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

Författarna vill erkänna ekonomiskt stöd från Ohio Third Frontier till Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), och National Natural Science Foundation of China (nr 81771876).

Protokollet godkändes av Institutional Review Board vid Wright State University, och informerat samtycke erhölls från varje deltagare före experimentet.
1.
<ol><li>Starta FD-fNIRS- och DCS-systemet för uppvärmning i minst 10 minuter (se avsnitt 2 och 3 för mer information) innan du påbörjar några mätningar av motivet. Ett exempel på motivmätning med det kompakta DCS-instrumentet visas i figur 1.</li>
	<li>Använd först ett måttband för att mäta ...

För att avgöra om CBF mätt med DCS noggrant upptäckt RSFC undersöktes två områden i hjärnan med kända RSFC-egenskaper. Funktionell anslutning mellan DLFC-regioner och mellan DLFC och IFC antas finnas57,,58,59. Anslutning mellan två platser inom vänster och höger DLFC valdes, eftersom den intraregionala anslutningen vanligtvis är högre. Dessutom valdes anslutning mellan IFC och DLFC, eftersom den interregionala ansl...

När hjärnan är i viloläge, det visar en hög synkronisering av spontan aktivitet i funktionellt relaterade regioner, som kan placeras nära i närheten eller på avstånd. Dessa områden i synk kallas funktionella nätverk1,,2,,3,,4,,5,,6,,7,,8,9. Detta fenomen upptäcktes först av en funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) studie med hjälp av blod syre nivåberoende (FET) signaler som indikerar syresättning nivåer av cerebrala blod5,10, även känd som vilande tillstånd funktionell anslutning (RSFC). Avvikelser i RSFC har associerats med hjärnsjukdomar såsom autism11, Alzheimers12, och depression13. Därför är RSFC ett värdefullt verktyg för att studera patienter med sjukdomar som har svårt att utföra uppgiftsbaserade bedömningar. Men många patienter, såsom unga autistiska barn, är fattiga kandidater för bedömning av fMRI, eftersom det kräver att fortfarande inne i ett begränsat utrymme under längre tidsperioder14,15. Optisk avbildning är snabb och bärbar; således är det lämpligt för en majoritet av patienterna, särskilt den pediatriska befolkningen16,17,18,19,20,21,22,23,24. Utnyttja dessa fördelar, funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS), som kan kvantifiera hemoglobinkoncentration och syremättnad parametrar i hjärnan, används för att mäta RSFC hos människor (inklusive pediatrisk population4,8,,25 och patienter med autism11).
Optisk diffus korrelationsspektroskopi (DCS), en relativt ny optisk teknik, kan kvantifiera cerebralt blodflöde, vilket är en viktig parameter som associerar syretillförsel medmetabolismen 6,17,26,27,28,29. Optisk flödeskontrast som kvantifieras av DCS har visat sig ha högre känslighet i hjärnan jämfört med syresättningskontrasten30. Således är det fördelaktigt att använda DCS-härledda CBF-parametrar för att bedöma RSFC.
DCS är känslig för rörliga blodkroppar. När sprida fotoner sprids från rörliga blodkroppar, detta orsakar intensiteten av detekterat ljus att fluktuera över tiden. DCS mäter en tidsbaserad autokorrelationsfunktion för intensitet och dess sönderfallshastighet är beroende av de optiska parametrarna och blodflödet. Dessa värden används i slutändan för att erhålla cerebralt blodflödesindex (CBFi). Med snabbare rörliga blodkroppar, intensitet autokorrelationsfunktionen sönderfaller snabbare. Därför kan information om rörelse djupt under vävnadsytan härledas (t.ex. i hjärnan) från mätningar av diffusa ljusfluktuationer över tiden27,,31,,32,33,34,35. DCS är en teknik som kompletterar den allmänt kända fNIRS som mäter blodsyrering17,36. Eftersom både fNIRS och DCS är optiska hjärnavbildningstekniker med hög tidsmässig upplösning i intervallet millisekunder, är de optiska bilduppläggen mycket mindre känsliga för rörelseartefakter än fMRI. De har också framgångsrikt använts för funktionell hjärnavbildning i pediatriska populationer, inklusive mycket unga spädbarn16. Tidigare har ytliga blodflödesmätningar använts för att bedöma RSFC i prekliniska studier på möss37. Här används blodflödesparametrar för att kvantifiera RSFC hos nio friska vuxna som en proof-of-concept studie38,39.
I denna studie används ett kommersiellt FD-fNIRS-system och anpassat DCS-system(se Tabell över material). DCS som byggdes internt består av två 785 nm, 100 mW, lång koherens längd kontinuerlig våg lasrar som är kopplade till en FC-kontakt och åtta single-photon räkna maskiner (SPCM) ansluten till en auto-korrelator. Ett anpassat grafiskt användargränssnitt (GUI) gjordes också specifikt för att det här systemet ska visa och spara fotonantal, autokorrelationskurvor och semikvantitativt blodflöde för varje SPCM-kanal i realtid. Delarna i detta system används ofta för DCS16,17,31,,32,,40,,42,,43,44, och de erhållna resultaten har också verifierats internt och använts i en nyligen genomförd 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

