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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Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung des Ohio Third Frontier an das Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750) und die National Natural Science Foundation of China (Nr. 81771876) würdigen.

Das Protokoll wurde vom Institutional Review Board der Wright State University genehmigt, und vor dem Experiment wurde von jedem Teilnehmer die Zustimmung in Kenntnis der Sachlage eingeholt.
1. Themenvorbereitung
<ol><li>Schalten Sie das FD-fNIRS- und DCS-System ein, um sich mindestens 10 min aufzuwärmen (siehe Abschnitte 2 und 3 für weitere Details), bevor Sie Messungen des Motivs starten. Ein Beispiel für die Betreffmessung mit dem kompakten DCS-Instrument ist in Ab...

Um festzustellen, ob CBF, gemessen durch DCS, RSFC genau erfasste, wurden zwei Bereiche des Gehirns mit bekannten RSFC-Eigenschaften untersucht. Es wird davon ausgegangen, dass eine funktionale Konnektivität zwischen DLFC-Regionen und zwischen DLFC und IFC57,58,59vorhanden ist. Die Konnektivität zwischen zwei Standorten innerhalb der linken und rechten DLFC wurde gewählt, da die intraregionale Konnektivität in der Regel höh...

Wenn sich das Gehirn in einem Ruhezustand befindet, zeigt es eine hohe Synchronisation spontaner Aktivität in funktional verwandten Regionen, die sich in der Nähe oder aus der Ferne befinden können. Diese synchronen Bereiche werden als funktionale Netzwerke1,2,3,4,5,6,7,8,9bezeichnet. Dieses Phänomen wurde zuerst durch eine funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) Studie mit Blut sauerstoffspiegelabhängigen (BOLD) Signalen aufgedeckt, die Sauerstoffgehalte des zerebralen Blutes5,10, auch bekannt als Ruhezustand funktionelle Konnektivität (RSFC) anzeigen. Anomalien in RSFC wurden mit Hirnerkrankungen wie Autismus11, Alzheimer12und Depression13assoziiert. Daher ist RSFC ein wertvolles Werkzeug für die Untersuchung von Patienten mit Störungen, die Probleme bei der Durchführung aufgabenbasierter Bewertungen haben. Viele Patienten, wie junge autistische Kinder, sind jedoch schlechte Kandidaten für die Beurteilung durch fMRI, da es erfordert, noch innerhalb eines begrenzten Raumes für längere Zeit14,15zu bleiben. Optische Bildgebung ist schnell und tragbar; daher ist es für die Mehrheit der Patienten geeignet, insbesondere die pädiatrische Bevölkerung16,17,18,19,20,21,22,23,24. Unter Ausnutzung dieser Vorteile wird die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), die die Hämoglobinkonzentration und die Sauerstoffsättigungsparameter im Gehirn quantifizieren kann, zur Messung von RSFC beim Menschen (einschließlich der pädiatrischen Bevölkerung4,8,25 und Patienten mit Autismus11 )verwendet.
Optische diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS), eine relativ neue optische Technik, kann den zerebralen Blutfluss quantifizieren, was ein wichtiger Parameter ist, der die Sauerstoffversorgung mit dem Stoffwechsel6,17,26,27,28,29assoziiert. Der durch DCS quantifizierte optische Strömungskontrast hat nachweislich eine höhere Empfindlichkeit im Gehirn als der Sauerstoffkontrast30. Daher ist die Verwendung von DCS-abgeleiteten CBF-Parametern zur Beurteilung von RSFC von Vorteil.
DCS ist empfindlich auf bewegte Blutkörperchen. Wenn Photonen aus sich bewegenden Blutzellen streuen, kann die Intensität des erkannten Lichts im Laufe der Zeit schwanken. DCS misst eine zeitbasierte Intensitäts-Autokorrelationsfunktion und ihre Zerfallsrate ist abhängig von den optischen Parametern und dem Blutfluss. Diese Werte werden letztlich verwendet, um den zerebralen Blutflussindex (CBFi) zu erhalten. Bei schneller endenden Blutzellen zerfällt die Intensitäts-Autokorrelationsfunktion schneller. Daher können Informationen über Die Bewegung tief unter der Gewebeoberfläche (z.B. im Gehirn) aus Messungen diffundierender Lichtschwankungen im Zeitverlauf abgeleitet werden27,31,32,33,34,35. DCS ist eine Technik, die das weithin bekannte fNIRS ergänzt und die Blutsauerstoffversorgung misst17,36. Da sowohl fNIRS als auch DCS optische Gehirnbildgebungstechniken mit hoher zeitlicher Auflösung im Bereich von Millisekunden sind, sind die optischen Bildgebungs-Setups weit weniger empfindlich auf Bewegungsartefakte als fMRI. Sie wurden auch erfolgreich für die funktionelle Gehirnbildgebung in pädiatrischen Populationen verwendet, einschließlich sehr junge Säuglinge16. Zuvor wurden oberflächliche Durchblutungsmessungen verwendet, um RSFC in präklinischen Studien an Mäusen zu bewerten37. Hier werden Blutflussparameter verwendet, um RSFC bei neun gesunden Erwachsenen als Proof-of-Concept-Studie38,39zu quantifizieren.
In dieser Studie wird ein kommerzielles FD-fNIRS-System und ein benutzerdefiniertes DCS-System verwendet(siehe Materialtabelle). Der im eigenen Haus gebaute DCS besteht aus zwei 785 nm, 100 mW, langen Kohärenzlängen-Kontinuierlichwellenlasern, die an einen FC-Stecker gekoppelt sind, und acht Single-Photon-Zählmaschinen (SPCM), die mit einem Auto-Korrelator verbunden sind. Eine benutzerdefinierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) wurde auch speziell für dieses System entwickelt, um die Photonenanzahl, Autokorrelationskurven und den semiquantitativen Blutfluss jedes SPCM-Kanals in Echtzeit anzuzeigen und zu speichern. Die Teile in diesem System werden häufig für DCS16,17,31,32,40,42,43,44, und die ergebnisse erhalten wurden auch intern verifiziert und in einer aktuellen Studie verwendet39.

