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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Gli autori desiderano riconoscere il sostegno finanziario dell'Ohio Third Frontier all'Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750) e alla National Natural Science Foundation of China (n. 81771876).

Il protocollo è stato approvato dall'Institutional Review Board della Wright State University, e il consenso informato è stato ottenuto da ogni partecipante prima dell'esperimento.
1. Preparazione del soggetto
<ol><li>Accendere il sistema FD-fNIRS e DCS per riscaldarsi per almeno 10 min (vedere le sezioni 2 e 3 per ulteriori dettagli) prima di iniziare qualsiasi misurazione del soggetto. Un esempio di misurazione del soggetto con lo strumento DCS compatto è illustrato nella <strong class=...

Per determinare se CBF misurato da DCS accuratamente rilevato RSFC, due aree del cervello con proprietà RSFC note sono state esaminate. Si presuppone che la connettività funzionale tra le aree DLFC e tra DLFC e IFC esistanoto 57,58,59. È stata scelta la connettività tra due siti all'interno del DLFC sinistro e destro, perché la connettività intraregionale è in genere più elevata. Inoltre, è stata scelta la connettività...

Quando il cervello è in uno stato di riposo, dimostra un'alta sincronizzazione di attività spontanea in regioni funzionalmente correlate, che può essere situata nelle vicinanze o da una distanza. Queste aree in-sync sono note come reti funzionali1,2,3,4,5,6,7,8,9. Questo fenomeno è stato scoperto per la prima volta da uno studio di risonanza magnetica funzionale (fMRI) che utilizza segnali dipendenti dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) che indicano i livelli di ossigenazione del sangue cerebrale5,10, noto anche come connettività funzionale dello stato a riposo (RSFC). Anomalie in RSFC sono stati associati con disturbi cerebrali come l'autismo11, Morbo di Alzheimer12, e la depressione13. Così, RSFC è uno strumento prezioso per studiare i pazienti con disturbi che hanno difficoltà a eseguire valutazioni basate su attività. Tuttavia, molti pazienti, come i bambini autistici giovani, sono poveri candidati per la valutazione da parte della fMRI, in quanto richiede di rimanere ancora all'interno di uno spazio confinato per lunghi periodi di tempo14,15. L'imaging ottico è veloce e indossabile; così, è adatto per la maggior parte dei pazienti, in particolare la popolazione pediatrica16,17,18,19,20,21,22,23,24. Utilizzando questi vantaggi, la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS), che può quantificare la concentrazione di emoglobina e i parametri di saturazione di ossigeno nel cervello, viene utilizzata per misurare la RSFC negli esseri umani (compresa la popolazione pediatrica4,8,25 e pazienti con autismo11).
La spettroscopia ottica di correlazione diffusa (DCS), una tecnica ottica relativamente nuova, può quantificare il flusso sanguigno cerebrale, che è un parametro importante che associa l'apporto di ossigeno al metabolismo6,17,26,27,28,29. Il contrasto del flusso ottico quantificato dalla MDD ha dimostrato di avere una maggiore sensibilità nel cervello rispetto al contrasto di ossigenazione30. Pertanto, l'utilizzo dei parametri CBF derivati da DCS per la valutazione di RSFC è vantaggioso.
La MDD è sensibile alle cellule del sangue in movimento. Quando i fotoni diffarsi si disperdono dalle cellule del sangue in movimento, l'intensità della luce rilevata fluttua nel tempo. La DCS misura una funzione di autocorrelazione dell'intensità basata sul tempo e il suo tasso di decadimento dipende dai parametri ottici e dal flusso sanguigno. Questi valori vengono infine utilizzati per ottenere l'indice del flusso sanguigno cerebrale (CBFi). Con le cellule del sangue in movimento più veloci, la funzione di autocorrelazione dell'intensità decade più velocemente. Pertanto, le informazioni sul movimento in profondità sotto la superficie del tessuto possono essere derivate (ad esempio, nel cervello) dalle misurazioni della diffazione delle fluttuazioni della luce nel tempo27,31,32,33,34,35. La MDD è una tecnica complementare al fNIRS ampiamente noto che misura l'ossigenazione del sangue17,36. Poiché sia fNIRS che DCS sono tecniche ottiche di imaging cerebrale con alta risoluzione temporale nell'intervallo di millisecondi, i set-up di imaging ottico sono molto meno sensibili agli artefatti di movimento rispetto alla fMRI. Sono stati utilizzati con successo anche per l'imaging cerebrale funzionale nelle popolazioni pediatriche, compresi i neonati molto piccoli16. In precedenza, sono state utilizzate misurazioni superficiali del flusso sanguigno per valutare la RSFC negli studi preclinici nei topi37. Qui, i parametri del flusso sanguigno vengono utilizzati per quantificare RSFC in nove adulti sani come uno studio proof-of-concept38,39.
In questo studio vengono utilizzati un sistema commerciale FD-fNIRS e un sistema DCS personalizzato(vedere Tabella dei materiali). Il DCS che è stato costruito in-house è composto da due 785 nm, 100 mW, lunghi laser a onde continue di coerenza che sono accoppiati a un connettore FC e otto macchine per il conteggio di foto singolo (SPCM) collegate a un auto-correlatore. Un'interfaccia utente grafica (GUI) software personalizzata è stata creata anche appositamente per questo sistema per visualizzare e salvare i conteggi dei fotoni, le curve di autocorrelazione e il flusso sanguigno semi-quantitativo di ogni canale SPCM in tempo reale. Le parti di questo sistema sono comunemente utilizzate per DCS16,17,31,32,40,42,43,44, e i risultati ottenuti sono stati anche verificati internamente e utilizzati in un recente studio39.

