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

De auteurs willen financiële steun erkennen van de Ohio Third Frontier aan het Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750) en de National Natural Science Foundation of China (nr. 81771876).

Het protocol werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van de Wright State University, en geïnformeerde toestemming werd verkregen van elke deelnemer voorafgaand aan het experiment.
1. Voorbereiding van het onderwerp
<ol><li>Zet het FD-fNIRS- en DCS-systeem aan om minstens 10 minuten op te warmen (zie de secties 2 en 3 voor meer details) voordat u met metingen van het onderwerp begint. Een voorbeeld van onderwerpmeting met het compacte DCS-instrument wordt weergegeven in <strong c...

Om te bepalen of CBF zoals gemeten door DCS nauwkeurig gedetecteerd RSFC, twee gebieden van de hersenen met bekende RSFC eigenschappen werden onderzocht. Functionele connectiviteit tussen DLFC-regio's en tussen DLFC en IFC wordt verondersteld te bestaan57,58,59. Er is gekozen voor connectiviteit tussen twee sites binnen de linker- en rechter-DLFC, omdat de intraregionale connectiviteit meestal hoger is. Ook werd gekozen voor con...

Wanneer de hersenen zich in een rusttoestand bevinden, toont het een hoge synchronisatie van spontane activiteit in functioneel verwante gebieden aan, die zich dichtbij of van een afstand kunnen bevinden. Deze in-sync regio's staan bekend als functionele netwerken1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dit fenomeen werd voor het eerst ontdekt door een functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) studie met behulp van bloed zuurstof niveau-afhankelijke (BOLD) signalen die oxygenatie niveaus van het hersenbloed5,,10, ook bekend als ruststaat functionele connectiviteit (RSFC). Afwijkingen in RSFC zijn geassocieerd met hersenaandoeningen zoals autisme11, Alzheimer12, en depressie13. Dus, RSFC is een waardevol instrument voor het bestuderen van patiënten met aandoeningen die moeite hebben met het uitvoeren van taakgebaseerde beoordelingen. Echter, veel patiënten, zoals jonge autistische kinderen, zijn slechte kandidaten voor beoordeling door fMRI, omdat het vereist nog steeds binnen in een besloten ruimte voor langere tijd14,15. Optische beeldvorming is snel en draagbaar; zo is het geschikt voor een meerderheid van de patiënten, met name de pediatrische bevolking16,17,18,19,20,21,22,23,24. Met behulp van deze voordelen, functionele nabij-infrarood spectroscopie (fNIRS), die hemoglobine concentratie en zuurstofverzadiging parameters in de hersenen kan kwantificeren, wordt gebruikt om RSFC te meten bij de mens (met inbegrip van de pediatrische bevolking4,8,25 en patiënten met autisme11).
Optische diffuse correlatiespectroscopie (DCS), een relatief nieuwe optische techniek, kan de cerebrale bloedstroom kwantificeren, wat een belangrijke parameter is die zuurstoftoevoer associeert met metabolisme6,17,26,27,28,29. Het optische stroomcontrast dat door DCS wordt gekwantificeerd, blijkt een hogere gevoeligheid in de hersenen te hebben in vergelijking met oxygenatiecontrast30. Het gebruik van DCS-afgeleide CBF-parameters voor de beoordeling van RSFC is dus voordelig.
DCS is gevoelig voor bewegende bloedcellen. Wanneer het verspreiden van fotonen verstrooiing van bewegende bloedcellen, dit zorgt ervoor dat de intensiteit van gedetecteerd licht te fluctueren in de tijd. DCS meet een op tijd gebaseerde intensiteitautocorrelatiefunctie en de vervalsnelheid is afhankelijk van de optische parameters en de bloedstroom. Deze waarden worden uiteindelijk gebruikt om de cerebrale bloedstroom index (CBFi) te verkrijgen. Met sneller bewegende bloedcellen, de intensiteit autocorrelatie functie vervalt sneller. Daarom kan informatie over beweging diep onder het weefseloppervlak worden afgeleid (bijvoorbeeld in de hersenen) uit metingen van het verspreiden van lichtfluctuaties in de tijd27,31,32,33,34,35. DCS is een techniek die complementair is aan de alom bekende fNIRS die bloedoxygenatie meet17,36. Aangezien zowel fNIRS als DCS optische hersenbeeldvormingstechnieken zijn met een hoge temporele resolutie in het bereik van milliseconden, zijn de optische beeldvormingsopstellingen veel minder gevoelig voor bewegingsartefacten dan fMRI. Ze zijn ook met succes gebruikt voor functionele beeldvorming van de hersenen in pediatrische populaties, waaronder zeer jonge zuigelingen16. Voorheen werden oppervlakkige bloedstroommetingen gebruikt om RSFC te beoordelen in preklinische studies bij muizen37. Hier worden bloedstroomparameters gebruikt om RSFC bij negen gezonde volwassenen te kwantificeren als een proof-of-concept studie38,39.
In deze studie wordt gebruik gemaakt van een commercieel FD-fNIRS systeem en een aangepast DCS systeem(zie Tabel van Materialen). De DCS die in eigen huis werd gebouwd bestaat uit twee 785 nm, 100 mW, lange coherentielengte continugolflasers die zijn gekoppeld aan een FC-connector en acht single-photon telmachines (SPCM) aangesloten op een auto-correlator. Een aangepaste software grafische gebruikersinterface (GUI) is ook speciaal gemaakt voor dit systeem om de fotontellingen, autocorrelatiecurven en semi-kwantitatieve bloedstroom van elk SPCM-kanaal in real-time weer te geven en op te slaan. De onderdelen in dit systeem worden vaak gebruikt voor DCS16,17,31,32,40,42,43,44, en de verkregen resultaten zijn ook in eigen beheer geverifieerd en gebruikt in een recente studie39.

