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

המחברים רוצים להכיר בתמיכה הפיננסית מ אוהיו הגבול השלישי לרשת מחקר וחדשנות של אוהיו (אויבריין, 667750), והקרן הלאומית למדע הטבע של סין (No. 81771876).

הפרוטוקול אושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית באוניברסיטת רייט סטייט, והסכמה מושכלת הושגה מכל משתתף לפני הניסוי.
1. הכנה לנושא
<ol><li>הכוח את מערכת FD-fNIRS ו-DCS כדי לחמם לפחות 10 דקות (ראה סעיפים 2 ו-3 לקבלת פרטים נוספים) לפני התחלת כל המידות של הנושא. דוגמה למדידת נושא עם כלי ה-DCS הקומפק?...

כדי לקבוע אם CBF כפי שנמדד על-ידי DCS זיהה במדויק את RSFC, שני אזורים של המוח עם מאפייני RSFC ידועים נבדקו. קישוריות פונקציונלית בין אזורי dlfc ובין dlfc ו-IFC מניחים שקיימים57,58,59. קישוריות בין שני אתרים בתוך DLFC שמאל וימין נבחרה, מכיוון שהקישוריות הפנים-...

כאשר המוח נמצא במצב מנוחה, הוא ממחיש סנכרון גבוה של פעילות ספונטנית באזורים הקשורים פונקציונלית, אשר ניתן למקם קרוב בסמיכות או ממרחק. אזורי הסינכרון האלה ידועים כרשתות פונקציונליות1,2,3,4,5,6,7,8,9. תופעה זו נחשפה לראשונה על ידי דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) מחקר באמצעות האותות התלויים ברמת חמצן בדם (מודגש) המציינים רמות חמצן של דם מוחין5,10, ידוע גם בשם המצב מנוחה קישוריות פונקציונלית (rsfc). חריגות RSFC היו שייכות עם הפרעות במוח כגון אוטיזם11, אלצהיימר12, ודיכאון13. לכן, RSFC הוא כלי רב ערך עבור לימוד חולים עם הפרעות שיש להם בעיות performaning הערכות מבוססות משימה. עם זאת, חולים רבים, כגון ילדים אוטיסטים צעירים, הם מועמדים עניים להערכה על ידי fMRI, כפי שהוא מחייב נותר עדיין בתוך שטח סגור לתקופות ממושכות של זמן14,15. הדמיה אופטית היא מהירה ולביש; לפיכך, הוא מתאים לרוב המטופלים, במיוחד האוכלוסייה ילדים16,17,18,19,20,21,22,23,24. ניצול יתרונות אלה, ספקטרוסקופיית כמעט אינפרא אדום פונקציונלי (fnirs), אשר יכול לכמת ריכוז המוגלובין והפרמטרים של רוויית החמצן במוח, משמש למדוד rsfc בבני אדם (כולל אוכלוסיית ילדים4,8,25 וחולים עם אוטיזם11).
אופטי מתאם ספקטרוסקופיית (DCS), טכניקה אופטית חדשה יחסית, יכול לכמת זרימת דם מוחין, שהוא פרמטר חשוב המשייך אספקת חמצן עם חילוף חומרים6,17,26,27,28,29. חדות הזרימה האופטית בכמת על ידי DCS הוכח שיש רגישות גבוהה יותר במוח בהשוואה לניגודיות חמצון30. כך, ניצול פרמטרים הנגזר DCS CBF להערכת RSFC הוא יתרון.
DCS הוא רגיש להעברת כדוריות הדם. כאשר מפזרים פוטונים פיזור של כדוריות הדם הנעות, זה גורם לעוצמת האור המזוהה להשתנות לאורך זמן. DCS מודד מתאם זמן מבוסס על תפקוד אוטומטי ושיעור הדעיכה שלה תלויים בפרמטרים האופטיים ובזרימת הדם. ערכים אלה משמשים בסופו של דבר להשגת מדד זרימת הדם המוחית (CBFi). עם כדוריות דם נעות מהיר יותר, הפונקציה מיתאם אוטומטית מהירה יותר. לכן, מידע על תנועה עמוק מתחת למשטח הרקמה יכול להיות נגזר (למשל, במוח) ממדידות של תנודות אור לאורך זמן27,31,32,33,34,35. DCS היא טכניקה המשלימה את ה-fnirs הידוע באופן נרחב המודד חמצן17,36. מאז השני fNIRS ו DCS הם אופטי המוח טכניקות הדמיה עם רזולוציה הרקתית הגבוהה בטווח של אלפיות שניה, הדמיה אופטית מערכת ההדמיה הם הרבה פחות רגיש לפריטים התנועה מאשר fMRI. הם גם השתמשו בהצלחה לדימות מוחי פונקציונלי באוכלוסיות ילדים, כולל תינוקות צעירים מאוד16. בעבר, מדידות זרימת דם שטחית שימשו להערכת RSFC במחקרים טרום קליניים בעכברים37. כאן, הפרמטרים של זרימת הדם משמשים לכמת rsfc בתשעה מבוגרים בריאים כהוכחה של קונספט מחקר38,39.
במחקר זה, מערכת מסחרית FD-fNIRS ומערכת DCS מותאמת אישית משמש (ראה טבלת חומרים). בקרי התחום שנבנו בתוך הבית מורכב 2 785 ננומטר, 100 mW, אורך קוהרנטיות ארוך לייזרים גל הנמצאים ביחד למחבר FC ושמונה מכונות ספירה יחיד פוטון (SPCM) מחובר אוטומטי-correlator. ממשק משתמש גרפי של תוכנה מותאמת אישית (GUI) נעשה גם במיוחד עבור מערכת זו כדי להציג ולשמור את ספירות פוטון, מתאם אוטומטי עקומות, זרימת הדם למחצה כמותי של כל ערוץ SPCM בזמן אמת. החלקים במערכת זו משמשים בדרך כלל עבור DCS16,17,31,32,40,42,43,44, ואת התוצאות שהתקבלו גם אומתו ב-house ומשמש במחקר האחרונות39.

