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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著者らは、オハイオ第三フロンティアからオハイオイメージング研究イノベーションネットワーク(OIRAIN、667750)、中国国立自然科学財団(No. 81771876)への財政的支援を認めたい。

この議定書はライト州立大学の制度審査委員会によって承認され、実験の前に各参加者からインフォームド・コンセントが得られた。
1. 対象準備
<ol><li>FD-fNIRSおよびDCSシステムの電源を入れ、被験者の測定を開始する前に、少なくとも10分間ウォームアップします(詳細はセクション2と3を参照)。コンパクトなDCS計測器による被験者測定の例を図1に...

CBFを正確に検出したRSFCをDCSで測定したかどうかを判断するために、既知のRSFC特性を有する脳の2つの領域を調べた。DLFC 領域間および DLFC と IFC 間の機能的な接続は,、57、58、59が存在すると想定されます。58地域内接続が通常高いため、左右の DLFC 内の 2 つのサイト間の接続性が選択されました。また、地域間の接続性が?...

脳が安静状態にあるとき、それは近くまたは遠くから見ることができる機能的に関連する領域における自発的な活動の高い同期を示す。これらの同期領域は、機能,ネットワーク1,、2,、3、4、 5,、6、7、68、9 と呼ばれます。この現象は、脳血,5,10の酸素濃度を示す血中酸素濃度依存(BOLD)信号を用いた機能的磁気共鳴画像法(fMRI)研究によって最初に明らかになった。RSFCの異常は、自閉症11、アルツハイマー12、およびうつ病13などの脳障害と関連している。したがって、RSFCは、タスクベースの評価を行うのに問題がある障害を有する患者を研究するための貴重なツールである。しかし、若い自閉症児のような多くの患者は、14,15,15の長期にわたって限られた空間の中に残存する必要があるため、fMRIによる評価の候補が乏しい。光学イメージングは高速でウェアラブルです。したがって、大多数の患者、特に小児人口16、17、18、19、20、21、22、23、24に適しています。16,17,18,19,20,21,22,23,24これらの利点を利用して、脳内のヘモグロビン濃度および酸素飽和パラメータを定量化できる機能近赤外分光法(fNIRS)は、ヒト(小児集団44、8、258,25および自閉症患者11を含む)におけるRSFCを測定するために使用される。
光学拡散相関分光法(DCS)は、比較的新しい光学技術であり、酸素供給,を代謝,6、17、26、27、28、2917,26,27と関連付ける重要なパラメータである脳血流を定量することができる。62829DCSによって定量された光学流れコントラストは、酸素化対比30と比較して脳内でより高い感度を有することが示されている。従って、RSFCを評価するためのDCS由来CBFパラメータを利用することは有利である。
DCSは血液細胞の移動に敏感です。光子が移動する血液細胞から散乱すると、検出された光の強度が時間の経過とともに変動する。DCSは時間ベースの強度自己相関関数を測定し、その減衰速度は光学パラメータおよび血流に依存する。これらの値は、最終的に脳血流指数 (CBFi) を取得するために使用されます。より速く動く血液細胞によって、強度の自己相関関数はより速く崩壊する。したがって、組織表面の深部の運動に関する,情報は、時間,,27、31、32、33、34、35の27,経時に拡散光変動の測定値から(例えば、脳内)から導き出すことができる。31,32333435DCSは、血液酸素化17、36,36を測定する広く知られているfNIRSを補完する技術である。fNIRSとDCSはどちらも、ミリ秒の範囲で高い時間分解能を持つ光脳イメージング技術であるため、光学イメージングのセットアップはfMRIよりも動きのアーティファクトに対してはるかに敏感ではありません。彼らはまた、小児集団における機能的な脳イメージングにも成功しており、非常に若い乳児16人を含む。これまで、浅体血流測定は、マウス37における前臨床試験におけるRSFCを評価するために使用されてきた。ここでは、血流パラメータは、概念実証研究38、39,39として9人の健康な成人のRSFCを定量化するために使用される。
本研究では、商用FD-fNIRSシステムとカスタムDCSシステムを使用します(資料表を参照)。社内で製造されたDCSは、FCコネクタに結合された2つの785 nm、100 mW、長いコヘレンス長連続波レーザー、およびオートコリレータに接続された8台のシングルフォトン計数機(SPCM)で構成されています。カスタムソフトウェアグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)も、このシステムのために、各SPCMチャンネルのフォトン数、自己相関曲線、半定量的血流をリアルタイムで表示および保存するために特別に作られました。このシステムの,部品はDCS16、17、31、32、40、42、43、4417,31,32,40,42に一般的に使用され、43得られた結果は、社内で検証され、最近の研究で使用されています39.1644

