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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Os autores gostariam de reconhecer o apoio financeiro da Terceira Fronteira de Ohio à Rede de Pesquisa e Inovação em Imagem de Ohio (OIRAIN, 667750), e à Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (nº 81771876).

O protocolo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da Wright State University, e o consentimento informado foi obtido de cada participante antes do experimento.
1. Preparação do assunto
<ol><li>Energize o sistema FD-fNIRS e DCS para aquecer por pelo menos 10 min (ver as seções 2 e 3 para obter mais detalhes) antes de iniciar quaisquer medições do assunto. Um exemplo de medição do assunto com o instrumento compacto DCS é mostrado na Figura 1</strong...

Para determinar se a CBF medida pelo DcS detectou com precisão o RSFC, duas áreas do cérebro com propriedades RSFC conhecidas foram examinadas. Acredita-se que a conectividade funcional entre as regiões DLFC e entre DLFC e IFC exista57,,58,,59. A conectividade entre dois locais dentro do DLFC esquerdo e direito foi escolhida, porque a conectividade intra-regional é geralmente maior. Além disso, a conectividade entre o IFC ...

Quando o cérebro está em estado de repouso, demonstra uma alta sincronização da atividade espontânea em regiões funcionalmente relacionadas, que podem ser localizadas próximas à proximidade ou à distância. Estas regiões em sincronia são conhecidas como redes funcionais1,,22,3,,4,,5,,66,77,8,,9. Este fenômeno foi descoberto pela primeira vez por um estudo de ressonância magnética funcional (fMRI) utilizando sinais dependentes do nível de oxigênio no sangue sanguíneo (BOLD) que indicam níveis de oxigenação do sangue cerebral5,10, também conhecido como conectividade funcional do estado de repouso (RSFC). Anormalidades na RSFC têm sido associadas a distúrbios cerebrais como autismo11, Alzheimer12e depressão13. Assim, o RSFC é uma ferramenta valiosa para estudar pacientes com transtornos que têm dificuldade em realizar avaliações baseadas em tarefas. No entanto, muitos pacientes, como crianças autistas jovens, são candidatos pobres para avaliação pela RMF, pois requer permanecer ainda dentro de um espaço confinado por longos períodos de tempo14,15. A imagem óptica é rápida e vestível; assim, é adequado para a maioria dos pacientes, particularmente a população pediátrica16,17,18,19,20,21,22,23,24. Utilizando-se dessas vantagens, a espectroscopia funcional de infravermelho (fNIRS), que pode quantificar a concentração de hemoglobina e os parâmetros de saturação de oxigênio no cérebro, é usada para medir o RSFC em humanos (incluindo a população pediátrica4,8,25 e pacientes com autismo11).
A espectroscopia de correlação difusa óptica (DCS), uma técnica óptica relativamente nova, pode quantificar o fluxo sanguíneo cerebral, que é um parâmetro importante que associa o fornecimento de oxigênio ao metabolismo6,,17,26,27,28,29. O contraste óptico de fluxo quantificado pelo DCS mostrou-se ter maior sensibilidade no cérebro em comparação com o contraste de oxigenação30. Assim, utilizar parâmetros da CBF derivados do DCS para avaliar o RSFC é vantajoso.
DcS é sensível a mover células sanguíneas. Ao difundir fótons espalhados por células sanguíneas em movimento, isso faz com que a intensidade da luz detectada flutue ao longo do tempo. O DCS mede uma função de autocorrelação de intensidade baseada no tempo e sua taxa de decaimento depende dos parâmetros ópticos e do fluxo sanguíneo. Esses valores são, em última análise, utilizados para obter o índice de fluxo sanguíneo cerebral (CBFi). Com células sanguíneas em movimento mais rápido, a função de autocorrelação de intensidade decai mais rápido. Portanto, informações sobre o movimento nas profundezas da superfície do tecido podem ser derivadas (por exemplo, no cérebro) a partir de medidas de flutuações de luz difusas ao longo do tempo27,,31,,32,,33,,34,35. DcS é uma técnica complementar ao fNIRS amplamente conhecido que mede a oxigenação sanguínea17,36. Como tanto fNIRS quanto DCS são técnicas ópticas de imagem cerebral com alta resolução temporal na faixa de milissegundos, as configurações ópticas de imagem são muito menos sensíveis a artefatos de movimento do que a ressonância magnética. Eles também têm sido usados com sucesso para imagens cerebrais funcionais em populações pediátricas, incluindo bebês muito jovens16. Anteriormente, medidas superficiais de fluxo sanguíneo foram utilizadas para avaliar o RSFC em estudos pré-clínicos em camundongos37. Aqui, os parâmetros de fluxo sanguíneo são usados para quantificar o RSFC em nove adultos saudáveis como um estudo de prova de conceito38,39.
Neste estudo, é utilizado um sistema Comercial FD-fNIRS e um sistema DCS personalizado(ver Tabela de Materiais). O DCS que foi construído internamente é composto por dois lasers de ondas contínuas de 785 nm, 100 mW, de longo comprimento de coerência que são acoplados a um conector FC e oito máquinas de contagem de fótons únicos (SPCM) conectadas a um auto-correlator. Uma interface gráfica de usuário (GUI) de software personalizado também foi feita especificamente para que este sistema exiba e salve as contagens de fótons, curvas de autocorrelação e fluxo sanguíneo semi-quantitativo de cada canal SPCM em tempo real. As peças deste sistema são comumente utilizadas para DCS16,17,31,32,40,42,43,44, e os resultados obtidos também foram verificados internamente e utilizados em um estudo recente39.

