JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

광학 확산 상관 분광법을 사용하여 인간의 뇌의 대뇌 혈류 기반 휴식 상태 기능 적 연결

Published: May 27, 2020
doi:
10.3791/60765
, , ,
1Department of Biomedical, Industrial and Human Factors Engineering,Wright State University, 2South China Academy of Advanced Optoelectronics,South China Normal University

Summary

이 프로토콜은 맞춤형 확산 상관 분광법 계측기를 사용하여 인간 전두엽 피질에서 휴식 상태 기능 연결을 측정하는 방법을 보여줍니다. 이 보고서는 또한 실험의 실질적인 측면과 데이터 분석을 위한 자세한 단계에 대해서도 논의합니다.

Abstract

인간의 뇌에 대한 포괄적인 이해를 얻기 위해, 대뇌 산소 공급과 관련된 핵심 혈역학적 파라미터이기 때문에 대조의 근원으로서 대뇌 혈류(CBF)를 활용하는 것이 요구된다. 산소 화 대비에 기초한 휴식 상태 의 저주파 변동은 기능적으로 연결된 영역 간의 상관관계를 제공하는 것으로 나타났다. 제시된 프로토콜은 광학 확산 상관 분광법(DCS)을 사용하여 인간의 뇌에서 혈류 기반 휴식 상태 기능 연결성(RSFC)을 평가합니다. 인간 전두엽 피질에 있는 CBF 기지를 둔 RSFC의 결과는 두 코르티브에 있는 지역 간 RSFC에 비교된 좌우 지역 RSFC에서 지역 내 RSFC가 상당히 높다는 것을 표시합니다. 이 프로토콜은 인간의 뇌 기능을 연구하기 위해 멀티 모달 이미징 기술을 사용하는 연구자, 특히 소아 인구에 관심이 있어야합니다.

Introduction

뇌가 휴식 상태에있을 때, 그것은 기능적으로 관련된 지역에서 자발적인 활동의 높은 동기화를 보여줍니다, 근접 또는 거리에서 가까운 위치 할 수있는. 이러한 동기화 영역은 기능 네트워크,1,,2,3,4,,45,56,7,,8,,9로알려져 있습니다. 이 현상은 대뇌혈액의산소 화 수준을 나타내는 혈액 산소 수준 의존 (BOLD) 신호를 사용하여 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 연구에 의해 처음 발견되었다5,10,또한 휴식 상태 기능 적 연결로 알려진 (RSFC). RSFC에 있는 이상은 자폐증11,알츠하이머병12및 불경기13와같은 두뇌 무질서와 연관되었습니다. 따라서, RSFC는 문제 작업 기반 평가를 수행 하는 장애를 가진 환자를 공부 하기 위한 귀중 한 도구입니다. 그러나, 젊은 자폐아동과 같은 많은 환자들은 fMRI에 의한 평가를 위한 가난한 후보자이며, 이는,14,15의장기간 제한된 공간 안에 남아 있어야 하기 때문에. 광학 이미징은 빠르고 착용할 수 있습니다. 따라서 대다수의 환자, 특히 소아 인구16,,17,,18,,19,,20, 21,,,22,,2123,,24에적합합니다. 이러한 장점을 활용하여 뇌의 헤모글로빈 농도 및 산소 포화 도 매개 변수를 정량화 할 수있는 기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 인간에서 RSFC를 측정하는 데 사용됩니다 (소아 인구4,,88,25 및 자폐증 환자11).

광학 확산 상관 분광법 (DCS), 상대적으로 새로운 광학 기술,대사6,,17,,26,,27,,28,29와산소 공급을 연결하는 중요한 매개 변수인 대뇌 혈류를 정량화 할 수 있습니다. DCS에 의해 정량화된 광학 유동 대조는 산소화 대비30에비해 뇌에서 더 높은 감도를 가지는 것으로 나타났다. 따라서 RSFC를 평가하기 위해 DCS 에서 파생된 CBF 파라미터를 활용하는 것이 유리합니다.