<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

人間の脳の包括的な理解を得るためには、脳の酸素供給に関する重要な血行性パラメータであるため、コントラストの源としての脳血流(CBF)の利用が望まれている。酸素化コントラストに基づく低周波変動の安静状態は、機能的に接続された領域間の相関を提供することが示されている。提示されたプロトコルは、光拡散相関分光法(DCS)を使用して、ヒト脳における血流ベースの安静状態機能接続性(RSFC)を評価する。ヒト前頭皮質におけるCBFベースのRSFCの結果は、両方の皮質の領域間RSFCと比較して、領域内RSFCが左右皮質において有意に高いことを示している。このプロトコルは、特に小児集団において、ヒトの脳機能を研究するためにマルチモーダルイメージング技術を採用する研究者に関心を持つべきである。

DCS を使用して機能接続を測定する可能性は、正常に39.9人の被験者の前頭前野における安静状態機能接続性を測定した。結果(平均±SD)は、左(0.64±0.25)および右(0.62±0.23)の皮質の領域内で高い相関を示し、 左の地域間領域(0.32 ±0.32)(0.34±0.27)および右(0.34±0.29)、(0.34±0.26)皮質と比較した。(図5)0.8の力と有意水準0.05のパワー分析も行われ、サンプルサイズ?...

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

このプロトコルは、カスタムメイドの拡散相関分光法装置を用いて、ヒト前頭前野の安静状態機能接続性を測定する方法を示す。また、実験の実務上の側面や、データを分析するための詳細な手順についても説明します。

脳血流ベースの安静状態機能性コネクティビティ(光学拡散相関分光法)

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 ...

