脳血行動態との光散乱特性の同時評価<em>インビボ</emマルチスペクトル拡散反射率イメージングの使用>ラット脳
Summary
脳血行動態およびin vivoでのラット脳組織の光散乱特性の同時評価は、従来のマルチスペクトル拡散反射イメージングシステムを用いて実証されています。
Abstract
The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional multispectral diffuse reflectance imaging system. This system is constructed from a broadband white light source, a motorized filter wheel with a set of narrowband interference filters, a light guide, a collecting lens, a video zoom lens, and a monochromatic charged-coupled device (CCD) camera. An ellipsoidal cranial window is made in the skull bone of a rat under isoflurane anesthesia to capture in vivo multispectral diffuse reflectance images of the cortical surface. Regulation of the fraction of inspired oxygen using a gas mixture device enables the induction of different respiratory states such as normoxia, hyperoxia, and anoxia. A Monte Carlo simulation-based multiple regression analysis for the measured multispectral diffuse reflectance images at nine wavelengths (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, and 760 nm) is then performed to visualize the two-dimensional maps of hemodynamics and the light scattering properties of the in vivo rat brain.
Introduction
マルチスペクトル拡散反射率イメージングは、皮質組織に固有の光信号（IOSs）の空間的マップを取得するための最も一般的な技術です。形態学的変化によって誘導される光散乱性の光吸収の変化とによる皮質血行動態の散乱特性、低減又はミトコンドリアにおけるシトクロムの酸化に依存して吸収の変化、および変形：IOSsは、主に3つの現象に起因するインビボ脳で観察され1。
近赤外（NIR）スペクトル範囲（VIS）可視光の光を効果的に吸収され、生体組織によって散乱されます。 インビボで脳の拡散反射スペクトルは、吸収および散乱スペクトルによって特徴づけられます。換算散乱係数は単調散乱スペクトルの展示にVIS-に-NIR波長範囲の結果で脳組織のs ' を μより長い波長で小さい大きさをINGの。等価散乱係数μスペクトルS「（λ）は、μSなどのべき乗則関数2、3の形態であると近似することができる」（λ）×λ-bを =。散乱電力Bは、組織2,3生体内生物学的散乱体の大きさに関連しています。組織及び皮質生体組織の生存率の減少の形態学的変化は、生物学的散乱体4、5、6、7、8、9の大きさに影響を与えることができます。
マルチスペクトル拡散反射結像光学系は、容易白熱リチウムから構築することができますGHTソース、簡単な光学部品、及びモノクロ電荷結合素子（CCD）。したがって、様々なアルゴリズムおよびマルチスペクトル拡散反射撮像のための光学系が皮質血行動態および/または組織形態10、11、12、13、14、15、16、17、18を評価するために使用されてきました。
この資料に記載された方法は、血行動態及び従来のマルチスペクトル拡散反射イメージングシステムを用いて、in vivoでのラット脳組織の光散乱特性の両方を可視化するために使用されます。代替技術に比べて、この方法の利点は、脳の血行動態および皮質組織の両方における時空間変化を評価する能力です形態学だけでなく、様々な脳機能障害の動物モデルへの適用。したがって、この方法は、外傷性脳損傷、てんかん発作、脳卒中、および虚血の調査のために適切であろう。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルの中で最も重要なステップは、頭蓋窓を作るために薄くなった頭蓋骨領域の除去です。これは予期せぬ出血を避けるために、慎重に行われるべきです。この工程は、高い精度で反射率画像を拡散多重スペクトルの高品質を得るために重要です。可能な場合は実体顕微鏡の使用は、外科的処置のために推奨されます。ゼラチンスポンジの小片は、止血のために便利です。
<p cl…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Part of this work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research (C) from the Japanese Society for the Promotion of Science (25350520, 22500401, 15K06105) and the US-ARMY ITC-PAC Research and Development Project (FA5209-15-P-0175).
Materials
| 150-W halogen-lamp light source | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LA-150SAE | |
| Light guide | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LGC1-5L1000 | |
| Collecting lens | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | SH-F16 | |
| Interference filters l@500nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65088 | |
| Interference filters l@520nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65093 | |
| Interference filters l@540nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65096 | |
| Interference filters l@560nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67766 | |
| Interference filters l@570nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67767 | |
| Interference filters l@580nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65646 | |
| Interference filters l@600nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65102 | |
| Interference filters l@730nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65115 | |
| Interference filters l@760nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67777 | |
| Motorized filter wheel | Andover Corporation, NH, USA | FW-MOT-12.5 | |
| 16-bit cooled CCD camera | Bitran, Japan | BS-40 | |
| Video zoom lens | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | VZMTM300i | |
| Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | SRS-99-020 |
References
- Bonhoeffer, T., Grinvald, A., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. Optical Imaging based on intrinsic signals: the methodology. Brain mapping; the methods. , 55-97 (1996).