DCS는 혈액 세포를 움직이는 데 민감합니다. 확산 광자가 혈액 세포를 이동에서 산란 할 때, 이것은 시간이 지남에 따라 변동 검출 된 빛의 강도를 야기한다. DCS는 시간 기반 강도 자기 상관 기능을 측정하고 그 부패율은 광학 파라미터 및 혈류에 의존한다. 이러한 값은 궁극적으로 대뇌 혈류 지수 (CBFi)를 얻기 위해 사용됩니다. 더 빠른 이동 혈액 세포로, 강도 자기 상관 기능은 빠르게 부패. 따라서, 조직 표면 아래 깊은 운동에 대한 정보는,시간27,,,31, 32,,3233,,34,35에걸쳐 확산 광 변동의 측정으로부터 (예를 들어, 뇌에서) 파생될 수 있다. DCS는 혈액 산소화를 측정하는 널리 알려진fNIRS(17,,36)에상보적인 기술이다. fNIRS와 DCS는 밀리초 범위의 높은 시간 해상도를 가진 광학 뇌 이미징 기술이므로 광학 이미징 설정은 fMRI보다 모션 아티팩트에 훨씬 덜 민감합니다. 그(것)들은 또한 아주 유아16를포함하여 소아 인구에 있는 기능적인 두뇌 화상 진찰을 위해 성공적으로 이용되었습니다. 이전에는, 표면적인 혈류 량 측정은 마우스37에있는 전임상 연구 결과에서 RSFC를 평가하기 위하여 이용되었습니다. 여기서, 혈류 매개변수는 개념 증명 연구38,,39로9명의 건강한 성인에서 RSFC를 정량화하는 데 사용된다.

본 연구에서는 상업용 FD-fNIRS 시스템 및 맞춤형 DCS 시스템이 사용된다(재료표 참조). 사내에서 제작된 DCS는 FC 커넥터와 오토 코렐레이터에 연결된 8대의 단일 광자 계수기(SPCM)에 결합된 2개의 785nm, 100mW, 긴 일관성 길이 연속파 레이저로 구성되어 있습니다. 사용자 정의 소프트웨어 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) 또한 표시 하 고 각 SPCM 채널의 광자 개수, 자기 상관 곡선 및 반 정량 혈류를 저장 하기 위해이 시스템을 위해 특별히 만들어졌다. 이 시스템의 부품은 일반적으로 DCS16,,17,,31,,32,,40,42, 43,,43,44에사용되며, 얻어진 결과도 사내에서 검증되어 최근 연구39에서사용되고 있다.,

Protocol

이 프로토콜은 라이트 주립 대학의 기관 검토 위원회의 승인을 받았으며, 실험 전에 각 참가자로부터 동의를 얻었습니다. 1. 과목 준비 피사체의 측정을 시작하기 전에 FD-fNIRS 및 DCS 시스템의 전원을 켜서 최소 10분 동안 예열하십시오(자세한 내용은 섹션 2 및 3 참조). 컴팩트한 DCS 계측기를 사용하여 피사체 측정의 예는 그림 1에나와 있습니다….

Representative Results

DCS를 사용하여 기능 적 연결을 측정할 수 있는 가능성은39로성공적으로 평가되었습니다. 9명의 피험자의 전두엽 코르티코에서의 휴식 상태 기능적 연결을 측정하였다. 결과(평균 ±SD)는 좌측(0.64±0.25) 및 오른쪽(0.62±0.23)의 지역 내 영역에서 더 높은 상관관계를 나타내었으며, 왼쪽 (0.32 ± 0.32), (0.34 ± 0.27) 및 오른쪽 (0.34 ± 0.29), (0.34 ± 0.26) 코르티스의 지역 간 영역과 비교. (그림<st…

Discussion

DCS에 의해 측정된 CBF가 RSFC를 정확하게 검출했는지 여부를 확인하기 위해 알려진 RSFC 특성을 가진 뇌의 두 영역을 조사했습니다. DLFC 영역과 DLFC 및 IFC 간의 기능 연결은57,58,,59가있는 것으로 가정합니다. 지역 내 연결은 일반적으로 더 높기 때문에 왼쪽 및 오른쪽 DLFC 내의 두 사이트 간의 연결이 선택되었습니다. 또한 지역 간 ?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자는 오하이오 이미징 연구 및 혁신 네트워크 (OIRAIN, 667750) 및 중국의 국립 자연 과학 재단 (No. 81771876)에 오하이오 제 3 국경에서 재정 지원을 인정하고 싶습니다.