För att få en omfattande förståelse av den mänskliga hjärnan, utnyttjande av cerebralt blodflöde (CBF) som en källa till kontrast önskas eftersom det är en viktig hemodynamisk parameter relaterad till cerebral syretillförsel. Vilande tillstånd lågfrekventa fluktuationer baserat på syresättning kontrast har visat sig ge korrelationer mellan funktionellt anslutna regioner. Det presenterade protokollet använder optisk diffus korrelationsspektroskopi (DCS) för att bedöma blodflödet-baserade vilande tillstånd funktionell anslutning (RSFC) i den mänskliga hjärnan. Resultaten av CBF-baserade RSFC i mänskliga främre hjärnbarken visar att intraregionala RSFC är betydligt högre i vänster och höger cortices jämfört med interregionala RSFC i båda cortices. Detta protokoll bör vara av intresse för forskare som använder multimodala bildframställning tekniker för att studera mänskliga hjärnans funktion, särskilt i pediatrisk befolkningen.

Möjligheten att använda DCS för att mäta funktionell anslutning har framgångsrikt demostrated39. Vilande tillstånd funktionella anslutning i prefrontala cortices av nio ämnen mättes. Resultaten (medelvärde ± SD) indikerade en högre korrelation i den intraregionala regionen till vänster (0,64 ± 0,25) och höger (0,62 ± 0,23) cortices. jämfört med den interregionala regionen till vänster (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) och höger (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) cortices. (<strong clas...

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

Detta protokoll visar hur man mäter vilande tillstånd funktionell anslutning i den mänskliga prefrontala cortex med hjälp av en skräddarsydd diffus korrelation spektroskopi instrument. Rapporten diskuterar också praktiska aspekter av experimentet samt detaljerade steg för att analysera data.

Cerebral blodflöde-baserade vilotillstånd funktionell anslutning av den mänskliga hjärnan med optisk diffus korrelation 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 ...