<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

Om een uitgebreid begrip van het menselijk brein te verkrijgen, is het gebruik van cerebrale bloedstroom (CBF) als een bron van contrast gewenst omdat het een belangrijke hemodynamische parameter is die verband houdt met cerebrale zuurstoftoevoer. Rusttoestand lage frequentie schommelingen op basis van oxygenatie contrast is aangetoond dat correlaties tussen functioneel verbonden regio's te bieden. Het gepresenteerde protocol maakt gebruik van optische diffuse correlatie spectroscopie (DCS) om de bloedstroom-gebaseerde rusttoestand functionele connectiviteit (RSFC) in het menselijk brein te beoordelen. Resultaten van CBF-gebaseerde RSFC in de menselijke frontale cortex geven aan dat intra-regionale RSFC aanzienlijk hoger is in de linker- en rechtercortices in vergelijking met interregionale RSFC in beide cortices. Dit protocol moet van belang zijn voor onderzoekers die gebruik maken van multi-modale beeldvormingstechnieken om de menselijke hersenfunctie te bestuderen, vooral in de pediatrische bevolking.

De haalbaarheid van het gebruik van DCS om functionele connectiviteit te meten werd met succes gedemostrated39. De ruststaat functionele connectiviteit in de prefrontale cortices van negen onderwerpen werd gemeten. De resultaten (gemiddelde ± SD) wezen op een hogere correlatie in het intraregionale gebied van links (0,64 ± 0,25) en rechts (0,62 ± 0,23) cortices, in vergelijking met het interregionale gebied van links (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) en rechts (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) cortic...

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

Dit protocol laat zien hoe de functionele connectiviteit van de rusttoestand in de menselijke prefrontale cortex kan worden gemeten met behulp van een op maat gemaakt diffuus correlatiespectroscopie-instrument. Het rapport bespreekt ook praktische aspecten van het experiment en gedetailleerde stappen voor het analyseren van de gegevens.

Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functionele connectiviteit van het menselijk brein met behulp van optical diffuse correlatie spectroscopie

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 ...

