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

Yazarlar Ohio Üçüncü Sınır Ohio Görüntüleme Araştırma ve Yenilik Ağı (OIRAIN, 667750) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (No. 81771876) mali destek kabul etmek istiyorum.

Protokol Wright State Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı ve deney den önce her katılımcıdan bilgilendirilmiş onay alındı.
1. Konu hazırlığı
<ol><li>Konunun ölçümlerine başlamadan önce fd-fNIRS ve DCS sistemini en az 10 dakika ısınmak için (daha fazla ayrıntı için bölüm 2 ve 3'e bakın) güçlandırın. Kompakt DCS cihazı ile konu ölçümüörneği Şekil 1'degösterilmiştir.</li>
	<li>İlk olarak, her deneğ...

CBF olarak DCS tarafından ölçülen doğru RSFC tespit olup olmadığını belirlemek için, bilinen RSFC özellikleri ile beynin iki alan incelenmiştir. DLFC bölgeleri ile DLFC ve IFC arasında fonksiyonelbağlantının 57,58,59olarak varsayıldığı varsayılır.59 Bölge içi bağlantı genellikle daha yüksek olduğundan, sol ve sağ DLFC içindeki iki site arasındaki bağlantı seçildi. Ayrıca, bölgeler arası bağ...

Beyin istirahat halindeyken, işlevsel olarak ilişkili bölgelerde spontan aktivitenin yüksek senkronizasyonunu gösterir, bu da yakın bir yerde veya uzaktan bulunabilir. Bu senkronize bölgeler işlevselağlar1 ,2,3,,4,5,6,7,8,,9olarak bilinir., Bu fenomen ilk olarak, serebral kan5,10oksijenlenmedüzeylerini gösteren kan oksijen seviyesine bağlı (BOLD) sinyalleri kullanılarak yapılan fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) çalışması ile ortaya çıkarıldı. RSFC anormallikleri gibi beyin bozuklukları ile ilişkili bulunmuştur11, Alzheimer12, ve depresyon13. Bu nedenle, RSFC sorun görev tabanlı değerlendirmeler icra sorun olan bozuklukları olan hastalar için değerli bir araçtır. Ancak, genç otistik çocuklar gibi birçok hasta, fMRI tarafından değerlendirilmesi için kötü adaylar, bu süre14,,15uzun bir süre için kapalı bir alanda hala kalan gerektirir gibi. Optik görüntüleme hızlı ve giyilebilir; bu nedenle, özellikle pediatrik popülasyon16, 17,,1818,19,20,2121,22,23,24olmak üzere hastaların çoğunluğu için uygundur. Bu avantajları kullanarak, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS), beyinde hemoglobin konsantrasyonu ve oksijen doygunluk parametreleri ölçmek için kullanılabilir, insanlarda RSFC ölçmek için kullanılır (pediatrik nüfus dahil4,8,25 ve otizm li hastalar11).
Optik diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS), nispeten yeni bir optik teknik,serebralkan akışını ölçebilir, hangi metabolizma ile oksijen kaynağı ilişkilendiren önemli bir parametre 6,17,26,27,28,29. DCS tarafından ölçülen optik akış kontrastı oksijenasyon kontrastı30ile karşılaştırıldığında beyinde daha yüksek hassasiyete sahip olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, RSFC değerlendirmek için DCS kaynaklı CBF parametrelerinin kullanılması avantajlıdır.
DCS hareket eden kan hücrelerine karşı hassastır. Difüzyon fotonlar hareket eden kan hücrelerinden dağılım, bu zaman içinde dalgalanma tespit ışık yoğunluğu neden olur. DCS zaman ayarı merkezli yoğunluk otokorelasyon fonksiyonunu ölçer ve çürüme hızı optik parametrelere ve kan akışına bağlıdır. Bu değerler sonuçta serebral kan akımı indeksi elde etmek için kullanılır (CBFi). Daha hızlı hareket eden kan hücreleri ile yoğunluk otokorelasyon fonksiyonu daha hızlı çürür. Bu nedenle, doku yüzeyinin derinliklerindeki hareket le ilgili bilgiler zaman içinde yayılan ışık dalgalanmalarının ölçümlerinden (örneğin, beyinde) elde edilebilir27,31,32,33,,34,35.35 DCS kan oksijenasyon17,36ölçer yaygın olarak bilinen fNIRS tamamlayıcı bir tekniktir. Hem fNIRS hem de DCS milisaniye aralığında yüksek zamansal çözünürlüğe sahip optik beyin görüntüleme teknikleri olduğundan, optik görüntüleme kurulumları hareket yapılarına fMRI'den çok daha az duyarlıdır. Ayrıca çok küçük bebekler de dahil olmak üzere pediatrik popülasyonlarda fonksiyonel beyin görüntüleme için başarıyla kullanılmıştır16. Daha önce, yüzeyel kan akımı ölçümleri farelerde klinik öncesi çalışmalarda RSFC değerlendirmek için kullanılmıştır37. Burada, kan akımı parametreleri bir kanıtı-of-kavram çalışması38,39olarak dokuz sağlıklı yetişkin RSFC ölçmek için kullanılır.
Bu çalışmada, ticari bir FD-fNIRS sistemi ve özel DCS sistemi kullanılmaktadır(Bkz. Malzeme Tablosu). Şirket içinde inşa edilen DCS iki 785 nm, 100 mW, uzun tutarlılık uzunluğu sürekli dalga lazerler bir FC konektör ve sekiz tek foton sayma makineleri (SPCM) bir otomatik correlator bağlı birleştiğinde oluşur. Özel bir yazılım grafik kullanıcı arayüzü (GUI) da görüntülemek ve foton sayıları, otokorelasyon eğrileri ve gerçek zamanlı olarak her SPCM kanalının yarı kan akışını kaydetmek için bu sistem için özel olarak yapıldı. Bu sistemdeki parçalar genellikle DCS16,17,31,,32,40,42,43,44için kullanılır ve elde edilen sonuçlar da şirket içinde doğrulanmış ve yeni bir çalışmada39kullanılır .43

