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

Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку со стороны третьего рубежа Огайо в Огайо Imaging исследований и инноваций сети (OIRAIN, 667750), и Национальный фонд естественных наук Китая (No 81771876).

Протокол был одобрен Советом по институциональному обзору при Университете штата Райт, и до начала эксперимента от каждого участника было получено информированное согласие.
1. Подготовка предмета
<ol><li>Включите систему FD-fNIRS и DCS, чтобы прогреться в течение по крайней мер...

Чтобы определить, были ли CBF, измеряемые DCS точно обнаружены RSFC, две области мозга с известными свойствами RSFC были рассмотрены. Функциональная связь между регионами DLFC и между DLFC и IFC предполагается существовать57,58,59. Была выбрана связь м...

Когда мозг находится в состоянии покоя, он демонстрирует высокую синхронизацию спонтанной активности в функционально связанных регионах, которые могут быть расположены близко в непосредственной близости или на расстоянии. Эти зоны синхронизации известны как функциональные сети1,,2,,3,,4,,5,,6,,7,,8,9. Это явление было впервые обнаружено функциональной магнитно-резонансной томографии (ФМРТ) исследование с использованием кислорода в крови зависит (BOLD) сигналы, которые указывают на уровень оксигенации мозговой крови5,10, также известный как состояние отдыха функциональной связи (RSFC). Аномалии в RSFC были связаны с расстройствами мозга, такими как аутизм11, болезнь Альцгеймера12, и депрессия13. Таким образом, RSFC является ценным инструментом для изучения пациентов с расстройствами, которые имеют проблемы с выполнением задач на основе оценок. Тем не менее, многие пациенты, такие как молодые дети-аутисты, являются плохими кандидатами для оценки МРТ, так как это требует оставаться еще внутри ограниченного пространства в течение длительных периодов времени14,15. Оптическая визуализация быстра и носима; таким образом, он подходит для большинства пациентов, особенно педиатрического населения16,,17,,18,,19,,20,,21,,22,,23,24. Используя эти преимущества, функциональная ближнеинфракрасная спектроскопия (fNIRS), которая может количественно йемоглобина концентрации и параметров насыщения кислородом в головном мозге, используется для измерения RSFC у людей (в том числе педиатрической населения4,8,25 и пациентов с аутизмом11).
Оптическая диффузная корреляционная спектроскопия (DCS), относительно новая оптическая техника, может количественно цоструктивить мозговой кровоток, который является важным параметром, который связывает подачу кислорода с метаболизмом6,17,,26,27,29.29 Оптический контраст потока количественно DCS было показано, что более высокая чувствительность в головном мозге по сравнению с оксигенации контраст30. Таким образом, использование cbF-параметров, полученных по цРбФ, является выгодным.
DCS чувствителен к движущимся кровяным клеткам. При распространении фотонов рассеиваются от движущихся кровяных клеток, это приводит к тому, что интенсивность обнаруженного света колеблется с течением времени. DCS измеряет функцию автокорреляции на основе времени, и скорость ее распада зависит от оптических параметров и кровотока. Эти значения в конечном счете используются для получения индекса мозгового кровотока (CBFi). С более быстрыми движущимися клетками крови функция аутокорреляции интенсивности распадается быстрее. Таким образом, информация о движении глубоко под поверхностью ткани может быть получена (например, в головном мозге) из измерений диффузионных колебаний света с течением времени27,,31,,32,,33,,34,35. DCS является методом, дополняет широко известный fNIRS, который измеряет оксигенацию крови17,36. Поскольку fNIRS и DCS являются оптическими методами визуализации мозга с высоким временным разрешением в диапазоне миллисекунд, оптические настройки изображений гораздо менее чувствительны к артефактам движения, чем МРТ. Они также успешно используются для функциональной визуализации мозга в педиатрических популяциях, в том числе очень маленьких младенцев16. Ранее, поверхностные измерения кровотока были использованы для оценки RSFC в доклинических исследованиях у мышей37. Здесь параметры кровотока используются для количественной оценки RSFC у девяти здоровых взрослых в качестве доказательства концепции исследования38,39.
В этом исследовании используется коммерческая система FD-fNIRS и пользовательская система DCS(см. Таблица материалов). DCS, который был построен в доме состоит из двух 785 нм, 100 мВт, длинная когеренция длина непрерывной волны лазеров, которые соединены с разъемом FC и восемь однофотонных счетных машин (SPCM) подключен к автокоррелатор. Специально для этой системы был разработан графический пользовательский интерфейс (GUI) специально для отображения и сохранения фотонных отсчетов, кривых автокорреляции и полуколичественного кровотока каждого канала SPCM в режиме реального времени. Части в этой системе обычно используются для DCS16,17,,31,32,40,42,43,44, и полученные результаты также были проверены в доме и используется в недавнем исследовании39.

