Conectividade funcional do estado de repouso do cérebro humano por meio de espectroscopia de correlação difusa óptica

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 funcionais^{1,,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 cerebral^5,10, 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 tempo^14,15. A imagem óptica é rápida e vestível; assim, é adequado para a maioria dos pacientes, particularmente a população pediátrica^{16,17,18,19,20,21,22,23,24}. 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 pediátrica^4,8,25 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 metabolismo^{6,,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 tempo^{27,,31,,32,,33,,34,35}. DcS é uma técnica complementar ao fNIRS amplamente conhecido que mede a oxigenação sanguínea^17,36. 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 conceito^38,39.

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 DCS^{16,17,31,32,40,42,43,44}, e os resultados obtidos também foram verificados internamente e utilizados em um estudo recente³⁹.

Protocol

O protocolo foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da Wright State University, e o consentimento informado foi obtido de cada participante antes do experimento. 1. Preparação do assunto Energize o sistema FD-fNIRS e DCS para aquecer por pelo menos 10 min (ver as seções 2 e 3 para obter mais detalhes) antes de iniciar quaisquer medições do assunto. Um exemplo de medição do assunto com o instrumento compacto DCS é mostrado na Figura 1</strong…

Representative Results

A viabilidade do uso do DCS para medir a conectividade funcional foi desmostrada com sucesso39. Foi medida a conectividade funcional do estado de repouso nos cortices pré-frontais de nove sujeitos. Os resultados (média ± DP) indicaram maior correlação na região intra-regional da esquerda (0,64 ± 0,25) e direita (0,62 ± 0,23), em comparação com a região inter-regional da esquerda (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) e direita (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) cortices. (Figur…

Discussion

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 exista^57,,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 …

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)