<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

Serebral oksijen kaynağı ile ilgili önemli bir hemodinamik parametre olduğu için, insan beyninin kapsamlı bir anlayış elde etmek için, kontrast kaynağı olarak serebral kan akımı (CBF) kullanımı istenir. Oksijenasyon kontrastına dayalı istirahat durumu düşük frekanslı dalgalanmaların işlevsel olarak bağlı bölgeler arasında korelasyon sağladığı gösterilmiştir. Sunulan protokol, insan beyninde kan akışı tabanlı istirahat durumu fonksiyonel bağlantısını (RSFC) değerlendirmek için optik diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS) kullanır. İnsan frontal kortekste CBF tabanlı RSFC sonuçları, her iki kortekste de bölgeler arası RSFC'ye kıyasla intra-bölgesel RSFC'nin sol ve sağ kortekslerde anlamlı olarak daha yüksek olduğunu göstermektedir. Bu protokol, özellikle pediatrik popülasyonda insan beyin fonksiyonlarını incelemek için çok modal görüntüleme teknikleri kullanan araştırmacıların ilgisini çekebilir.

Fonksiyonel bağlantıyı ölçmek için DCS kullanmanın fizibilitesi başarıyla39olarak demostrated oldu. Dokuz deneğin prefrontal kortekslerinde istirahat durumu fonksiyonel bağlantısı ölçüldü. Sonuçlar (ortalama ± SD) sol (0.64 ± 0.25) ve sağ (0.62 ± 0.23) kortekslerin bölge içi bölgesinde daha yüksek korelasyon olduğunu göstermiştir, sol (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) ve sağ (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) kortekslerin bölgeler arası bölgesiile karşılaştırıldığ?...

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

Bu protokol, özel yapım diffüz korelasyon spektroskopi aleti kullanarak insan prefrontal korteksinde istirahat durumu fonksiyonel bağlantısının nasıl ölçültilebildiğini göstermektedir. Raporda ayrıca deneyin pratik yönleri ve verileri analiz etmek için ayrıntılı adımlar tartışılmaktadır.

Optik Diffüz Korelasyon Spektroskopisi ile İnsan Beyninin Serebral Kan Akışı Nadayalı Dinlenme Durumu Fonksiyonel Bağlantısı

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 ...