<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

כדי להשיג הבנה מקיפה של המוח האנושי, הניצול של זרימת הדם המוחית (CBF) כמקור של ניגודיות רצוי משום שהוא פרמטר הומודינמי מפתח הקשור לאספקת חמצן מוחין. מצב מנוחה של תנודות בתדר נמוך המבוסס על ניגודיות חמצון הוכחו לספק מערכת יחסים בין אזורים המחוברים באופן פונקציונלי. הפרוטוקול המוצג משתמש בספקטרוסקופיית מתאם אופטי מפוזר (DCS) כדי להעריך את הקישוריות הפונקציונלית המבוססת על זרימת הדם (RSFC) במוח האנושי. תוצאות RSFC המבוסס על הקליפה הקדמית האנושית עולה כי RSFC הפנים-אזוריות הוא גבוה יותר באופן משמעותי בתוך שמאל וימין לעומת RSFC הבין אזורי בשתי מערבולות. פרוטוקול זה צריך להיות עניין של חוקרים אשר מעסיקים טכניקות הדמיה רב מודאליות כדי ללמוד את תפקוד המוח האנושי, במיוחד בקרב ילדים.

הכדאיות של שימוש ב-DCS למדידת קישוריות פונקציונלית בוצעה בהצלחה39. הקישוריות הפונקציונלית של מצב המנוחה במצבה הקדמי של תשעה נושאים נמדדה. התוצאות (ממוצע ± SD) הצביעו על מתאם גבוה יותר באזור הפנים-אזורי של שמאל (0.64 ± 0.25) וזכות (0.62 ± 0.23) מערבולות, לעומת האזור הבין-אזורי של שמאל (0.32 ± 0.32...

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

פרוטוקול זה מדגים כיצד למדוד במנוחה קישוריות המצב התפקודי בקליפה הקדם חזיתית האנושית באמצעות מותאם אישית מעשה לפזר מתאם ספקטרוסקופיה. הדוח גם דן בהיבטים מעשיים של הניסוי, כמו גם בשלבים מפורטים לניתוח הנתונים.

מוחין זרימת דם מבוסס על המצב מנוחה קישוריות תפקודית של המוח האנושי באמצעות ספקטרוסקופיית מתאם אופטי לפזר

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 ...