<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

Per ottenere una comprensione completa del cervello umano, l'utilizzo del flusso sanguigno cerebrale (CBF) come fonte di contrasto è desiderato perché è un parametro emodinamico chiave relativo all'apporto di ossigeno cerebrale. È stato di riposo le fluttuazioni a bassa frequenza basate sul contrasto di ossigenazione hanno dimostrato di fornire correlazioni tra regioni funzionalmente connesse. Il protocollo presentato utilizza la spettroscopia di correlazione diffusa ottica (DCS) per valutare la connettività funzionale dello stato di riposo basata sul flusso sanguigno (RSFC) nel cervello umano. I risultati di RSFC basati su CBF nella corteccia frontale umana indicano che rsFC intraregionale è significativamente più alto nei cortici sinistro e destro rispetto al RSFC interregionale in entrambe le cortice. Questo protocollo dovrebbe essere di interesse per i ricercatori che impiegano tecniche di imaging multimodale per studiare la funzione del cervello umano, specialmente nella popolazione pediatrica.

La fattibilità dell'utilizzo di DCS per misurare la connettività funzionale è stata esordiata con successo39. È stata misurata la connettività funzionale dello stato di riposo nelle cortice prefrontali di nove soggetti. I risultati (media - SD) indicavano una correlazione più elevata nell'area intraregionale di sinistra (0,64 x 0,25) e a destra (0,62 x 0,23) cortici, rispetto alla regione interregionale della sinistra (0,32 x 0,32), (0,34 x 0,27) e a destra (0,34 x 0,29), (0,34 x 0,26) corti...

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

Questo protocollo dimostra come misurare la connettività funzionale dello stato di riposo nella corteccia prefrontale umana utilizzando uno strumento di spettroscopia di correlazione diffusa su misura. La relazione discute anche gli aspetti pratici dell'esperimento e le fasi dettagliate per l'analisi dei dati.

Connettività funzionale dello stato di riposo basato sul flusso sanguigno cerebrale del cervello umano utilizzando la spettroscopia ottica di correlazione diffusa

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 ...