<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

Um ein umfassendes Verständnis des menschlichen Gehirns zu erhalten, ist die Nutzung des zerebralen Blutflusses (CBF) als Kontrastquelle erwünscht, da es sich um einen wichtigen hämodynamischen Parameter im Zusammenhang mit der zerebralen Sauerstoffversorgung handelt. Ruhezustand niedrige Frequenzschwankungen auf der Grundlage von Sauerstoffkontrast haben gezeigt, dass Korrelationen zwischen funktional verbundenen Regionen zu liefern. Das vorgestellte Protokoll verwendet die optische diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS), um die blutflussbasierte Ruhezustandsfunktionskonnektivität (RSFC) im menschlichen Gehirn zu bewerten. Die Ergebnisse der CBF-basierten RSFC im menschlichen Frontalkorter deuten darauf hin, dass die intraregionale RSFC in der linken und rechten Kortik signifikant höher ist als in beiden Kortiken. Dieses Protokoll sollte für Forscher von Interesse sein, die multimodale bildgebende Verfahren einsetzen, um die Funktion des menschlichen Gehirns zu untersuchen, insbesondere in der pädiatrischen Bevölkerung.

Die Durchführbarkeit der Verwendung von DCS zur Messung der funktionalen Konnektivität wurde erfolgreichentmostet 39. Die Ruhezustandsfunktionskonnektivität in den präfrontalen Kortiken von neun Probanden wurde gemessen. Die Ergebnisse (mittelwert - SD) deuteten auf eine höhere Korrelation in der intraregionalen Region der linken (0,64 x 0,25) und rechten (0,62 x 0,23) Kortiken hin, im Vergleich zur interregionalen Region der linken (0,32 x 0,32), (0,34 x 0,27) und rechten (0,34 x 0,29), (0,3...