פרוטוקול זה משתמש בבדיקות אופטיות משתנות כדי להעריך את זרימת הדם במוח במהלך מצב המנוחה. יתרון חשוב של טכניקה זו הוא ניידותה. מה שהופך אותו מתאים היטב לניטור ליד המיטה.הבדיקה הלבושה מאפשרת מדידות קישוריות תפקודית של מצב מנוחה שיש להשיג בסביבות טבעיות של הנבדקים הן עבור יישומים אבחוניים והן עבור יישומים טיפוליים. פרוטוקול זה משתמש בבדיקות אופטיות לבישות כדי להעריך את זרימת הדם במוח במהלך מדידות הקישוריות התפקודית של מצב המנוחה. הדגמת ההליך עם צ'ין פון תהיה בן ריינהרט, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי.לפחות 10 דקות לפני תחילת הניתוח, להפעיל את FD-fNIRS ו DCS עם אפנון אור ומתח גלאי. השתמשו בקלטת מדידה כדי למדוד את המרחק בין ההתרסה לבין ההתכה על ראשו של הנבדק. באמצעות nasion כנקודת ההתחלה, השתמש בסמן דיו כדי לייעד את המיקום שהוא 10% מהמרחק להיכנס.מקם כובע EEG 10/20 על ראשו של הנבדק כך שהנקודה המסומנת היא בין Fp1 ל- Fp2. סמן את הנקודה בין Fp1 ו- F7 בקליפת המוח השמאלית ואת הנקודה בין Fp2 ו- F8 בקליפת המוח הימנית כדי להפוך את הגבולות בין קליפת המוח הקדם-מצחית המעולה לבין קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-מצחית ובין קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-מצחית לבין קליפת המוח הקדם-מצחית הנחותה עבור ההמיספרות השמאלית והימין, בהתאמה. באמצעות בדיקה המודפסת בתלת-ממד, חבר את הסיבים הרב-מצביים למקור אור הלייזר של 785 ננומטר.לאחר מכן הנח סיבים חד-מצביים נוספים בסנטימטר אחד מתחת לסיבים מרובי המצבים במיקום Ds משני צידי קליפת המוח וחבר כל אחד מהסיבים במצב יחיד למכונות בודדות לספירת פוטון יחיד. מניחים את הסיבים במצב יחיד במרחק של 2.75 ס"מ מהסיבים הרב-מצביים וממקמים סיב אחד על קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית השמאלית והימין וסיבים אחד על קליפת המוח הקדם-מצחית הנחותה. והנח את הסיבים הרב-מצביים בנקודות המסומנות לאחרונה.כדי להכין את מערכת ה- FD-fNIRS לכיול, כבה את כל התאורות ופתח את תוכנת רכישת הנתונים של ממשק המשתמש הגרפי. לחץ על לחצן ההטיה האוטומטית כדי לכוונן את רווח הגלאי כדי להשיג אות אופטימלי עם החיישן מחובר ומאובטח לפנטום כיול. אם אזהרת מתח-יתר מהבהבת, הנך את הרווח.לאחר האות המרבי הושג, לנתק את אחד מסיבי המקור, כך דליפת אור הרקע ניתן למדוד על ידי הגלאי. וודא שהזרם הישיר הוא פחות מ-20 ספירות לתקופת מדידה עבור סיבי המקור המתאימים. לאחר מכן, אמת את רמת האות המתאימה בכל מקור וגלאי ולחץ על כיול.המערכת תנקוט מדידות ותחיל גורמי כיול כדי למדוד כראוי את המאפיינים האופטיים של הפנטום הידוע. לאחר מכן רשום את נתוני הכיול, אשר יספק תיעוד של ביצועי המערכת על פנטום סטנדרטי. כדי להגדיר את DCS, לחמם את מקורות אור לייזר המערכת ואת מכונות ספירת פוטון יחיד לפחות 10 דקות.בתוכנת רכישת מערכת ממשק המשתמש הגרפית, אמת את הקשר של כל סיב על-ידי בדיקת ממשק המשתמש הגרפי כדי להשיג לפחות 5,000 ספירות לשניה ומתחת ל- 1, 000, 000 ספירות לשנייה. כדי לוודא את רמות ספירת הפוטונים מספיק מתקבלות מכל גלאי, בדוק את רמת ספירת הפוטונים ואת עקומות התיקון האוטומטי הקרובות בזמן אמת. כדי לאמת מגע סיבים מספיק ללא כל דליפת אור הסביבה, בדוק את y-intercept של עקומת התיקון האוטומטי.הערך האופטימלי הוא כ-1.5 ללא שימוש בקיטובים. כדי לוודא כי החללית ומדידות אינם נוטים חפצים תנועה להדק את הלהקה אלסטית, כך שהוא חזק מספיק כדי להתנגד לתנועה אבל רופף מספיק כדי למנוע כל אי נוחות לנושא. לאחר מכן בדוק את עקומות התיקון האוטומטי כך עקומת התיקון האוטומטי נרקב לאחד עבור זמני מתאם ארוכים יותר.לאחר מכן ודא כי הנושא יושב בתנוחה נוחה בעיניים עצומות. מניחים את הבדיקה האופטית של מערכת FD-fNIRS על המצח הסמוך לגשוש DCS ולחצו על 'רכוש' בתוכנת הרכישה FD-fNIRS. נתונים אלה יספקו תכונות אופטיות סטטיות, פרמטרי ספיגה ופרמטרים מפוזרים שישמש לכימות הפרמטר האופטי הדינמי.כאשר כל הציוד מוכן, הורה לנושא למזער את כל התנועות במהלך המדידה ולכבות את האורות. לאחר השלמת מדידות FD-fNIRS, לחץ על הפעל בממשק רכישת הנתונים של DCS ואאסוף נתונים למשך שמונה דקות בסך הכל עם זמן אינטגרציה מרבי של שתי שניות. בניתוח מייצג זה נמדדה קישוריות תפקודית של מצב מנוחה בקליפת המוח הקדם-מצחית בתשעה נושאים.מתאם גבוה יותר נצפה באזור הבין-אזורי של קליפות המוח השמאלית והימין מאשר נמדד באזור הבין-אזורי של קליפות המוח השמאלית והימין. יתר על כן, ניתוח T-test המשווה את החיבורים הבין-אזוריים והבין-אזוריים של מצב המנוחה התפקודי של שני הקורטיות חשף הבדל משמעותי בין ערכים אלה. חשוב לוודא כי הפרמטרים DCS נמצאים בטווחים המקובלים כמו כישלון לבצע כראוי שלבים אלה עלול לגרום לרכישת נתונים שאינם שמיש.ספקטרוסקופיית מתאם מפוזרת יכולה לספק מדידה לא פולשנית של זרימת הדם. מה שהופך אותו לכלי שימושי לחקר הקישוריות התפקודית של המוח המנוחה או הפעיל על הגירויים השונים. מדידות לא פולשניות של זרימת הדם שימושיות להערכת טיפולים וטיפולים למחלות נוירולוגיות.בעת ביצוע הליך זה, הקפד תמיד לעקוב אחר הנחיות בטיחות הלייזר המתאימות.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

