Samtidig Evaluering av Cerebral hemodynamikken og lysspredning egenskaper av<em> In vivo</em> Rat Brain Bruke multispektrale Diffus refleksjon Imaging
Summary
Den samtidige evaluering av cerebrale hemodynamikk og den lysspredende egenskapene til in vivo rottehjernevevet er vist ved bruk av en konvensjonell multispektrale diffus reflektans avbildningssystem.
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
Multispektrale diffus refleksjon avbildning er den mest vanlige teknikk for å oppnå et kart over romlig iboende optiske signaler (IOSs) i kortikalt vev. IOSs observert i in vivo hjernen er i hovedsak knyttet til tre fenomener: variasjoner i lys absorpsjon og spredning egenskaper på grunn av cortical hemodynamikk, variasjon i absorpsjon avhengig av reduksjon eller oksidasjon av cytokromer i mitokondrier, og variasjoner i lysspredningsegenskaper indusert av morfologiske endringer 1.
Lys i det synlige (VIS) til nær-infrarødt (NIR) spektralområdet absorberes effektivt og spres av biologisk vev. Den diffuse reflektansspektrum av in vivo hjernen er karakterisert ved absorpsjon og spredning spektra. De reduserte spredningskoeffisienter jj s 'av hjernevev i VIS-til-NIR-bølgelengdeområdet resultat i en monoton spredning spektrum oppvisering mindre størrelser ved lengre bølgelengder. Den reduserte spredningskoeffisienten spektrum μ s '(λ) kan tilnærmes til å være i form av kraftlovindeksen funksjon 2, 3 som μ s' (λ) = a x λ -b. Den spredende kraft b er relatert til størrelsen av biologiske spredningsobjekter i levende vev 2, 3. Morfologiske forandringer av vev og reduksjon av levedyktigheten av levende kortikalt vev kan påvirke størrelsen av de biologiske spredeflater 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Et optisk system for multispektrale diffuse refleksjonsavbildning kan lett konstrueres fra en gløde liGHT kilde, enkle optiske komponenter, og en monokromatisk ladet koblet innretning (CCD). Derfor har forskjellige algoritmer og optiske systemer for multispektrale diffuse refleksjonsavbildning blitt anvendt for å vurdere kortikale hemodynamikk og / eller vev morfologi 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18.
Metoden som beskrives i denne artikkelen blir brukt til å visualisere både hemodynamikk og lysspredende egenskapene til rotte cerebral vev in vivo ved hjelp av en konvensjonell multispektrale diffus reflektans avbildningssystem. Fordelene med denne fremgangsmåten fremfor alternative teknikker er evnen til å vurdere endringer i tid og rom både cerebrale hemodynamikk og kortikalt vevmorfologi, så vel som dens anvendelighet for forskjellige hjernedysfunksjon dyremodeller. Derfor vil fremgangsmåten være egnet for undersøkelser av traumatisk hjerneskade, epileptiske anfall, slag og iskemi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den mest kritiske trinn i denne protokollen er fjerning av den fortynnede skallen området for å gjøre cranial vinduet; dette bør gjøres nøye for å unngå uventet blødning. Dette trinn er viktig for å oppnå høy kvalitet multispektrale diffuse reflektansmålinger bilder med høy nøyaktighet. Bruken av en stereo anbefales for den kirurgiske prosedyren hvis mulig. Små biter av gelatin svamp er nyttige for hemostase.
Det optiske system som er beskrevet i denne artikkelen passerer en …
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