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

Dieses Protokoll zeigt, wie die funktionale Ruhezustandskonnektivität im menschlichen präfrontalen Kortex mithilfe eines maßgeschneiderten diffusen Korrelationsspektroskopieinstruments gemessen wird. Der Bericht behandelt auch praktische Aspekte des Experiments sowie detaillierte Schritte zur Analyse der Daten.

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 ...

Dieses Protokoll verwendet variable optische Sonden, um den Blutfluss im Gehirn während des Ruhezustands zu bewerten. Ein wichtiger Vorteil dieser Technik ist ihre Portabilität. Damit ist es für die Nachtüberwachung gut geeignet.Die tragbare Sonde ermöglicht es, funktionale Konnektivitätsmessungen im Ruhezustand in natürlichen Umgebungen der Probanden sowohl für diagnostische als auch therapeutische Anwendungen zu erhalten. Dieses Protokoll verwendet tragbare optische Sonden, um den Blutfluss im Gehirn während der funktionellen Konnektivitätsmessungen des Ruhezustands zu bewerten. Demonstrieren das Verfahren mit Chien Poon wird Ben Rinehart, ein Grad Student aus meinem Labor.Schalten Sie fD-fNIRS und DCS mindestens 10 Minuten vor Beginn der Analyse mit einer Lichtmodulation und Detektorspannung aus. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen der Nasion und der Inion auf dem Kopf des Motivs zu messen. Verwenden Sie die Nasion als Ausgangspunkt, um die Position zu bestimmen, die 10 % des Abstands zum Inion beträgt.Legen Sie eine EEG 10/20-Kappe auf den Kopf des Motivs, so dass der markierte Punkt zwischen Fp1 und Fp2 liegt. Markieren Sie den Punkt zwischen Fp1 und F7 auf dem linken Kortex und den Punkt zwischen Fp2 und F8 auf dem rechten Kortex, um die Grenzen zwischen dem oberen präfrontalen Kortex und dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und zwischen dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und dem unteren präfrontalen Kortex für die linke bzw. rechte Hemisphäre zu bilden. Verbinden Sie die Multimode-Fasern mit einer 3D-gedruckten Sonde mit der 785 Nanometer-Laserlichtquelle.Legen Sie dann eine weitere Single-Mode-Faser einen Zentimeter unter den Multimode-Fasern an der Ds-Position auf beiden Seiten des Kortex und verbinden Sie jede der Single-Mode-Fasern mit einzelnen Single-Photon-Zählmaschinen. Platzieren Sie die Singlemode-Fasern 2,75 Zentimeter von den Multimode-Fasern entfernt und legen Sie eine Faser auf der linken und rechten dorsalen seitlichen präfrontalen Kortik und eine Faser auf den unteren präfrontalen Kortex. Und platzieren Sie die Multimode-Fasern auf den neu markierten Punkten.Um das FD-fNIRS-System für die Kalibrierung vorzubereiten, schalten Sie alle Lichter aus und öffnen Sie die Datenerfassungssoftware der grafischen Benutzeroberfläche. Klicken Sie auf die Auto-Bias-Taste, um die Detektorverstärkung anzupassen, um ein optimales Signal zu erzielen, bei dem der Sensor an einem Kalibrier-Phantom befestigt und gesichert ist. Wenn die Überspannungswarnung blinkt, senken Sie die Verstärkung.Nachdem das maximale Signal erreicht wurde, trennen Sie eine der Quellfasern, damit die Hintergrundlichtleckage vom Detektor gemessen werden kann. Und stellen Sie sicher, dass der Gleichstrom weniger als 20 Zählungen pro Messzeitraum für die entsprechende Quellfaser beträgt. Überprüfen Sie als Nächstes die korrekte Signalpegelanzeige an jeder Quelle und jedem Detektor, und klicken Sie auf Kalibrieren.Das System nimmt Messungen vor und wendet Kalibrierfaktoren an, um die optischen Eigenschaften des bekannten Phantoms richtig zu messen. Protokollieren Sie dann die Kalibrierdaten, die eine Aufzeichnung der Systemleistung auf einem Standard-Phantom liefern. Um die DCS einzurichten, wärmen Sie die Systemlaserlichtquellen und die Single-Photon-Zählmaschinen für mindestens 10 Minuten auf.