Dit protocol maakt gebruik van variabele optische sondes om de bloedstroom van de hersenen te evalueren tijdens de rusttoestand. Een belangrijk voordeel van deze techniek is de draagbaarheid. Waardoor het zeer geschikt is voor nachtbewaking.De draagbare sonde maakt het mogelijk om functionele connectiviteitsmetingen te verkrijgen in natuurlijke omgevingen van de proefpersonen voor zowel diagnostische als therapeutische toepassingen. Dit protocol maakt gebruik van draagbare optische sondes om de bloedstroom van de hersenen te evalueren tijdens de functionele connectiviteitsmetingen in rusttoestand. Het aantonen van de procedure met Chien Poon zal Ben Rinehart, een grad student van mijn laboratorium.Ten minste 10 minuten voor aanvang van de analyse, power-up van de FD-fNIRS en DCS met een licht modulatie en detector spanning. Gebruik een meetlint om de afstand tussen de nasion en de inion op het hoofd van het onderwerp te meten. Gebruik de nasion als uitgangspunt en gebruikt een inktmarkering om de locatie aan te wijzen die 10% van de afstand tot de inion bedraagt.Plaats een EEG 10/20-dop op het hoofd van het onderwerp, zodat het gemarkeerde punt zich tussen Fp1 en Fp2 bevindt. Markeer het punt tussen Fp1 en F7 op de linker cortex en het punt tussen Fp2 en F8 op de rechterschors om de grenzen tussen de superieure prefrontale cortex en de dorsolaterale prefrontale cortex en tussen de dorsolaterale prefrontale cortex en de inferieure prefrontale cortex voor respectievelijk de linker- en rechterhersenhelft te maken. Sluit met behulp van een 3D-geprinte sonde de multi-mode vezels aan op de laserlichtbron van 785 nanometer.Plaats vervolgens een andere single-mode vezel een centimeter onder de multi-mode vezels op de Ds locatie aan beide zijden van de cortex en sluit elk van de single-mode vezels aan individuele single-photon tellen machines. Plaats de single-mode vezels 2,75 centimeter uit de buurt van de multi-mode vezels en plaats een vezel op de linker en rechter dorsale zijwaartse prefrontale cortices en een vezel op de inferieure prefrontale cortex. En plaats de multi-mode vezels op de nieuw gemarkeerde punten.Als u het FD-fNIRS-systeem wilt voorbereiden op kalibratie, schakelt u alle lichten uit en opent u de software voor gegevenswerving van de grafische gebruikersinterface. Klik op de auto-bias knop om de detector gain aan te passen om een optimaal signaal te bereiken met de sensor bevestigd en bevestigd aan een kalibratie fantoom. Als de overspanning waarschuwing knippert, lager de winst.Nadat het maximale signaal is verkregen, koppelt u een van de bronvezels los, zodat de achtergrondlichtlekkage door de detector kan worden gemeten. En controleer of de gelijkstroom minder dan 20 tellingen per meetperiode is voor de overeenkomstige bronvezel. Controleer vervolgens de juiste uitlezing van het signaalniveau op elke bron en detector en klik op kalibreren.Het systeem zal metingen uitvoeren en kalibratiefactoren toepassen om de optische eigenschappen van het bekende fantoom correct te meten. Log vervolgens de kalibratiegegevens, die een record van de prestaties van het systeem op een standaard fantoom zal bieden. Om de DCS in te stellen, verwarmt u de laserlichtbronnen van het systeem en de telmachines met één foton gedurende ten minste 10 minuten.Controleer in de grafische software voor het verkrijgen van het gebruikersinterfacesysteem het contact van elke vezel door de grafische gebruikersinterface te controleren om ten minste 5.000 tellingen per seconde en minder dan 1.000.000 tellingen per seconde te verkrijgen. Controleer het aantal foton en de bijna realtime autocorrelatiecurven om te controleren of de voldoende aantal fotonniveaus van elke detector worden verkregen. Controleer de y-interceptie van de autocorrelatiecurve om een voldoende vezelcontact zonder omgevingslichtlekkage te controleren.De optimale waarde is ongeveer 1,5 zonder het gebruik van polarisatoren. Om te controleren of de