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

الدماغ تدفق الدم القائم على الراحة الدولة الاتصال الوظيفي للدماغ البشري باستخدام الطيف ية الارتباط المنتشر البصري

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

يوضح هذا البروتوكول كيفية قياس الاتصال الوظيفي لحالة الراحة في قشرة الجبهية البشرية باستخدام أداة التحليل الطيفي للارتباط المنتشر المصنوعة خصيصًا. كما يناقش التقرير الجوانب العملية للتجربة بالإضافة إلى الخطوات التفصيلية لتحليل البيانات.

Abstract

للحصول على فهم شامل للدماغ البشري ، مطلوب استخدام تدفق الدم الدماغي (CBF) كمصدر للتباين لأنه معلم رئيسي في الهيموديناميكية يتعلق بإمدادات الأكسجين الدماغي. وقد ثبت أن تقلبات التردد المنخفض في حالة الراحة على أساس تباين الأوكسجين توفر روابط بين المناطق المتصلة وظيفياً. يستخدم البروتوكول المعروض التحليل الطيفي البصري للارتباط المنتشر (DCS) لتقييم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة المستندة إلى تدفق الدم (RSFC) في الدماغ البشري. تشير نتائج RSFC المستندة إلى CBF في القشرة الأمامية البشرية إلى أن RSFC داخل المنطقة أعلى بكثير في القشريات اليسرى واليمنى مقارنة بـ RSFC الإقليمية في كل من القشريات. يجب أن يكون هذا البروتوكول ذا أهمية للباحثين الذين يستخدمون تقنيات التصوير متعددة الوسائط لدراسة وظيفة الدماغ البشري ، خاصة في عدد الأطفال.

Introduction

عندما يكون الدماغ في حالة راحة ، فإنه يدل على تزامن عال من النشاط التلقائي في المناطق ذات الصلة وظيفيا ، والتي يمكن أن تقع على مقربة من مسافة قريبة أو من مسافة بعيدة. وتعرف هذه المناطق في المزامنة والشبكات الوظيفية1،2،3،4،5،6،7،8,،9. تم الكشف عن هذه الظاهرة لأول مرة من خلال دراسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) باستخدام إشارات تعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) تشير إلى مستويات الأوكسجين في الدم الدماغي5،10، المعروف أيضًا باسم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة (RSFC). وقد ارتبطت تشوهات في RSFC مع اضطرابات الدماغ مثل التوحد11,مرض الزهايمر12,والاكتئاب13. وبالتالي ، فإن RSFC هي أداة قيمة لدراسة المرضى الذين يعانون من اضطرابات الذين لديهم صعوبة في إجراء التقييمات القائمة على المهام. ومع ذلك، العديد من المرضى، مثل الأطفال المصابين بالتوحد الشباب، هم المرشحين الفقراء للتقييم من قبل التصوير بالرنين المغناطيسي، كما أنه يتطلب البقاء لا يزال داخل مساحة ضيقة لفترات طويلة من الزمن14،,15. التصوير البصري سريع وقابل للارتداء. وبالتالي ، فهي مناسبة لغالبية المرضى ، وخاصة عدد الأطفال16،17،18،19،20،21،,22،23،24. باستخدام هذه المزايا ، يستخدم التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) ، والذي يمكن أن يحدد تركيز الهيموجلوبين ومعلمات تشبع الأكسجين في الدماغ ، لقياس RSFC في البشر (بما في ذلك عدد الأطفال4و8,و25 والمرضى الذين يعانون من التوحد11).

الطيف البصري الارتباط المنتشر (DCS)، تقنية بصرية جديدة نسبيا، يمكن تحديد تدفق الدم الدماغي، وهو المعلمة الهامة التي تربط إمدادات الأكسجين مع التمثيل الغذائي6،,17،,26،,27،,28،,29. وقد ثبت أن تباين التدفق البصري الذي تم قياسه بواسطة DCS له حساسية أعلى في الدماغ مقارنة بتباين الأكسجين30. وبالتالي، فإن استخدام بارامترات CBF المشتقة من DCS لتقييم RSFC أمر مفيد.

