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.
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.
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.
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 …
The authors have nothing to disclose.
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).
3D Printed Probe | In-house | N/A | 3D printed PLA probe (Craftbot, Craft unique) |
785nm, 100mW, CW, FC coupled Laser | CrystaLaser | DL785-100-S | DCS component (light source) |
Auto-correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | DCS component (output g2 curve to PC) |
Data Acquisition GUI | In-house | N/A | GUI coded in LabVIEW to run the DCS system |
Data analysis software | In-house | N/A | Matlab code used for obtaining RSFC results |
EEG Electrode Cap | OpenBCI | N/A | EEG mesh cap with standard 10/20 positions |
Multi-mode fiber | OZ Optics | QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3 | DCS component (source fiber) |
Oxiplex calibration phantom | ISS | 75019, 75020 | Set of 2 PDMS Calibration Phantom |
Oxiplex muscle probe | ISS | 86010 | 4 channel muscle probe |
Oxiplex Oximeter | ISS | 95205 | FD-fNIRS (690nm, 830nm) |
Power meter | Thorlabs | PM100D | Laser light power adjuster |
Sensor card | Thorlabs | F-IRC1-S | laser IR beam viewer |
Single-mode fiber | OZ Optics | SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3 | DCS component (detector fiber) |
Single-Photon Counting Machine | Excelitas | SPMC-NIR-1×2-FC | DCS component (detector) |