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

Forfatterne ønsker å anerkjenne økonomisk støtte fra Ohio Third Frontier til Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), og National Natural Science Foundation of China (nr. 81771876).

Protokollen ble godkjent av Institutional Review Board ved Wright State University, og informert samtykke ble innhentet fra hver deltaker før eksperimentet.
1. Forberedelse av
<ol><li>Strøm opp FD-fNIRS- og DCS-systemet for å varme opp i minst 10 minutter (se avsnitt 2 og 3 for mer informasjon) før du starter noen målinger av motivet. Et eksempel på emnemåling med det kompakte DCS-instrumentet vises i figur 1.</li>
	<li>Bruk først et målebånd for å m?...

For å finne ut om CBF målt ved DCS nøyaktig oppdaget RSFC, ble to områder av hjernen med kjente RSFC-egenskaper undersøkt. Funksjonell tilkobling mellom DLFC-regioner og mellom DLFC og IFC antas å eksistere57,58,59. Tilkobling mellom to områder i venstre og høyre DLFC ble valgt, fordi den intraregionale tilkoblingen vanligvis er høyere. Tilkobling mellom IFC og DLFC ble også valgt, da den interregionale tilkoblingen er...

Når hjernen er i hviletilstand, viser den en høy synkronisering av spontan aktivitet i funksjonelt relaterte regioner, som kan ligge i nærheten eller på avstand. Disse synkroniserte områdene er kjent som funksjonelle nettverk1,,2,,3,,4,5,6,7,8,9. Dette fenomenet ble først avdekket av en funksjonell magnetisk resonansavbildningsstudie (fMRI) ved hjelp av blodoksygennivåavhengige (BOLD) signaler som indikerer oksygeneringsnivåer i hjerneblodet5,,10, også kjent som hviletilstandfunksjonell tilkobling (RSFC). Abnormiteter i RSFC har vært forbundet med hjernesykdommer som autisme11, Alzheimers12, og depresjon13. Dermed er RSFC et verdifullt verktøy for å studere pasienter med lidelser som har problemer med å utføre oppgavebaserte vurderinger. Men mange pasienter, som små autistiske barn, er dårlige kandidater til vurdering av fMRI, da det krever å forbli fortsatt inne i et begrenset rom i lengre,perioder,15. Optisk bildebehandling er rask og bærbar; Dermed er det egnet for et flertall av pasientene, spesielt den pediatriske befolkningen16,17,18,19,20,21,22,23,24. Ved hjelp av disse fordelene brukes funksjonelle nær-infrarødspektroskopi (fNIRS), som kan kvantifisere hemoglobinkonsentrasjon og oksygenmetningsparametere i hjernen, brukes til å måle RSFC hos mennesker (inkludert barnepopulasjonen4,,8,25 og pasienter med autisme11).
Optisk diffus korrelasjonspektroskopi (DCS), en relativt ny optisk teknikk, kan kvantifisere cerebral blodstrøm, som er en viktig parameter som forbinder oksygentilførsel med metabolisme6,,17,,26,,27,28,29. Optisk strømningskontrast kvantifisert av DCS har vist seg å ha høyere følsomhet i hjernen sammenlignet med oksygeneringskontrast30. Dermed er bruk av DCS-avledede CBF-parametere for vurdering av RSFC en fordel.
DCS er følsom for å flytte blodceller. Når du sprer fotoner sprer seg fra å bevege blodceller, fører dette til at intensiteten av detekterelys svinger over tid. DCS måler en tidsbasert intensitet autokorrelasjonsfunksjon og forfallsraten er avhengig av optiske parametere og blodstrøm. Disse verdiene brukes til slutt til å oppnå cerebral blodstrømindeks (CBFi). Med raskere bevegelige blodceller forfaller intensiteten autokorrelasjonsfunksjonen raskere. Derfor kan informasjon om bevegelse dypt under vevsoverflaten avledes (f.eks. i hjernen) fra målinger av diffuse lyssvingninger over tid27,31,32,33,34,35. DCS er en teknikk som komplementære til den allment kjente fNIRS som måler blod oksygenering17,36. Siden både fNIRS og DCS er optiske hjerneavbildningsteknikker med høy temporal oppløsning i området millisekunder, er de optiske bildeoppsettene langt mindre følsomme for bevegelsesartefakter enn fMRI. De har også blitt brukt til funksjonell hjerneavbildning i pediatriske populasjoner, inkludert svært små spedbarn16. Tidligere har overfladiske blodstrømsmålinger blitt brukt til å vurdere RSFC i prekliniske studier på mus37. Her brukes blodstrømsparametre til å kvantifisere RSFC hos ni friske voksne som en konseptbevisstudie38,39.
I denne studien brukes et kommersielt FD-fNIRS-system og tilpasset DCS-system(se Materialtabellen). DCS som ble bygget internt består av to 785 nm, 100 mW, lang sammenheng lengde kontinuerlig-bølge lasere som er koblet til en FC kontakt og åtte single-foton tellemaskiner (SPCM) koblet til en auto-korrelator. Et tilpasset programvare grafisk brukergrensesnitt (GUI) ble også laget spesielt for at dette systemet skulle vise og lagre fotontellingene, autokorrelasjonskurver og semikvantitativ blodstrøm av hver SPCM-kanal i sanntid. Delene i dette systemet brukes ofte for DCS16,17,31,32,40,42,43,44, og de oppnådde resultatene har også blitt verifisert internt og brukt i en nylig 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