Materials

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)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Cohen, A. L., et al. Defining functional areas in individual human brains using resting functional connectivity MRI. NeuroImage. 41 (1), 45-57 (2008).
  2. Pizoli, C. E., et al. Resting state activity in development and maintenance of normal brain function. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (28), 11638-11643 (2011).
  3. Duan, L., Zhang, Y. J., Zhu, C. Z. Quantitative comparison of resting state functional connectivity derived from fNIRS and fMRI: A simultaneous recording study. NeuroImage. 60 (4), 2008-2018 (2012).
  4. White, B. R., et al. Resting state functional connectivity in the human brain revealed with diffuse optical tomography. NeuroImage. 47 (1), 148-156 (2009).
  5. Biswal, B., Yetkin, F. Z., Haughton, V. M., Hyde, J. S. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI. Magnetic resonance in medicine official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine/Society of Magnetic Resonance in Medicine. 34 (4), 537-541 (1995).
  6. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering. , (2011).
  7. Zhang, H., et al. Test-retest assessment of independent component analysis-derived resting state functional connectivity based on functional near-infrared spectroscopy. NeuroImage. 55 (2), 607-615 (2011).
  8. Lu, C. M., et al. Use of fNIRS to assess resting state functional connectivity. Journal of Neuroscience Methods. 186 (2), 242-249 (2010).
  9. Zhang, Y. -. J., et al. Detecting Resting state Functional Connectivity in the Language System using Functional Near-Infrared Spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. 15 (4), 047003 (2010).
  10. Fransson, P. Spontaneous low-frequency BOLD signal fluctuations: An fMRI investigation of the resting state default mode of brain function hypothesis. Human Brain Mapping. , (2005).
  11. Li, J., et al. Characterization of autism spectrum disorder with spontaneous hemodynamic activity. Biomedical Optics Express. , (2016).
  12. Sheline, Y. I., Raichle, M. E. Resting state functional connectivity in preclinical Alzheimer’s disease. Biological Psychiatry. , (2013).
  13. Mulders, P. C., van Eijndhoven, P. F., Schene, A. H., Beckmann, C. F., Tendolkar, I. Resting state functional connectivity in major depressive disorder: A review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. , (2015).
  14. Kiviniemi, V., et al. Slow vasomotor fluctuation in fMRI of anesthetized child brain. Magnetic Resonance in Medicine. , (2000).
  15. Fransson, P., et al. Resting state networks in the infant brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2007).
  16. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. Neuroimage. 85, 51-63 (2014).
  17. Buckley, E. M., Parthasarathy, A. B., Grant, P. E., Yodh, A. G., Franceschini, M. A. Diffuse correlation spectroscopy for measurement of cerebral blood flow: future prospects. Neurophotonics. 1 (1), 011009 (2014).
  18. Buckley, E. M., et al. Cerebral hemodynamics in preterm infants during positional intervention measured with diffuse correlation spectroscopy and transcranial Doppler ultrasound. Optics Express. , (2009).
  19. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow. , (2014).
  20. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. , (2013).
  21. Lin, P. Y., et al. Regional and hemispheric asymmetries of cerebral hemodynamic and oxygen metabolism in newborns. Cerebral Cortex. 23 (2), (2013).
  22. Busch, D. R., et al. Cerebral Blood Flow Response to Hypercapnia in Children with Obstructive Sleep Apnea Syndrome. Sleep. , (2016).
  23. Durduran, T., et al. Cerebral oxygen metabolism (CMRO2) reactivity to hypercapnia in neonates with severe congenital heart defects measured with diffuse optics. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. , (2009).
  24. Durduran, T., et al. Optical measurement of cerebral hemodynamics and oxygen metabolism in neonates with congenital heart defects. Journal of Biomedical Optics. , (2010).
  25. Mesquita, R. C., Franceschini, M. A., Boas, D. A. Resting state functional connectivity of the whole head with near-infrared spectroscopy. Biomedical optics express. 1 (1), 324-336 (2010).
  26. Boas, D. A., Franceschini, M. A. Haemoglobin oxygen saturation as a biomarker: The problem and a solution. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering. , (2011).
  27. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. , (2014).
  28. Yu, G. Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS): A Diagnostic Tool for Assessing Tissue Blood Flow in Vascular-Related Diseases and Therapies. Current Medical Imaging Reviews. (8), 194-210 (2012).
  29. Yu, G., Durduran, T., Zhou, C., Cheng, R., Yodh, A. G. Near-Infrared Diffuse Correlation Spectroscopy for Assessment of Tissue Blood Flow. Handbook of Biomedical Optics. , 195-216 (2011).
  30. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), (2014).
  31. Cheung, C., et al. In vivo cerebrovascular measurement combining diffuse near-infrared absorption and correlation spectroscopies. Physics in Medicine and Biology. 46 (8), 2053-2065 (2001).
  32. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  33. Maret, G., Wolf, P. E. Multiple Light Scattering from Disordered Media. The Effect of Brownian Motion of Scatterers. Z. Phys. B – Condensed Matter. 65, 409-413 (1987).
  34. Yu, G. Q. Near-infrared diffuse correlation spectroscopy in cancer diagnosis and therapy monitoring. Journal of Biomedical Optics. 17 (1), (2012).