Detta protokoll utnyttjar variabel optiska sonder för att utvärdera hjärnans blodflöde under vilande tillstånd. En viktig fördel med denna teknik är dess bärbarhet. Att göra det väl lämt för sängövervakning.Den bärbara sonden gör att vilotillstånd funktionella anslutningsmätningar kan erhållas i naturliga miljöer av försökspersonerna för både diagnostiska och terapeutiska tillämpningar. Detta protokoll använder bärbara optiska sonder för att utvärdera hjärnans blodflöde under vilande tillstånd funktionella anslutning mätningar. Demonstrera förfarandet med Chien Poon kommer att Ben Rinehart, en grad student från mitt laboratorium.Minst 10 minuter innan analysen påbörjas, driva upp FD-fNIRS och DCS med en ljusmodulering och detektorspänning. Använd ett måttband för att mäta avståndet mellan nasion och inion på motivets huvud. Med nasionen som utgångspunkt använder du en bläckmarkör för att beteckna platsen som är 10 %av avståndet till inionen.Placera en EEG 10/20 lock på motivets huvud så att den markerade punkten är mellan Fp1 och Fp2. Markera punkten mellan Fp1 och F7 på vänster cortex och punkten mellan Fp2 och F8 på höger cortex för att göra gränserna mellan den överlägsna prefrontala cortex och den dorsolaterala prefrontala cortex och mellan dorsolateral prefrontalcortex och den underlägsna prefrontala cortex för vänster och höger halvsfär, respektive. Med hjälp av en 3D-tryckt sond, anslut multi-mode fibrerna till 785 nanometer laser ljuskälla.Placera sedan en annan single-mode fiber en centimeter under multi-mode fibrer på Ds plats på båda sidor av cortex och anslut var och en av de single-mode fibrer till enskilda single-photon räkna maskiner. Placera single-mode fibrerna 2,75 centimeter bort från multi-mode fibrer och placera en fiber på vänster och höger dorsala laterala prefrontala cortices och en fiber på sämre prefrontala cortex. Och placera multi-mode fibrer på den nyligen markerade punkter.För att förbereda FD-fNIRS-systemet för kalibrering, stäng av eventuella lampor och öppna programvaran för grafiskt användargränssnitt för datainhämtning. Klicka på knappen auto-bias för att justera detektorn vinna för att uppnå en optimal signal med sensorn fäst och säkras till en kalibrering fantom. Om överspänningsvarningen blinkar sänker du förstärkningen.Efter att maximal signal har erhållits, koppla bort en av källfibrerna så att bakgrundsljusläckaget kan mätas med detektorn. Och verifiera att den direkta strömmen är mindre än 20 counts per mätperiod för motsvarande källfiber. Därefter verifiera rätt signalnivå avläsning på varje källa och detektor och klicka kalibrera.Systemet kommer att ta mätningar och tillämpa kalibreringsfaktorer för att korrekt mäta de optiska egenskaperna hos den kända fantomen. Sedan loggar kalibreringsdata, som kommer att ge ett register över systemets prestanda på en standard fantom. För att ställa in DCS, värm upp systemets laserljuskällor och de enfotonräkningsmaskinerna i minst 10 minuter.I den grafiska programvaran för användargränssnittssystemets förvärv, verifierar du varje fibers kontakt genom att kontrollera det grafiska användargränssnittet så att minst 5, 000 räknas per sekund och under 1, 000, 000 räknas per sekund. För att verifiera de tillräckliga nivåerna för fotonantal erhålls från varje detektor, kontrollera fotonräkningsnivån och de nära autokorrelationskurvorna i realtid. För att verifiera en tillräcklig fiberkontakt utan något omgivande ljusläckage, kontrollera y-intercept av autokorrelation kurvan.Det optimala värdet är ungefär 1,5 utan användning av polarisationsfilter. För att kontrollera att sonden och mätningarna inte är benägna att rörelse artefakter dra åt det elastiska bandet så att den är tillräckligt hårt för att motstå rörelse men löst nog att förhindra obehag för motivet. Kontrollera sedan autokorrelationskurvorna så att autokorrelationskurvan förfaller till en för längre korrelationstider.Bekräfta sedan att motivet sitter i ett bekvämt läge med slutna ögon. Placera FD-fNIRS-systemets optiska sond på pannan intill DCS-sonden och klicka på Förvärva i FD-fNIRS förvärvsprogramvara. Dessa data kommer att ge statiska optiska egenskaper, absorptionsparametrar och spridningsparametrar som kommer att användas för kvantifiering av den dynamiska optiska parametern.När all utrustning är klar, instruera motivet att minimera eventuella rörelser under mätningen och släcka lamporna. Efter avslutad FD-fNIRS-mätningar klickar du på Kör i DCS-datainsamlingsgränssnittet och samlar in data under sammanlagt åtta minuter med högst två sekunders integrationstid. I denna representativa analys, Den vilande tillstånd funktionella anslutning i prefrontal cortices mättes i nio ämnen.en högre korrelation observerades i den inomregionala regionen i vänster och höger cortices än mättes mellanregionala regionen i vänster och höger cortices. Vidare visade T-test analys jämföra inter och inter-regionala vila tillstånd funktionella anslutningsmöjligheter av båda cortices en betydande skillnad mellan dessa värden. Det är viktigt att kontrollera att DCS-parametrarna ligger inom de godtagbara intervallen eftersom underlåtelse att på lämpligt sätt utföra dessa steg kan resultera i anskaffning av oanvändbara data.Diffus korrelationsspektroskopi kan ge en icke-invasiv mätning av blodflödet. Att göra det till ett användbart verktyg för att studera den funktionella anslutningen av vilande eller aktiv hjärna på de olika stimulering. Icke-invasiva mätningar av blodflödet är användbara för utvärdering av behandlingar och terapier för neurologiska sjukdomar.När du utför denna procedur, se till att alltid följa lämpliga riktlinjer laser säkerhet.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Förbättrad metod för framställning av en human cellbaserad, Kontakta modell av blod-hjärnbarriären

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 Single-RNA-molekyler med optisk pincett

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

Använda extra optisk överföring att kvantifiera hjärt biomarkörer 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

Agaros-baserade vävnad härma optiska fantomer för diffus reflektans 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

Icke-förstörande övervakning av nedbrytbara byggnadsställning-baserade vävnadstekniska blodkärl utveckling med hjälp av optisk koherenstomografi

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 Paracellulär permeabilitet markör i en cell modell av den mänskliga blod-hjärnbarriären

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-kardiell sido bränning ljus kateter för övervakning cellulär metabolism med transmural Absorbansspektroskopi av parfymera däggdjurs hjärtan

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

Biopartikel Mikroarrayer för chemotaktisk och molekylär analys av human neutrophil svärma 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 dynamiska miljöförhållanden med hjälp av en mikrofluidisk enhet med hög genomströmning

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

Funktionell transkraniell Doppler ultraljud för övervakning cerebralt blodflöde

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