Bu protokol, istirahat durumunda beyin kan akışını değerlendirmek için değişken optik problar kullanır. Bu tekniğin önemli bir avantajı taşınabilirliğidir. Başucu izleme için çok uygun hale getirir.Giyilebilir prob, hem tanıhem de terapötik uygulamalar için deneklerin doğal ortamlarında istirahat durumu fonksiyonel bağlantı ölçümlerinin alınmasını sağlar. Bu protokol, istirahat durumu fonksiyonel bağlantı ölçümleri sırasında beyin kan akışını değerlendirmek için giyilebilir optik problar kullanır. Chien Poon'la prosedürü göstermek Ben Rinehart olacak, laboratuvarımdan yüksek lisans öğrencisi.Analize başlamadan en az 10 dakika önce, FD-fNIRS ve DCS'yi ışık modülasyonu ve dedektör gerilimi ile çalıştırın. Deneğin kafasındaki nasion ve inion arasındaki mesafeyi ölçmek için bir bant ölçüsü kullanın. Başlangıç noktası olarak nasion kullanarak, inion mesafe% 10 olan konumu belirlemek için bir mürekkep işaretçisi kullanın.EEG 10/20 kapağını konunun kafasına, işaretli nokta Fp1 ve Fp2 arasında olacak şekilde yerleştirin. Sol kortekste Fp1 ve F7 arasındaki noktayı ve sağ korteksteki Fp2 ile F8 arasındaki noktayı işaretleyin ve superior prefrontal korteks ile dorsolateral prefrontal korteks arasındaki sınırları ve dorsolateral prefrontal korteks ile sol ve sağ hemisferler için inferior prefrontal korteks arasındaki sınırları belirleyin. 3D baskılı bir sonda kullanarak, çok modlu lifleri 785 nanometre lazer ışık kaynağına bağlayın.Daha sonra korteksin her iki tarafındaki Ds konumundaki çok modlu liflerin bir santimetre altına tek modlu fiber yerleştirin ve tek modlu liflerin her birini tek tek foton sayma makinelerine bağlayın. Tek modlu lifleri çok modlu liflerden 2,75 santimetre uzağa yerleştirin ve sol ve sağ dorsal lateral prefrontal kortekslere bir lif ve inferior prefrontal kortekse bir lif yerleştirin. Ve yeni işaretlenmiş noktalar üzerinde çok modlu lifler yerleştirin.FD-fNIRS sistemini kalibrasyon ayarı için hazırlamak için, tüm ışıkları kapatın ve grafik kullanıcı arabirimi veri toplama yazılımını açın. Dedektör kazancını ayarlamak için otomatik sapma düğmesini tıklatarak sensör takılı ve bir kalibrasyon fanatonuna sabitlenmiş en iyi sinyali elde edin. Aşırı voltaj uyarısı yanıp sönerse, kazancı düşürün.Maksimum sinyal alındıktan sonra, arka plan ışık sızıntısı dedektör tarafından ölçülebilir böylece kaynak liflerden birini kesmek. Ve doğru akımın ilgili kaynak lifiçin ölçüm dönemi başına 20'den az olduğunu doğrulayın. Ardından, her kaynak ve dedektörde uygun sinyal seviyesi okumasını doğrulayın ve kalibrasyon'u tıklatın.Sistem ölçümler alacak ve bilinen hayalet optik özelliklerini doğru ölçmek için kalibrasyon faktörleri uygulayacak. Ardından, standart bir hayalet üzerinde sistem performansının kaydını sağlayacak olan kalibrasyon verilerini kaydedin. DCS'yi kurmak için, sistem lazer ışık kaynaklarını ve tek foton sayma makinelerini en az 10 dakika ısıtın.Grafik kullanıcı arabirimi sistemi satın alma yazılımında, saniyede en az 5,000 ve saniyede 1,000,000 sayısının altında olmak için grafik kullanıcı arabirimini kontrol ederek her bir fiberin kontamasını doğrulayın. Her dedektörden yeterli foton sayımı düzeylerinin alındığını doğrulamak için foton sayımı düzeyini ve neredeyse gerçek zamanlı otokorelasyon eğrilerini kontrol edin. Herhangi bir ortam ışığı sızıntısı olmadan yeterli bir fiber teması doğrulamak için, otomatik korelasyon eğrisinin y-kesesini kontrol edin.Polarize olmadan en uygun değer yaklaşık 1,5'tir. Prob ve ölçümlerin hareket