Questo protocollo utilizza sonde ottiche variabili per valutare il flusso sanguigno cerebrale durante lo stato di riposo. Un importante vantaggio di questa tecnica è la sua portabilità. Rendendolo adatto per il monitoraggio al capezzale.La sonda indossabile consente di ottenere misurazioni della connettività funzionale allo stato di riposo in ambienti naturali dei soggetti sia per applicazioni diagnostiche che terapeutiche. Questo protocollo utilizza sonde ottiche indossabili per valutare il flusso sanguigno cerebrale durante le misurazioni della connettività funzionale dello stato di riposo. A dimostrare la procedura con Chien Poon sarà Ben Rinehart, uno studente laureato del mio laboratorio.Almeno 10 minuti prima di iniziare l'analisi, alimentare fd-fNIRS e DCS con una modulazione della luce e tensione del rivelatore. Utilizzare un metro a nastro per misurare la distanza tra la nasione e l'inione sulla testa del soggetto. Utilizzando la nasione come punto di partenza, utilizzare un indicatore di input penna per designare la posizione che è il 10% della distanza dall'inione.Posizionare un tappo EEG 10/20 sulla testa del soggetto in modo che il punto contrassegnato sia compreso tra Fp1 e Fp2. Segnare il punto tra Fp1 e F7 sulla corteccia sinistra e il punto tra Fp2 e F8 sulla corteccia destra per fare i confini tra la corteccia prefrontale superiore e la corteccia prefrontale dorsolaterale e tra la corteccia prefrontale dorsolaterale e la corteccia prefrontale anteriore inferiore, rispettivamente per l'emisfero sinistro e destro. Utilizzando una sonda stampata in 3D, collegare le fibre multi-mode alla sorgente di luce laser da 785 nanometri.Quindi posizionare un'altra fibra mono-modalità di un centimetro sotto le fibre multi-modalità nella posizione Ds su entrambi i lati della corteccia e collegare ciascuna delle fibre mono-modalità alle singole macchine per il conteggio dei fotoni singoli. Posizionare le fibre monofase a 2,75 centimetri di distanza dalle fibre multi-modalità e posizionare una fibra sui cortici prefrontali dorsali sinistro e destro e una fibra sulla corteccia prefrontale inferiore. E posizionare le fibre multi-mode sui punti appena contrassegnati.Per preparare il sistema FD-fNIRS per la calibrazione, spegnere eventuali luci e aprire il software di acquisizione dati dell'interfaccia utente grafica. Fare clic sul pulsante di polarizzazione automatica per regolare il guadagno del rilevatore per ottenere un segnale ottimale con il sensore collegato e fissato a un fantasma di calibrazione. Se l'avviso di sovratensione lampeggia, abbassare il guadagno.Dopo aver ottenuto il segnale massimo, scollegare una delle fibre di sorgente in modo che la perdita di luce di fondo possa essere misurata dal rilevatore. E verificare che la corrente continua sia inferiore a 20 conteggi per periodo di misurazione per la fibra sorgente corrispondente. Quindi, verificare la corretta lettura del livello del segnale su ogni sorgente e rilevatore e fare clic su calibra.Il sistema prenderà misure e applicherà fattori di calibrazione per misurare correttamente le proprietà ottiche del fantasma noto. Quindi registrare i dati di calibrazione, che forniranno una registrazione delle prestazioni del sistema su un phantom standard. Per configurare il DCS, riscaldare le sorgenti di luce laser del sistema e le macchine per il conteggio dei fotoni singoli per almeno 10 minuti.Nel software di acquisizione del sistema di interfaccia utente grafica, verificare il contatto di ogni fibra controllando l'interfaccia utente grafica in modo da ottenere almeno 5.000 conteggi al secondo e inferiori a 1.000.000 conteggi al secondo. Per verificare i livelli di conteggio dei fotoni sufficienti ottenuti da ciascun rivelatore, controllare il livello di conteggio dei fotoni e le curve di autocorrelazione quasi in tempo reale. Per verificare un contatto sufficiente con le fibre senza perdite di luce ambientale, controllare l'intercetta y della curva di autocorrelazione.Il valore ottimale è di circa 1,5 senza l'uso di polarizzatori. Per verificare che la sonda e le misurazioni non siano soggette a artefatti di movimento stringono la banda elastica in modo che sia abbastanza stretta da resistere al movimento ma abbastanza sciolta da evitare qualsiasi disagio al soggetto. Quindi controllare le curve di autocorrelazione in modo che la curva di autocorrelazione decadi in una per tempi di correlazione più lunghi.Quindi conferma che il soggetto è seduto in una posizione comoda con gli occhi chiusi. Posizionare la sonda ottica del sistema FD-fNIRS sulla fronte adiacente alla sonda DCS e fare clic su Acquisisci nel software di acquisizione FD-fNIRS. Questi dati forniranno proprietà ottiche statiche, parametri di assorbimento e parametri di dispersione che verranno utilizzati per la quantificazione del parametro ottico dinamico.Quando tutta l'apparecchiatura è pronta, istruire il soggetto a ridurre al minimo eventuali movimenti durante la misurazione e spegnere le luci. Dopo aver completato le misurazioni FD-fNIRS, fare clic su Esegui nell'interfaccia di acquisizione dati DCS e raccogliere dati per un totale di otto minuti con un tempo massimo di integrazione di due secondi. In questa analisi rappresentativa, la connettività funzionale dello stato di riposo nelle cortici prefrontali è stata misurata in nove soggetti.una correlazione più elevata è stata osservata nella regione intraregionale dei cortici sinistro e destro rispetto alla regione interregionale della cortici sinistra e destra. Inoltre, l'analisi t-test confrontando le connettività funzionali dello stato di riposo interregionale e interregionale di entrambe le cortici ha rivelato una differenza significativa tra questi valori. È importante verificare che i parametri DCS si trovano all'interno degli intervalli accettabili in quanto la mancata esecuzione di questi passaggi può comportare l'acquisizione di dati inutilizzabili.La spettroscopia di correlazione diffusa può fornire una misurazione non invasiva del flusso sanguigno. Rendendolo uno strumento utile per studiare la connettività funzionale del cervello a riposo o attivo sulle varie stimolazioni. Le misurazioni non invasive del flusso sanguigno sono utili per la valutazione di trattamenti e terapie per malattie neurologiche.Quando si esegue questa procedura, assicurarsi di seguire sempre le linee guida di sicurezza laser appropriate.

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