For å oppnå en omfattende forståelse av den menneskelige hjernen, er utnyttelse av cerebral blodstrøm (CBF) som kontrastkilde ønsket fordi det er en viktig hemodynamisk parameter relatert til cerebral oksygentilførsel. Hviletilstand lavfrekvente svingninger basert på oksygenering kontrast har vist seg å gi sammenhenger mellom funksjonelt tilkoblede regioner. Den presenterte protokollen bruker optisk diffus korrelasjonspektroskopi (DCS) for å vurdere blodstrømsbasert hviletilstand funksjonell tilkobling (RSFC) i den menneskelige hjernen. Resultatene av CBF-baserte RSFC i human frontal cortex indikerer at intra-regionale RSFC er betydelig høyere i venstre og høyre kortisaner sammenlignet med interregionale RSFC i begge kortiklene. Denne protokollen bør være av interesse for forskere som bruker multi-modal bildeteknikker for å studere menneskelig hjernefunksjon, spesielt i den pediatriske befolkningen.

Muligheten for å bruke DCS til å måle funksjonell tilkobling ble vellykket demostert39. Hviletilstanden funksjonell tilkobling i prefrontal kortiser av ni ble målt. Resultatene (gjennomsnitt ± SD) indikerte en høyere korrelasjon i den intraregionale regionen til venstre (0,64 ± 0,25) og høyre (0,62 ± 0,23) kortices, sammenlignet med den interregionale regionen til venstre (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) og høyre (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) kortiices. (Figur 5</stro...

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

Denne protokollen demonstrerer hvordan man måler hviletilstandfunksjonell tilkobling i den menneskelige prefrontale cortex ved hjelp av et skreddersydd diffust korrelasjonspektroskopiinstrument. Rapporten diskuterer også praktiske aspekter ved eksperimentet samt detaljerte trinn for å analysere dataene.

Cerebral blodstrøm-basert hviletilstand funksjonell tilkobling av den menneskelige hjerne ved hjelp av optisk diffus korrelasjon spektroskopi

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 ...