שיפר שיטה להכנה מבוססת תאים, דגם מגע אנושי של מחסום דם המוח

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 של יחיד RNA מולקולות על ידי מלקחיים אופטיים

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

באמצעות תמסורת אופטית יוצאת דופן לכמת סמנים לב בנסיוב אדם

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

רקמות מבוסס Agarose מחקה פאנטום אופטי עבור ' מאטום לשקוף ' ספקטרוסקופיה

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

ניטור לא הורסות של פיתוח מתכלה מבוססי לגרדום רקמות מהונדסים כלי דם באמצעות טומוגרפיה אופטית קוהרנטית

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

לוציפר צהוב-מרקר חזק הקרנף מסמן במודל תא של מכשול הדם האנושי-מוח

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

מהצד הפנים-לב-אש קטטר אור עבור ניטור מטבוליזם הסלולר באמצעות בליעה בספיגת העבר של הלבבות המגברים

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

ביו-מאמר מיקרומערכים למיקרוטקטיקה וניתוח מולקולרי של נויטרופילים אנושיים

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

יצירת תנאי סביבה דינמיים באמצעות מכשיר מיקרופלואידי בעל תפוקה גבוהה

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

אולטרסאונד דופלר חוצה תותח פונקציונלי לניטור זרימת הדם במוח

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