- Mourant, J. R., et al. Mechanisms of light scattering from biological cells relevant to noninvasive optical-tissue diagnostics. Appl. Opt. 37 (16), 3586-3593 (1998).
- Abookasis, D., et al. Imaging cortical absorption, scattering, and hemodynamic response during ischemic stroke using spatially modulated near-infrared illumination. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024033 (2009).
- Lipton, P. Ischemic cell death in brain neuron. Physiol. Rev. 79 (4), 1432-1568 (1999).
- Jarvis, C. R., Anderson, T. R., Andrew, R. D. Anoxic depolarization mediates acute damage independent of glutamate in neocortical brain slices. Cereb. Cortex. 11 (3), 249-259 (2001).
- Joshi, I., Andrew, R. D. Imaging anoxic depolarization during ischemia-like conditions in the mouse hemi-brain slice. J. Neurophysiol. 85 (1), 414-424 (2001).
- Polischuk, T. M., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Intrinsic optical signaling denoting neuronal damage in response to acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. Neurobiol. Dis. 4 (6), 423-437 (1998).
- Jarvis, C. R., Lilge, L., Vipond, G. J., Andrew, R. D. Interpretation of intrinsic optical signals and calcein fluorescence during acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. NeuroImage. 10 (4), 357-372 (1999).
- Obeidat, A. S., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Glutamate does not mediate acute neuronal damage after spreading depression induced by O2/glucose deprivation in the hippocampal slice. J. Cereb. Blood Flow Metab. 20 (2), 412-422 (2000).
- Dunn, A. K., Devor, A., Dale, A. M., Boas, D. A. Spatial extent of oxygen metabolism and hemodynamic changes during functional activation of the rat somatosensory cortex. Neuroimage. 27 (2), 279-290 (2005).
- Jones, M., Berwick, J., Johnston, D., Mayhew, J. Concurrent optical imaging spectroscopy and laser-Doppler flowmetry: the relationship between blood flow, oxygenation, and volume in rodent barrel cortex. Neuroimage. 13 (6), 1002-1015 (2001).
- Jones, M., Berwick, J., Mayhew, J. Changes in blood flow, oxygenation, and volume following extended stimulation of rodent barrel cortex. Neuroimage. 15 (3), 474-487 (2002).
- Zhou, C., et al. Diffuse optical correlation tomography of cerebral blood flow during cortical spreading depression in rat brain. Opt. Express. 14 (3), 1125-1144 (2006).
- Bouchard, M. B., Chen, B. R., Burgess, S. A., Hillman, E. M. C. Ultra-fast multispectral optical imaging of cortical oxygenation, blood flow, and intracellular calcium dynamics. Opt. Express. 17 (18), 15670-15678 (2009).
- Jones, P. B., et al. Simultaneous multispectral reflectance imaging and laser speckle flowmetry of cerebral blood flow and oxygen metabolism in focal cerebral ischemia. J. Biomed. Opt. 13 (4), 044007 (2008).
- Kawauchi, S., et al. Diffuse light reflectance signals as potential indicators of loss of viability in brain tissue due to hypoxia: charge-coupled-device-based imaging and fiber-based measurement. J. Biomed. Opt. 18 (1), 015003 (2013).
- Yoshida, K., et al. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. J. Biomed. Opt. 20 (5), 051026 (2015).
- Nishidate, I., et al. Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Tissue Morphology of In Vivo Rat Brain Using Spectral Diffuse Reflectance Imaging. Appl. Spectrosc. , (2016).
- Wang, L. -. H., Jacques, S. L., Zheng, L. -. Q. MCML-Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues. Comput. Methods Programs Biomed. 47 (2), 131-146 (1995).
- Tsytsarev, V., Premachandra, K., Takeshita, D., Bahar, S. Imaging cortical electrical stimulation in vivo: Fast intrinsic optical signal versus voltage-sensitive dyes. Opt. Lett. 33 (9), 1032-1034 (2008).
- Arnold, T., Biasio, M. D., Leitner, R. Hyper-spectral video endoscope for intra-surgery tissue classification using auto-fluorescence and reflectance spectroscopy. Proc. SPIE. 8087, 808711 (2011).
- Basiri, A., et al. Use of a multi-spectral camera in the characterization of skin wounds. Opt. Express. 18 (4), 3244-3257 (2010).
- Nishidate, I., Maeda, T., Niizeki, K., Aizu, Y. Estimation of melanin and hemoglobin using spectral reflectance images reconstructed from a digital RGB image by the Wiener estimation method. Sensors. 13 (6), 7902-7915 (2013).