Überprüfen Sie in der Software zur Systemerfassung der grafischen Benutzeroberfläche den Kontakt der einzelnen Fasern, indem Sie die grafische Benutzeroberfläche überprüfen, um mindestens 5.000 Zählungen pro Sekunde und weniger als 1.000 000 Zählungen pro Sekunde zu erhalten. Um zu überprüfen, ob von jedem Detektor ausreichende Photonenanzahlwerte ermittelt werden, überprüfen Sie die Photonenanzahl und die Nahezu-Echtzeit-Autokorrelationskurven. Überprüfen Sie den y-Abfang der Autokorrelationskurve, um einen ausreichenden Faserkontakt ohne Lichtlecks zu überprüfen.Der optimale Wert beträgt ca. 1,5 ohne den Einsatz von Polarisatoren. Um zu überprüfen, ob die Sonde und Messungen nicht anfällig für Bewegungsartefakte sind, straffen Sie das Elastische Band so fest, dass es fest genug ist, um der Bewegung zu widerstehen, aber locker genug, um Beschwerden für das Motiv zu verhindern. Überprüfen Sie dann die Autokorrelationskurven, sodass die Autokorrelationskurve für längere Korrelationszeiten zu einer zerfällt.Dann bestätigen Sie, dass das Motiv in einer bequemen Position mit geschlossenen Augen sitzt. Platzieren Sie die optische Sonde des FD-fNIRS-Systems auf der Stirn neben der DCS-Sonde, und klicken Sie in der FD-fNIRS-Erfassungssoftware auf Acquire. Diese Daten liefern statische optische Eigenschaften, Absorptionsparameter und Streuparameter, die für die Quantifizierung des dynamischen optischen Parameters verwendet werden.Wenn das gesamte Gerät bereit ist, weisen Sie das Motiv an, bewegungen während der Messung zu minimieren und das Licht auszuschalten. Klicken Sie nach Abschluss der FD-fNIRS-Messungen in der DCS-Datenerfassungsschnittstelle auf Ausführen und erfassen Sie Daten für insgesamt acht Minuten mit maximal zwei Sekunden Integrationszeit. In dieser repräsentativen Analyse wurde die Ruhezustandsfunktionskonnektivität in den präfrontalen Kortiken an neun Probanden gemessen.In der intraregionalen Region der linken und rechten Kortik wurde eine höhere Korrelation beobachtet als in der interregionalen Region der linken und rechten Kortik. Darüber hinaus ergab die T-Test-Analyse zum Vergleich der inter- und interregionalen Ruhezustandsfunktionsverbindungen beider Kortiken einen signifikanten Unterschied zwischen diesen Werten. Es ist wichtig, zu überprüfen, ob die DCS-Parameter innerhalb der zulässigen Bereiche liegen, da die Nichtdurchführung dieser Schritte zur Erfassung nicht verwendbarer Daten führen kann.Die diffuse Korrelationsspektroskopie kann eine nicht-invasive Messung des Blutflusses ermöglichen. Machen es ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung der funktionellen Konnektivität des ruhenden oder aktiven Gehirns auf den verschiedenen Stimulationen. Nicht-invasive Messungen des Blutflusses sind nützlich für die Bewertung von Behandlungen und Therapien bei neurologischen Erkrankungen.Achten Sie bei der Durchführung dieses Verfahrens darauf, immer die entsprechenden Lasersicherheitsrichtlinien zu befolgen.

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