Summary

Samtidig Evaluering af Cerebral Hæmodynamik og lysspredning Egenskaber for<em> In vivo</em> Rottehjerne ved brug af multispektral diffus refleksionsbilleddannelse

Published: May 07, 2017
doi:

Summary

Den samtidige vurdering af cerebrale hæmodynamik og lysspredningsegenskaber in vivo rotte hjernevæv vist ved anvendelse af en konventionel multispektral diffus reflektans imaging system.

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

Multispektral diffus reflektans billeddannelse er den mest almindelige teknik til opnåelse af et rumligt kort over iboende optiske signaler (IOSs) i cortexvæv. IOSs observeret i in vivo-hjerne er hovedsageligt tilskrives tre fænomener: Variationer i lysabsorption og lysspredende egenskaber på grund af kortikale hæmodynamik, variation i absorption afhængigt af reduktion eller oxidation af cytochromer i mitochondrier, og variationer i lysspredningsegenskaber induceret af morfologiske ændringer 1.

Lys i det synlige (VIS) til nær-infrarøde (NIR) spektralområde absorberes effektivt og spredt af biologisk væv. Den diffuse reflektansspektret af in vivo hjerne er kendetegnet ved absorption og spredning spektre. De nedsatte spredningskoefficienterne u-s 'af hjernevæv i bølgelængdeområdet resultat VIS-til-NIR i en monoton spredning spektrum exhibiting mindre størrelser på længere bølgelængder. Den reducerede spredningskoefficient spektrum μ s '(λ) kan approksimeres til at være i form af styrkeloven funktion 2, 3 som μ s' (λ) = a × λ -b. Den spredende strøm b er relateret til størrelsen af biologiske spredere i levende væv 2, 3. Morfologiske ændringer i vævet og reduktion af levedygtigheden af levende cortexvæv kan påvirke størrelsen af de biologiske spredere 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Et optisk system til multispektral diffus reflektans billeddannelse kan let konstrueres ud fra en glødelampe liGht kilde, enkle optiske komponenter og en monokromatisk ladet koblet enhed (CCD). Derfor er forskellige algoritmer og optiske systemer til multispektral diffus reflektansbilleddannelse blevet anvendt til at evaluere kortikal hæmodynamik og / eller vævsmorfologi 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .

Fremgangsmåden beskrevet i denne artikel anvendes til at visualisere både hemodynamik og lette spredningsegenskaber af rottehjernevæv in vivo ved anvendelse af et konventionelt multispektralt diffus reflektansbilleddannelsessystem. Fordelene ved denne metode over alternative teknikker er evnen til at evaluere spatiotemporale ændringer i både cerebral hæmodynamik og kortikal vævmorfologi, samt dets anvendelighed til forskellige hjerne dysfunktion dyremodeller. Derfor vil metoden være passende for undersøgelser af traumatisk hjerneskade, epileptisk anfald, slagtilfælde, og iskæmi.

Protocol

Dyrepleje, forberedelse og forsøgsprotokoller blev godkendt af dyreforskningsudvalget i Tokyo University of Agriculture and Technology. Til denne metode er rotten anbragt i et kontrolleret miljø (24 ° C, 12 h lys / mørk cyklus) med ad libitum mad og vand . 1. Konstruktion af et konventionelt multispektralt diffus refleksionsbilledsystem Monter ni narrowband optiske interferensfiltre med centerbølgelængder på 500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730 og 760 nm…

Representative Results

Repræsentative spektrale billeder af diffus reflektans erhvervet fra in vivo rottehjerner er vist i figur 3. Billederne ved 500, 520, 540, 560, 570, og 580 nm klart visualisere et tæt netværk af blodkar i hjernebarken. Forringelsen af ​​kontrasten mellem blodkar og det omgivende væv observeret i billederne ved 600, 730 og 760 nm afspejler lavere absorption af lys ved hæmoglobin ved længere og NIR bølgelængder. <p class="jove_content" fo:keep-toge…

Discussion

Det mest kritiske trin i denne protokol er fjernelsen af ​​den tyndere kraniet området til at gøre den kraniale vindue; dette skal udføres omhyggeligt for at undgå uventet blødning. Dette trin er vigtigt for at opnå høj kvalitet Multispektral diffus reflektans billeder med stor nøjagtighed. Det anbefales at bruge af et stereomikroskop for den kirurgiske procedure, hvis det er muligt. Små stykker af gelatine svamp er egnede til hæmostase.

Det optiske system beskrevet i denne art…

Disclosures

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Lipton, P. Ischemic cell death in brain neuron. Physiol. Rev. 79 (4), 1432-1568 (1999).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Nishidate, I., et al. Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Tissue Morphology of In Vivo Rat Brain Using Spectral Diffuse Reflectance Imaging. Appl. Spectrosc. , (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Basiri, A., et al. Use of a multi-spectral camera in the characterization of skin wounds. Opt. Express. 18 (4), 3244-3257 (2010).
  23. 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).

Play Video

Cite This Article
Nishidate, I., Mustari, A., Kawauchi, S., Sato, S., Sato, M. Simultaneous Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Light Scattering Properties of the In Vivo Rat Brain Using Multispectral Diffuse Reflectance Imaging. J. Vis. Exp. (123), e55399, doi:10.3791/55399 (2017).

View Video