DCS حساس ة لنقل خلايا الدم. عند نشر الفوتونان المتناثرة من خلايا الدم المتحركة، يؤدي هذا إلى تقلب شدة الضوء المكتشف بمرور الوقت. يقيس DCS وظيفة الارتباط التلقائي للكثافة المستندة إلى الوقت ويعتمد معدل اضمحلالها على المعلمات البصرية وتدفق الدم. وتستخدم هذه القيم في نهاية المطاف للحصول على مؤشر تدفق الدم الدماغي (CBFi). مع خلايا الدم المتحركة بشكل أسرع، تتحلل وظيفة الارتباط التلقائي الكثافة بشكل أسرع. لذلك ، يمكن اشتقاق معلومات حول الحركة العميقة تحت سطح الأنسجة (على سبيل المثال ، في الدماغ) من قياسات تقلبات الضوء المنتشرة بمرور الوقت27، 31،32,32،33،34،35. DCS هو تقنية مكملة لfNIRS المعروفة على نطاق واسع التي تقيس الأوكسجين في الدم17،36. نظرًا لأن كلاً من fNIRS و DCS هما تقنيات تصوير دماغ بصرية ذات دقة زمنية عالية في نطاق ميلي ثانية ، فإن عمليات التصوير البصري أقل حساسية بكثير للقطع الأثرية المتحركة من fMRI. كما تم استخدامها بنجاح لتصوير الدماغ وظيفية في مجموعات الأطفال, بما في ذلك الرضع الصغار جدا16. في السابق، تم استخدام قياسات تدفق الدم السطحية لتقييم RSFC في الدراسات قبل السريرية في الفئران37. هنا، يتم استخدام معلمات تدفق الدم لتحديد RSFC في تسعة بالغين أصحاء كدراسة إثبات المفهوم38،39.

في هذه الدراسة ، يتم استخدام نظام FD-fNIRS تجاري ونظام DCS مخصص(انظر جدول المواد). يتكون DCS الذي تم بناؤه داخليًا من جهازي 785 نانومتر و100 متر وأشعة ليزر طويلة من التماسك المستمر التي تقترن بموصل FC وثماني آلات عد فوتون واحدة (SPCM) متصلة بوصلة تلقائية. كما تم إجراء واجهة مستخدم رسومية مخصصة للبرامج (GUI) خصيصًا لهذا النظام لعرض وحفظ أعداد الفوتون ومنحنيات الارتباط التلقائي وتدفق الدم شبه الكمي لكل قناة SPCM في الوقت الفعلي. وتستخدم عادة أجزاء في هذا النظام لDCS16،17،31،32،40،42،43،44، كما تم التحقق من النتائج التي تم الحصول عليها في المنزل واستخدامها في دراسة حديثة39.

Protocol

ووافق مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة رايت ستيت على البروتوكول، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من كل مشارك قبل التجربة. 1- إعداد الموضوع قم بإنشاء نظام FD-fNIRS و DCS للإحماء لمدة 10 دقيقة على الأقل (انظر القسمين 2 و3 لمزيد من التفاصيل) قبل البدء في أي قياسات للموضوع. ويرد مثال ل?…

Representative Results

تم بنجاح إزالة جدوى استخدام DCS لقياس الاتصال الوظيفي39. تم قياس الاتصال الوظيفي لحالة الراحة في القشريات الجبهية من تسعة أشخاص. وأشارت النتائج (متوسط ± SD) إلى ارتباط أعلى في المنطقة داخل المنطقة من اليسار (0.64 ± 0.25) واليمين (0.62 ± 0.23) القشريات، بالمقارنة مع المنطقة بين المناطق من ال…

Discussion

لتحديد ما إذا كان CBF كما يقاس بواسطة DCS الكشف بدقة RSFC، تم فحص منطقتين من الدماغ مع خصائص RSFC المعروفة. يفترض أن الاتصال الوظيفي بين مناطق DLFC وبين DLFC وIFC موجود57،58،59. تم اختيار الاتصال بين موقعين داخل DLFC الأيسر والأيمن، لأن الاتصال داخل المنطق?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ويود المؤلفان أن ينوها بالدعم المالي المقدم من جبهة أوهايو الثالثة إلى شبكة أوهايو لبحوث وابتكار التصوير (OIRAIN, 667750) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 81771876).

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

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

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