorer. For at kontrollere, at sonden og målinger ikke er tilbøjelige til bevægelse artefakter stramme elastikbåndet, så det er stramt nok til at modstå bevægelse, men løs nok til at forhindre ubehag for motivet. Kontroller derefter de automatiske korrelationskurver, så autokorrelationskurven henfalder til én for længere korrelationstider.Derefter bekræfte, at motivet sidder i en behagelig position med lukkede øjne. Placer FD-fNIRS systemet optisk sonde på panden støder op til DCS sonden og klik Erhverve i FD-fNIRS erhvervelse software. Disse data vil give statiske optiske egenskaber, absorptionsparametre og spredningsparametre, der vil blive brugt til kvantificering af den dynamiske optiske parameter.Når alt udstyret er klar, skal du instruere motivet for at minimere eventuelle bevægelser under målingen og slukke lyset. Når FD-fNIRS-målingerne er afsluttet, skal du klikke på Kør i grænsefladen til erhvervelse af DCS-data og indsamle data i i alt otte minutter med en maksimal integrationstid på to sekunder. I denne repræsentative analyse, Hvilende tilstand funktionelle tilslutningsmuligheder i præfrontale cortices blev målt i ni emner.der blev observeret en højere korrelation i den intraregionale region i venstre og højre kortrids end målt den interregionale region i venstre og højre kortkort. Desuden viste T-testanalyse, der sammenlignede de inter- og interregionale hviletilstands funktionelle forbindelsesenheder for begge cortices, en betydelig forskel mellem disse værdier. Det er vigtigt at kontrollere, at DCS-parametrene ligger inden for de acceptable intervaller, da manglende tilstrækkelig udførelse af disse trin kan resultere i, at der indsamles ubrugelige data.Diffus korrelationsspektroskopi kan give en ikke-invasiv måling af blodgennemstrømningen. Gør det til et nyttigt værktøj til at studere den funktionelle tilslutning af hvilende eller aktiv hjerne på de forskellige stimulationer. Ikke-invasive målinger af blodgennemstrømningen er nyttige til evaluering af behandlinger og behandlinger for neurologiske sygdomme.Når du udfører denne procedure, skal du altid følge de relevante retningslinjer for lasersikkerhed.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Forbedret metode til forberedelse af en menneskelig celle-baseret, Contact Model af blod-hjerne barrieren

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 af Single RNA-molekyler af Optisk Pincet

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

Ved hjælp af ekstraordinære optisk Transmission at kvantificere hjerte biomarkører i humant Serum

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

Agarosen-baserede væv efterligne optisk Phantoms for Diffuse Reflektionsgraden spektroskopi

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

Ikke-destruktiv kontrol af nedbrydeligt stillads-baserede Tissue Engineering blodkar udvikling ved hjælp af optisk kohærens tomografi

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

Lucifer Yellow-en robust Paracellulær permeabilitet markør i en celle model af humant blod-hjerne barrieren

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

Intra-hjerte side-fyring lys kateter til overvågning cellulære metabolisme ved hjælp af Transmural absorbans spektroskopi af Perfamale pattedyr hjerter

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

Biopartikel mikroarrays til kemotaktisk og molekylær analyse af human neutrofil sværmer in vitro

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

Generering af dynamiske miljøforhold ved hjælp af en mikrofluidisk højoverførselsenhed

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

Funktionel transkranial Doppler ultralyd til overvågning af cerebral blodgennemstrømning

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