<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

Para obter uma compreensão abrangente do cérebro humano, a utilização do fluxo sanguíneo cerebral (CBF) como fonte de contraste é desejada porque é um parâmetro hemodinâmico chave relacionado ao suprimento de oxigênio cerebral. As flutuações de baixa freqüência do estado de repouso baseadas no contraste de oxigenação têm sido demonstradas para fornecer correlações entre regiões funcionalmente conectadas. O protocolo apresentado utiliza espectroscopia de correlação difusa óptica (DCS) para avaliar a conectividade funcional do estado de repouso baseado no fluxo sanguíneo (RSFC) no cérebro humano. Os resultados do RSFC baseado na CBF no córtex frontal humano indicam que o RSFC intra-regional é significativamente maior nos cortices esquerdo e direito em comparação com o RSFC inter-regional em ambos os cortices. Esse protocolo deve ser de interesse de pesquisadores que empregam técnicas multimodais de imagem para estudar a função cerebral humana, especialmente na população pediátrica.

A viabilidade do uso do DCS para medir a conectividade funcional foi desmostrada com sucesso39. Foi medida a conectividade funcional do estado de repouso nos cortices pré-frontais de nove sujeitos. Os resultados (média ± DP) indicaram maior correlação na região intra-regional da esquerda (0,64 ± 0,25) e direita (0,62 ± 0,23), em comparação com a região inter-regional da esquerda (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) e direita (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) cortices. (Figur...

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

Este protocolo demonstra como medir a conectividade funcional do estado de repouso no córtex pré-frontal humano usando um instrumento de espectroscopia de correlação difusa feito sob medida. O relatório também discute aspectos práticos do experimento, bem como etapas detalhadas para análise dos dados.

Conectividade funcional do estado de repouso do cérebro humano por meio de espectroscopia de correlação difusa óptica

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 ...