sonde en metingen niet gevoelig zijn voor bewegingsartefacten draai de elastische band aan, zodat deze strak genoeg is om beweging te weerstaan, maar los genoeg om ongemak voor het onderwerp te voorkomen. Controleer vervolgens de autocorrelatiecurven zodanig dat de autocorrelatiecurve vervalt tot een curve voor langere correlatietijden.Bevestig dan dat het onderwerp in een comfortabele positie zit met hun ogen dicht. Plaats de FD-fNIRS systeem optische sonde op het voorhoofd naast de DCS-sonde en klik op Acquire in de FD-fNIRS acquisitie software. Deze gegevens bieden statische optische eigenschappen, absorptieparameters en verstrooiingsparameters die worden gebruikt voor de kwantificering van de dynamische optische parameter.Wanneer alle apparatuur klaar is, instrueer het onderwerp om eventuele bewegingen tijdens de meting te minimaliseren en schakel de lichten uit. Na voltooiing van de FD-fNIRS-metingen klikt u op Uitvoeren in de DCS-gegevensacquisitie-interface en verzamelt u gegevens gedurende in totaal acht minuten met een maximale integratietijd van twee seconden. In deze representatieve analyse werd de functionele connectiviteit van de rusttoestand in de prefrontale cortices gemeten in negen onderwerpen.een hogere correlatie werd waargenomen in de intraregionale regio van de linker- en rechtercortices dan werd gemeten in het interregionale gebied van de linker- en rechtercortices. Verder, T-test analyse vergelijking van de inter-en interregionale rusttoestand functionele connectiviteit van beide cortices bleek een significant verschil tussen deze waarden. Het is belangrijk om na te gaan of de DCS-parameters binnen de aanvaardbare marges vallen, omdat het niet adequaat uitvoeren van deze stappen kan leiden tot het verkrijgen van onbruikbare gegevens.Diffuse correlatiespectroscopie kan een niet-invasieve meting van de bloedstroom opleveren. Waardoor het een nuttig hulpmiddel voor het bestuderen van de functionele connectiviteit van de rustende of actieve hersenen op de verschillende stimulaties. Niet-invasieve metingen van de bloedstroom zijn nuttig voor de evaluatie van behandelingen en therapieën voor neurologische aandoeningen.Houd bij het uitvoeren van deze procedure altijd de juiste richtlijnen voor laserveiligheid.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Verbeterde werkwijze voor de bereiding van een Human-Cell gebaseerde, Contact Model van de bloed-hersenbarrière

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

Nanomanipulatie van Single RNA-moleculen door een optisch 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

Met behulp van buitengewone optische transmissie te kwantificeren cardiale Biomarkers in menselijk 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

Agarose gebaseerde weefsel nabootsen van optische Phantoms voor Diffuse reflectie spectroscopie

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

Niet-destructieve controle van afbreekbaar steiger gebaseerde weefsel-Engineered bloedvat ontwikkelen met behulp van optische coherentie tomografie

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 geel-een robuuste Paracellulaire permeabiliteit marker in een Celmodel van de menselijke bloed-hersen barrière

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-cardiale side-afvuren licht katheter voor het monitoren van cellulaire metabolisme met behulp van Transmural extinctie spectroscopie van Geperfectiongebruikt zoogdieren harten

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

Bioparticle Microarrays voor Chemotactic en Moleculaire Analyse van menselijke Neutrofiele Zwermen 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

Generatie van dynamische omgevingsomstandigheden met behulp van een microfluïdisch apparaat met hoge doorvoer

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

Functionele transcraniële doppler echografie voor het monitoren van cerebrale bloedstroom

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