  35. Carp, S. A., Dai, G. P., Boas, D. A., Franceschini, M. A., Kim, Y. R. Validation of diffuse correlation spectroscopy measurements of rodent cerebral blood flow with simultaneous arterial spin labeling MRI; towards MRI-optical continuous cerebral metabolic monitoring. Biomedical Optics Express. 1 (2), 553-565 (2010).
  36. Roche-Labarbe, N., et al. Near-infrared spectroscopy assessment of cerebral oxygen metabolism in the developing premature brain. Journal of Cerebral Blood Flow. , (2012).
  37. Bergonzi, K. M., Bauer, A. Q., Wright, P. W., Culver, J. P. Mapping functional connectivity using cerebral blood flow in the mouse brain. J Cereb Blood Flow Metab. 35 (3), 367-370 (2015).
  38. Poon, C. S., Li, J., Kress, J., Rohrbach, D. J., Sunar, U. Resting state Functional Connectivity measured by Diffuse Correlation Spectroscopy. Optics InfoBase Conference Papers. , (2018).
  39. Li, J., Poon, C. -. S., Kress, J., Rohrbach, D. J., Sunar, U. Resting state functional connectivity measured by diffuse correlation spectroscopy. Journal of Biophotonics. 11 (2), (2018).
  40. Yu, G. Q. Near-infrared diffuse correlation spectroscopy in cancer diagnosis and therapy monitoring. J Biomed Opt. 17 (1), (2012).
  41. Li, J., et al. Measurements of human motor and visual activities with diffusing-wave spectroscopy. Novel Optical Instrumentation for Biomedical Applications II. 5864, 58640 (2005).
  42. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776 (2016).
  43. Boas, D. A., Yodh, A. G. Spatially varying dynamical properties of turbid media probed with diffusing temporal light correlation. Journal of the Optical Society of America a-Optics Image Science and Vision. 14 (1), 192-215 (1997).
  44. Diop, M., Lee, T. -. Y., St. Lawrence, K. Continuous monitoring of absolute cerebral blood flow by combining diffuse correlation spectroscopy and time-resolved near-infrared technology. Spie. 7896, 78960 (2011).
  45. Medical, I. . ISS Oxiplex Manual. , (2008).
  46. Fantini, S., et al. Quantitative optical monitoring of the hemoglobin concentration and saturation in the piglet brain. Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics. , (2000).
  47. Hueber, D. M., et al. Non-invasive and quantitative near-infrared haemoglobin spectrometry in the piglet brain during hypoxic stress, using a frequency-domain multidistance instrument. Physics in Medicine and Biology. , (2001).
  48. Zhang, J., et al. Application of I&Q detection system in scouting the curative effect of neck squamous cell carcinoma. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue V. , (2003).
  49. Zhao, J., Ding, H. S., Hou, X. L., Le Zhou, C., Chance, B. In vivo determination of the optical properties of infant brain using frequency-domain near-infrared spectroscopy. Journal of Biomedical Optics. , (2005).
  50. Tu, T., Chen, Y., Zhang, J., Intes, X., Chance, B. Analysis on performance and optimization of frequency-domain near-infrared instruments. Journal of Biomedical Optics. , (2002).
  51. Choe, R., et al. Transabdominal near infrared oximetry of hypoxic stress in fetal sheep brain in utero. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2003).
  52. Sunar, U., et al. Noninvasive diffuse optical measurement of blood flow and blood oxygenation for monitoring radiation therapy in patients with head and neck tumors: a pilot study. Journal of Biomedical Optics. 11 (6), (2006).
  53. Sunar, U., et al. Hemodynamic responses to antivascular therapy and ionizing radiation assessed by diffuse optical spectroscopies. Optics Express. , (2007).
  54. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse Optics for Tissue Monitoring and Tomography T. Rep Prog Phys. 73 (7), (2010).
  55. Boas, D. A., Campbell, L. E., Yodh, A. G. Scattering and imaging with diffusing temporal field correlations. Physical Review Letters. , (1995).
  56. Boas, D. A., Yodh, A. G. Spatially varying dynamical properties of turbid media probed with diffusing temporal light correlation. Journal of the Optical Society of America A. , (1997).
  57. Chuang, C. -. C., Sun, C. -. W. Gender-related effects of prefrontal cortex connectivity: a resting state functional optical tomography study. Biomedical Optics Express. 5 (8), 2503 (2014).
  58. Okamoto, M., et al. Multimodal assessment of cortical activation during apple peeling by NIRS and fMRI. NeuroImage. , (2004).
  59. Koessler, L., et al. Automated cortical projection of EEG sensors: Anatomical correlation via the international 10-10 system. NeuroImage. , (2009).
  60. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: Probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. , (2017).
  61. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. , (2017).
  62. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  63. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. , (2004).
  64. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. , (2010).
  65. Irwin, D., et al. Influences of tissue absorption and scattering on diffuse correlation spectroscopy blood flow measurements. Biomedical Optics Express. , (2011).

Tags

Keywords: Cerebral Blood FlowResting State Functional ConnectivityOptical Diffuse Correlation SpectroscopyWearable Optical Probes3D-printed ProbeMulti-mode FibersSingle-mode Fibers785 Nanometer LaserSingle-photon Counting MachinesFD-fNIRS SystemCalibration Phantom
check_url/it/60765?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Poon, C., Rinehart, B., Li, J., Sunar, U. Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy. J. Vis. Exp. (159), e60765, doi:10.3791/60765 (2020).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image