このプロトコルは、安静状態の間に脳の血流を評価するために可変光学プローブを利用する。この手法の重要な利点は、その移植性です。ベッドサイドモニタリングに最適です。ウェアラブルプローブは、診断および治療用途の両方の被験者の自然環境で安静状態機能接続測定を得ることを可能にする。このプロトコルは、休止状態機能接続測定中の脳血流を評価するために、ウェアラブル光学プローブを利用する。チエン・プーンとの手順を実証することは、私の研究室の大学院生であるベン・リネハートです。分析を開始する少なくとも10分前に、FD-fNIRSとDCSの電源を光変調と検出器電圧でパワーアップします。巻尺を使用して、被検者の頭上の鼻とイニオンの間の距離を測定します。開始点としてナションを使用して、インク マーカーを使用して、開始までの距離の 10% の位置を指定します。マークされたポイントがFp1とFp2の間になるように、被験者の頭の上にEEG 10/20キャップを置きます。 左皮質のFp1とF7の間の点と右皮質のFp2とF8の間の点をマークして、上前頭前野と側側前頭前野の境界、および左半球と右半球の下側前頭前野との境界をそれぞれ設定します。3D プリントプローブを使用して、マルチモードファイバーを 785 ナノメートルのレーザー光源に接続します。次に、別のシングルモード繊維を、皮質の両側のDs位置にあるマルチモード繊維の1センチメートル下に配置し、シングルモード繊維のそれぞれを個々の単一光子計数機に接続します。シングルモード繊維をマルチモード繊維から2.75センチメートル離れ、左右の側側前頭前野に1本の繊維を配置し、下前頭前野に1本の繊維を配置します。マルチモード ファイバを新しくマークしたポイントに配置します。FD-fNIRSシステムのキャリブレーションを準備するには、ライトをオフにして、グラフィックユーザーインターフェースのデータ収集ソフトウェアを開きます。自動バイアスボタンをクリックして検出器のゲインを調整し、センサーを取り付けてキャリブレーションファントムに固定して最適な信号を得ます。過電圧警告が点滅する場合は、ゲインを下げます。最大信号が得られた後、バックグラウンド光漏れを検出器で測定できるように、いずれかのソースファイバを切断します。そして、対応するソースファイバの測定期間あたり、直流電流が20カウント未満であることを確認します。次に、すべてのソースと検出器で適切な信号レベルの読み出しを確認し、キャリブレーションをクリックします。システムは測定を行い、キャリブレーション係数を適用して、既知のファントムの光学特性を正しく測定します。次に、標準ファントム上のシステムパフォーマンスの記録を提供するキャリブレーションデータをログに記録します。DCS をセットアップするには、システムのレーザー光源と単光子計数機を少なくとも 10 分間温めます。グラフィック・ユーザー・インターフェース・システム取得ソフトウェアでは、グラフィカル・ユーザー・インターフェースを検査して、1 秒あたり少なくとも 5,000 カウント、1,000,000 カウント/秒未満を取得して、各ファイバーの接触を確認します。各検出器から十分なフォトン数レベルが得られていることを確認するには、フォトン数レベルとほぼリアルタイムの自己相関曲線を確認します。周囲光漏出のない十分なファイバ接触を確認するには、自己相関曲線の y-切片を確認します。最適値は偏光子を使用せずに約1.5です。プローブと測定が動きアーティファクトになりやすいものではないことを確認するには、弾性バンドが動きに抵抗するのに十分なタイトですが、被写体に不快感を与えないように緩くなります。次に、自己相関曲線が1に減衰して相関時間が長くなるような自己相関曲線を確認します。次に、被験者が目を閉じて快適な位置に座っていることを確認します。FD-fNIRS システムの光学式プローブを、DCS プローブの額に隣接して置き、FD-fNIRS 取得ソフトウェアの取得をクリックします。このデータは、動的光学パラメータの定量化に使用される静的光学特性、吸収パラメータ、および散乱パラメータを提供します。すべての機器の準備ができたら、測定中の動きを最小限に抑え、照明を消すように被験者に指示します。FD-fNIRS 測定が完了したら、DCS データ収集インターフェースで「実行」をクリックし、最大 2 秒の統合時間で合計 8 分間データを収集します。この代表的な分析では、前頭前野における安静状態機能接続性を9人の被験者で測定した。左右皮質の領域内領域では、左右の皮質の領域間領域を測定した場合よりも高い相関が認められた。また、両皮質の相互および地域間休止状態機能接続を比較したT検定分析は、これらの値間に有意な差を明らかにした。DCS パラメータが許容範囲内にあるか確認することは重要であり、これらの手順を適切に実行しないと、使用できないデータが取得される可能性があります。拡散相関分光法は、血流の非侵襲的測定を提供することができる。様々な刺激に休息またはアクティブな脳の機能的な接続性を研究するための有用なツールにする。血流の非侵襲的な測定は、神経疾患の治療および治療の評価に有用である。この手順を実行する場合は、必ず適切なレーザー安全ガイドラインに従ってください。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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人間の細胞に基づく、血液脳関門の接触モデルの作製のための改善された方法

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ひと血清における心筋バイオ マーカーを定量化する臨時の光伝送を使用してください。

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Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

拡散反射率分光用光学ファントムを模倣したアガロース ベース組織

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光干渉断層計を用いた分解足場ベース組織設計血容器開発の非破壊モニタリング

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Lucifer Yellow - A Robust Paracellular Permeability Marker in a Cell Model of the Human Blood-brain Barrier

ルシファーイエロー - ヒト血液脳関門の細胞モデルにおける堅牢な細胞透過性マーカー

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

浸透哺乳動物の心臓のトランスムラル吸光分光法を用いた細胞代謝モニタリングのための心臓内側発射光カテーテル

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

ヒト好中球群れの化学化学および分子解析のための生体微粒子マイクロアレイ

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

ハイスループットマイクロ流体装置を用いた動的環境条件の生成

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

脳血流をモニタリングするための機能性経頭蓋ドップラー超音波

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