<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

Для получения всестороннего понимания человеческого мозга, использование мозгового кровотока (CBF) в качестве источника контрастности желательно, потому что это ключевой гемодинамический параметр, связанный с церебральным кислородом. Показано, что низкочастотные колебания состояния покоя, основанные на контрасте оксигенации, обеспечивают корреляцию между функционально связанными регионами. Представленный протокол использует оптическую диффузную корреляционную спектроскопию (DCS) для оценки функциональной связи состояния покоя на основе крови (RSFC) в человеческом мозге. Результаты РСФК на основе CBF в лобной коре человека показывают, что внутрирегиональный RSFC значительно выше в левой и правой кортиксах по сравнению с межрегиональным RSFC в обоих кортиках. Этот протокол должен представлять интерес для исследователей, которые используют мультимодальные методы визуализации для изучения функции человеческого мозга, особенно в педиатрической популяции.

Осуществимость использования DCS для измерения функциональной связи была успешно demostrated39. Измерено состояние отдыха в префронтальных кортиках девяти испытуемых. Результаты (средние и SD) показали более высокую корреляцию во внутрирегиональном регионе левого (0,64 и 0,25) и прав...

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

Этот протокол демонстрирует, как измерить функциональное соединение состояния покоя в префронтальной коре человека с помощью специально госдиффузного инструмента спектроскопии корреляции. В докладе также обсуждаются практические аспекты эксперимента, а также подробные шаги по анализу данных.

Церебральный поток крови на основе отдыха государства функциональная связь человеческого мозга с помощью оптической диффузной корреляции спектроскопии

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 ...