Denne protokollen benytter variable optiske sonder for å evaluere hjernens blodstrøm under hviletilstanden. En viktig fordel med denne teknikken er dens portabilitet. Gjør den godt egnet for nattbordsovervåking.Den bærbare sonden gjør det mulig å oppnå funksjonelle tilkoblingsmålinger i naturlige miljøer hos fagene for både diagnostiske og terapeutiske applikasjoner. Denne protokollen benytter bærbare optiske sonder for å evaluere hjernens blodstrøm under hviletilstand funksjonelle tilkoblingsmålinger. Viser prosedyren med Chien Poon vil være Ben Rinehart, en grad student fra laboratoriet mitt.Minst 10 minutter før analysen startet, slå på FD-fNIRS og DCS med lysmodulasjon og detektorspenning. Bruk et målebånd for å måle avstanden mellom nasion og innion på motivets hode. Bruk nasionen som utgangspunkt til å bruke en blekkmarkør til å angi plasseringen som er 10 % av avstanden til innionen.Sett en EEG 10/20-hette på motivets hode slik at det markerte punktet er mellom Fp1 og Fp2. Merk punktet mellom Fp1 og F7 på venstre cortex og punktet mellom Fp2 og F8 på høyre cortex for å gjøre grensene mellom den overlegne prefrontale cortex og dorsolateral prefrontal cortex og mellom dorsolateral prefrontal cortex og dårligere prefrontal cortex for henholdsvis venstre og høyre halvkule. Bruk en 3D-trykt sonde til å koble multi-mode fibrene til 785 nanometer laserlyskilde.Plasser deretter en annen enkeltmodusfiber en centimeter under multi-modus fibrene på Ds-stedet på begge sider av cortex og koble hver av single-mode fibrene til individuelle enkelt-foton tellemaskiner. Plasser single-mode fibrene 2,75 centimeter unna multi-modus fibre og plassere en fiber på venstre og høyre dorsal laterale prefrontale kortikaler og en fiber på dårligere prefrontal cortex. Og plasser multi-modus fibre på de nylig merkede punktene.For å klargjøre FD-fNIRS-systemet for kalibrering, slå av alle lys og åpne den grafiske brukergrensesnittet datainnsamling programvare. Klikk på auto-bias-knappen for å justere detektorforsterkningen for å oppnå et optimalt signal med sensoren festet og festet til et kalibreringsfantom. Hvis overspenningsvarselet blinker, senker du forsterkning.Når det maksimale signalet er oppnådd, kobler du fra en av kildefibrene slik at bakgrunnslyslekkasjen kan måles av detektoren. Og kontroller at den direkte strømmen er mindre enn 20 tellinger per måleperiode for tilsvarende kildefiber. Kontroller deretter riktig signalnivåavlesning på hver kilde og detektor og klikker kalibrer.Systemet vil ta målinger og bruke kalibreringsfaktorer for å måle de optiske egenskapene til det kjente fantomet på riktig måte. Logg deretter kalibreringsdataene, som gir en oversikt over systemytelsen på et standard fantom. For å sette opp DCS, varm opp systemets laserlyskilder og tellemaskinene med ett foton i minst 10 minutter.I den grafiske brukergrensesnitt system oppkjøp programvare, kontroller kontakten til hver fiber ved å sjekke det grafiske brukergrensesnittet for å få minst 5000 teller per sekund og under 1000, 000 teller per sekund. For å kontrollere at de tilstrekkelige fotontellingsnivåene hentes fra hver detektor, kontrollerer du fotonantallsnivået og de nær sanntids autokorrelasjonskurvene. For å bekrefte en tilstrekkelig fiberkontakt uten omgivelseslyslekkasje, kontroller y-avskjæringen av autokorrelasjonskurven.Den optimale verdien er ca 1,5 uten bruk av polarisatorer. For å bekrefte at sonden og målingene ikke er utsatt for bevegelsesartefakter, strammer du det elastiske båndet slik at det er stramt nok til å motstå bevegelse, men løst nok til å forhindre ubehag for motivet. Kontroller deretter autokorrelasjonskurvene slik at autokorrelasjonskurven forfaller til en for lengre korrelasjonstider.Bekreft deretter at motivet sitter i en komfortabel posisjon med øynene lukket. Plasser den optiske sonden for FD-fNIRS-systemet på pannen ved siden av DCS-sonden, og klikk på Acquire i programvare for FD-fNIRS-oppkjøp. Disse dataene vil gi statiske optiske egenskaper, absorpsjonsparametere og spredningsparametere som skal brukes til kvantifisering av den dynamiske optiske parameteren.Når alt utstyret er klart, må du instruere motivet om å minimere bevegelser under målingen og slå av lysene. Når FD-fNIRS-målingene er fullført, klikker du Kjør i grensesnittet for DCS-datainnhenting og samler inn data i totalt åtte minutter med maksimalt to sekunders integrasjonstid. I denne representative analysen ble Hviletilstand funksjonell tilkobling i prefrontale kortikaler målt i ni forsøkspersoner.en høyere korrelasjon ble observert i den intraregionale regionen til venstre og høyre korti tices enn det som ble målt den interregionale regionen til venstre og høyre kortika. Videre viste T-testanalyse som sammenlignet den inter- og interregionale hviletilstandens funksjonelle forbindelser av begge kortikene en betydelig forskjell mellom disse verdiene. Det er viktig å kontrollere at DCS-parameterne er innenfor de akseptable områdene, da hvis du ikke utfører disse trinnene tilstrekkelig, kan det føre til anskaffelse av ubrukelige data.Diffus korrelasjonspektroskopi kan gi en ikke-invasiv måling av blodstrømmen. Gjør det til et nyttig verktøy for å studere den funksjonelle tilkoblingen til hvilende eller aktiv hjerne på de ulike stimuleringene. Ikke-invasive målinger av blodstrømmen er nyttige for evaluering av behandlinger og terapier for nevrologiske sykdommer.Når du utfører denne prosedyren, sørg for å alltid følge de riktige retningslinjene for lasersikkerhet.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Forbedret fremgangsmåte for fremstilling av en human cellebasert kontakt Model of the Blood-Brain Barrier

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 av Enkelt RNA-molekyler ved optisk pinsett

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

Med ekstraordinære optisk girkasse å kvantifisere Cardiac Biomarkers i humant 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-baserte vev Mimicking optisk Phantoms for diffus refleksjon spektroskopi

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

Ikke-ødeleggende overvåking av nedbrytbart stillaset-baserte vev-konstruert blod fartøy utvikling med Optical Coherence tomografi

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 Yellow-en robust paracellular permeabilitet markør i en celle modell av Human Blood-Brain Barrier

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-CARDIAC side-avfyring lys kateter for overvåking Cellular metabolisme bruker transmuralt absorbansen spektroskopi av Perfusert pattedyr hjerter

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

Biopartikkel Mikroarrayer for kjemotaktisk og molekylær analyse av human nøytrofil svermer 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

Generering av dynamiske miljøforhold ved hjelp av en mikrofluidisk enhet med høy gjennomstrømning

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

Funksjonell transkraniell doppler ultralyd for overvåking cerebral blodstrøm

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