Este protocolo utiliza sondas ópticas variáveis para avaliar o fluxo sanguíneo cerebral durante o estado de repouso. Uma vantagem importante dessa técnica é sua portabilidade. Tornando-o adequado para monitoramento de cabeceira.A sonda vestível permite que medidas de conectividade funcional de estado de repouso sejam obtidas em ambientes naturais dos sujeitos para aplicações diagnósticas e terapêuticas. Este protocolo utiliza sondas ópticas vestíveis para avaliar o fluxo sanguíneo cerebral durante as medições de conectividade funcional do estado de repouso. Demonstrando o procedimento com Chien Poon será Ben Rinehart, um estudante de pós-graduação do meu laboratório.Pelo menos 10 minutos antes de iniciar a análise, ligue o FD-fNIRS e o DCS com uma modulação de luz e tensão do detector. Use uma fita métrica para medir a distância entre a nação e a inação na cabeça do sujeito. Usando a nação como ponto de partida, use um marcador de tinta para designar o local que é de 10% da distância até a inação.Coloque um limite EEG 10/20 na cabeça do sujeito de tal forma que o ponto marcado seja entre Fp1 e Fp2. Marque o ponto entre Fp1 e F7 no córtex esquerdo e o ponto entre Fp2 e F8 no córtex direito para fazer as fronteiras entre o córtex pré-frontal superior e o córtex pré-frontal dorsolateral e entre o córtex pré-frontal dorsolateral e o córtex pré-frontal inferior para os hemisférios esquerdo e direito, respectivamente. Usando uma sonda impressa em 3D, conecte as fibras multi-modo à fonte de luz laser de 785 nanômetros.Em seguida, coloque outra fibra de modo único um centímetro abaixo das fibras multi-modo no local Ds em ambos os lados do córtex e conecte cada uma das fibras de modo único a máquinas individuais de contagem de fótons. Coloque as fibras de modo único a 2,75 centímetros de distância das fibras multi mode e coloque uma fibra nos cortices laterais pré-frontal dorsal esquerdo e direito e uma fibra no córtex pré-frontal inferior. E coloque as fibras multi-modo nos pontos recém-marcados.Para preparar o sistema FD-fNIRS para calibração, desligue todas as luzes e abra o software gráfico de aquisição de dados da interface do usuário. Clique no botão de viés automático para ajustar o ganho do detector para obter um sinal ideal com o sensor conectado e fixado a um fantasma de calibração. Se o aviso de excesso de volume piscar, diminua o ganho.Após a obtenção do sinal máximo, desconecte uma das fibras de origem para que o vazamento da luz de fundo possa ser medido pelo detector. E verifique se a corrente direta é inferior a 20 contagens por período de medição para a fibra de origem correspondente. Em seguida, verifique a leitura adequada do nível de sinal em cada fonte e detector e clique em calibrar.O sistema fará medições e aplicará fatores de calibração para medir corretamente as propriedades ópticas do fantasma conhecido. Em seguida, registre os dados de calibração, que fornecerão um registro do desempenho do sistema em um fantasma padrão. Para configurar o DCS, aqueça as fontes de luz laser do sistema e as máquinas de contagem de fótons únicos por pelo menos 10 minutos.No software gráfico de aquisição do sistema de interface do usuário, verifique o contato de cada fibra verificando a interface gráfica do usuário de modo a obter pelo menos 5.000 contagens por segundo e abaixo de 1.000.000 contagens por segundo. Para verificar se estão sendo obtidos os níveis suficientes de contagem de fótons de cada detector, verifique o nível de contagem de fótons e as curvas de autocorrelação em tempo real próximas. Para verificar um contato de fibra suficiente sem qualquer vazamento de luz ambiente, verifique a interceptação y da curva de correção automática.O valor ideal é aproximadamente 1,5 sem o uso de polarizadores. Para verificar se a sonda e as medidas não são propensas a artefatos de movimento apertam a faixa elástica de modo que ela esteja apertada o suficiente para resistir ao movimento, mas solta o suficiente para evitar qualquer desconforto ao sujeito. Em seguida, verifique as curvas de correção automática de modo que a curva de correção automática decai para uma por tempos de correlação mais longos.Em seguida, confirme que o sujeito está sentado em uma posição confortável com os olhos fechados. Coloque a sonda óptica do sistema FD-fNIRS na testa adjacente à sonda DCS e clique em Adquirir no software de aquisição FD-fNIRS. Esses dados fornecerão propriedades ópticas estáticas, parâmetros de absorção e parâmetros de dispersão que serão usados para quantificação do parâmetro óptico dinâmico.Quando todo o equipamento estiver pronto, instrua o sujeito a minimizar qualquer movimento durante a medição e desligue as luzes. Após a conclusão das medições FD-fNIRS, clique em Executar na interface de aquisição de dados do DCS e coletar dados por um total de oito minutos com um tempo máximo de integração de dois segundos. Nesta análise representativa, a conectividade funcional do estado de repouso nos cortices pré-frontal foi medida em nove sujeitos.observou-se correlação maior na região intra-regional dos cortices esquerdo e direito do que foi medida a região inter-regional dos cortices esquerdo e direito. Além disso, a análise do teste T comparando as conectividades funcionais inter e inter-regionais de ambos os cortices revelou uma diferença significativa entre esses valores. É importante verificar se os parâmetros do DCS estão dentro das faixas aceitáveis, pois não realizar adequadamente essas etapas pode resultar na aquisição de dados inutilizáveis.Espectroscopia de correlação difusa pode fornecer uma medição não invasiva do fluxo sanguíneo. Tornando-a uma ferramenta útil para estudar a conectividade funcional do cérebro em repouso ou ativo nas várias estimulações. Medições não invasivas do fluxo sanguíneo são úteis para a avaliação de tratamentos e terapias para doenças neurológicas.Ao realizar este procedimento, certifique-se de sempre seguir as orientações adequadas de segurança a laser.

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