objelerine yatkın olmadığını doğrulamak için elastik bandı sıkın, böylece harekete karşı koyacak kadar sıkı dır ancak konuya rahatsızlık duymayı önleyecek kadar gevşektir. Daha sonra, otomatik korelasyon eğrisinin daha uzun korelasyon süreleri için bire decays gibi otokorelasyon eğrileri kontrol edin.Daha sonra deneğin gözleri kapalı rahat bir pozisyonda oturduğunu doğrulayın. FD-fNIRS sistem optik probu DCS probubitişik alnına yerleştirin ve FD-fNIRS satın alma yazılımında Edinme'yi tıklatın. Bu veriler, dinamik optik parametrenin sayısallaştırılması için kullanılacak statik optik özellikler, emme parametreleri ve saçılma parametreleri sağlayacaktır.Tüm ekipman hazır olduğunda, ölçüm sırasında herhangi bir hareketi en aza indirmek ve ışıkları kapatmak için konu talimat. FD-fNIRS ölçümleri tamamlandıktan sonra DCS veri toplama arabiriminde Çalıştır'ı tıklatın ve en fazla iki saniyelik tümleştirme süresiyle toplam sekiz dakika boyunca veri toplayın. Bu temsili analizde, prefrontal kortekslerde istirahat durumu fonksiyonel bağlantısı dokuz denekte ölçüldü.sol ve sağ kortekslerin bölge içi bölgesinde, sol ve sağ kortekslerin bölgeler arası bölgesinden daha yüksek korelasyon gözlendi. Ayrıca, her iki korteksin inter ve bölgeler arası istirahat durum işlevlerini karşılaştıran T-test analizi bu değerler arasında anlamlı bir fark ortaya koymuştur. DcS parametrelerinin kabul edilebilir aralıklar içinde olduğunu doğrulamak önemlidir, çünkü bu adımların yeterince gerçekleştirilememesi kullanılamaz verilerin elde edilmesine neden olabilir.Diffüz korelasyon spektroskopisi kan akışının non-invaziv ölçüm sağlayabilir. Çeşitli uyarılar üzerinde istirahat veya aktif beynin fonksiyonel bağlantı çalışması için yararlı bir araç yapma. Kan akımının non-invaziv ölçümleri nörolojik hastalıklariçin tedavi ve tedavilerin değerlendirilmesi için yararlıdır.Bu işlemi gerçekleştirirken, her zaman uygun lazer güvenlik yönergelerine uyduğunuzdan emin olun.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Yöntem kan-beyin bariyerini bir insan hücre tabanlı bir İletişim Modelinin Hazırlanması için Geliştirilmiş

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

Optik cımbız ile Tek RNA Moleküllerin Nanomanipulation

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

İnsan Serumda kardiyak biyolojik ölçmek için olağanüstü optik iletim kullanma

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

Özel tabanlı doku optik hayaletler diffüz yansıma spektroskopisi için taklit

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

Geri dönüşlü optik koherens tomografi kullanarak parçalanabilir iskele tabanlı doku mühendisliği kan damarı gelişimi izleme

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 Sarı - İnsan Kan-beyin Bariyerbir Hücre Modeli sağlam bir Parasellüler Geçirgenlik Marker

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

Perfkullanılmış Mammalin kalpleri transmural absorbance spektroskopisi kullanarak hücresel metabolizmayı Izleme için kalp içi yan ateş ışık kateter

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

İnsan Nötrofil Swarming in vitro Kemotaktik ve Moleküler Analizi için Biyopartikül Mikrodizileri

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

Yüksek Verimli Mikroakışkan Cihaz Kullanarak Dinamik ÇevreSel Koşulların Üretilmesi

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

Serebral Kan Akışını İzlemek için Fonksiyonel Transkraniyal Doppler Ultrason

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