Этот протокол использует переменные оптические зонды для оценки кровотока мозга во время состояния покоя. Важным преимуществом этой техники является ее портативность. Что делает его хорошо подходит для прикроватного мониторинга.Носимый зонд позволяет получать измерения функциональной связи в естественных средах субъектов как для диагностического, так и для терапевтического применения. Этот протокол использует носимые оптические зонды для оценки кровотока мозга во время измерения функциональной связи состояния покоя. Демонстрацией процедуры с Чиеном Пуном будет Бен Райнхарт, аспирант из моей лаборатории.По крайней мере за 10 минут до начала анализа, питания FD-fNIRS и DCS с легкой модуляции и детектора напряжения. Используйте рулетку для измерения расстояния между насионом и инионом на голове субъекта. Используя насион в качестве отправной точки, используйте маркер чернил для обозначения местоположения, которое составляет 10% расстояния до иниона.Поместите крышку EEG 10/20 на голову субъекта так, чтобы отмеченная точка находится между Fp1 и Fp2. Отметь точку между Fp1 и F7 на левой коре и точку между Fp2 и F8 на правой коре, чтобы сделать границы между верхней префронтальной коры и дорсолатеральной префронтальной коры и между дорсолатеральной префронтальной коры и нижней префронтальной коры для левого и правого полушарий, соответственно. Используя 3D-печатный зонд, подключите многоключенные волокна к 785 нанометровому лазерному источнику света.Затем поместите еще одноотмейнистое волокно на один сантиметр ниже многоступенчатых волокон в месте Ds по обе стороны коры и соедините каждое из однореамных волокон с отдельными однокотонных счетных машин. Поместите одноотменные волокна на 2,75 сантиметра от многоступенчатых волокон и поместите одно волокно на левую и правую спинную боковой префронтальный кортис и одно волокно на нижняя префронтальная кора. И поместите многоступенчатые волокна на вновь отмеченные точки.Чтобы подготовить систему FD-fNIRS к калибровке, выключите свет и откройте графическое программное обеспечение для получения данных пользовательского интерфейса. Нажмите кнопку автоматического смещения, чтобы настроить выигрыш детектора для достижения оптимального сигнала с датчиком, прикрепленным и закрепленным на фантоме калибровки. Если мигает предупреждение о перегружее, опустите выигрыш.После получения максимального сигнала отключите одно из исходных волокон, чтобы детектором можно было измерить утечку фонового света. И убедитесь, что прямое ток составляет менее 20 кол-во за период измерения соответствующего источника волокна. Далее, проверить надлежащий уровень сигнала считывания на каждом источнике и детекторе и нажмите калибровки.Система будет проводить измерения и применять калибровочные факторы для правильного измерения оптических свойств известного фантома. Затем зайдите данные калибровки, которые обеспечат запись производительности системы на стандартном фантоме. Для настройки DCS, разогреть систему лазерных источников света и однокотонных машин подсчета, по крайней мере 10 минут.В графическом программном обеспечении системы пользовательского интерфейса, проверить контакт каждого волокна, проверяя графический пользовательский интерфейс, с тем чтобы получить по крайней мере 5000 рассчитывает в секунду и ниже 100000 пунктов в секунду. Чтобы проверить достаточные уровни количества фотона, полученные от каждого детектора, проверьте уровень количества фотона и почти кривые автокорреляции в режиме реального времени. Чтобы проверить достаточный контакт волокна без утечки окружающего света, проверьте y-перехват кривой автокорреляции.Оптимальное значение составляет примерно 1,5 без использования поляризаторов. Чтобы убедиться, что зонд и измерения не склонны к движению артефакты затянуть резинку так, что она достаточно плотно, чтобы противостоять движению, но достаточно свободно, чтобы предотвратить любой дискомфорт в вопросе. Затем проверьте кривые автокорреляции таким образом, чтобы кривая автокорреляции распадается до одной в течение более длительного времени корреляции.Затем подтвердите, что объект сидит в удобном положении с закрытыми глазами. Поместите оптический зонд системы FD-fNIRS на лоб, прилегающий к зонду DCS, и нажмите Acquire в программном обеспечении для приобретения FD-fNIRS. Эти данные обеспечат статические оптические свойства, параметры поглощения и параметры рассеяния, которые будут использоваться для количественной оценки динамического оптического параметра.Когда все оборудование будет готово, проинструктируем субъекта свести к минимуму любые движения во время измерения и выключить свет. После завершения измерений FD-fNIRS нажмите Run в интерфейсе сбора данных DCS и соберите данные в общей сложности за восемь минут с максимальным двух секундным временем интеграции. В этом репрезентативном анализе функциональное подключение состояния покоя в префронтальных кортисах измерялось в девяти предметах.более высокая корреляция наблюдалась во внутрирегиональной области левого и правого корти, чем измерялась межрегиональной областью левого и правого корти. Кроме того, T-тест анализ сравнения межрегионых и межрегионых состояний отдыха функциональных связей обоих кортиков показали существенную разницу между этими значениями. Важно убедиться в том, что параметры DCS находятся в пределах допустимых диапазонов, поскольку невыполнение этих шагов может привести к получению непригодных для использования данных.Диффузная корреляция спектроскопии может обеспечить неинвазивное измерение кровотока. Что делает его полезным инструментом для изучения функциональной связи отдыха или активного мозга на различных стимуляций. Неинвазивные измерения кровотока полезны для оценки лечения и лечения неврологических заболеваний.При выполнении этой процедуры, не забудьте всегда следовать соответствующим правилам лазерной безопасности.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Улучшенная способ получения человеческой клетки на основе, Связаться Модель гематоэнцефалического барьера

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

Наноманипулирование Единого РНК молекул на оптический пинцет

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

Использование чрезвычайных оптической передачи для количественного определения сердечного биомаркеров в сыворотке крови человека

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

На основе агарозы ткани, подражая оптических фантомы для диффузного отражения спектроскопии

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

Неразрушающего контроля развития разложению на основе эшафот инженерии тканей кровеносных сосудов с использованием оптическая когерентная томография

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

Люцифер желтый - Надежный параклеточной проницаемости маркер а в клеточной модели человеческого кровяного мозга барьер

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

Внутрисердечная боковая стрельба Световой катетер для мониторинга клеточного метаболизма с помощью трансмуральной абсорбции спектроскопии Перфизуд млекопитающих сердец

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

Биочастицы Microarrays для хемотаксического и молекулярного анализа человека нейтрофил Роесь в пробирке

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

Поколение динамических экологических условий с использованием микрофлюидного устройства с высокой пропускной способностью

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

Функциональное транскраниальное допплерография для мониторинга мозгового кровотока

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