Denne protokollen demonstrerer hvordan man måler hviletilstandfunksjonell tilkobling i den menneskelige prefrontale cortex ved hjelp av et skreddersydd diffust korrelasjonspektroskopiinstrument. Rapporten diskuterer også praktiske aspekter ved eksperimentet samt detaljerte trinn for å analysere dataene.
For å oppnå en omfattende forståelse av den menneskelige hjernen, er utnyttelse av cerebral blodstrøm (CBF) som kontrastkilde ønsket fordi det er en viktig hemodynamisk parameter relatert til cerebral oksygentilførsel. Hviletilstand lavfrekvente svingninger basert på oksygenering kontrast har vist seg å gi sammenhenger mellom funksjonelt tilkoblede regioner. Den presenterte protokollen bruker optisk diffus korrelasjonspektroskopi (DCS) for å vurdere blodstrømsbasert hviletilstand funksjonell tilkobling (RSFC) i den menneskelige hjernen. Resultatene av CBF-baserte RSFC i human frontal cortex indikerer at intra-regionale RSFC er betydelig høyere i venstre og høyre kortisaner sammenlignet med interregionale RSFC i begge kortiklene. Denne protokollen bør være av interesse for forskere som bruker multi-modal bildeteknikker for å studere menneskelig hjernefunksjon, spesielt i den pediatriske befolkningen.
Når hjernen er i hviletilstand, viser den en høy synkronisering av spontan aktivitet i funksjonelt relaterte regioner, som kan ligge i nærheten eller på avstand. Disse synkroniserte områdene er kjent som funksjonelle nettverk1,,2,,3,,4,5,6,7,8,9. Dette fenomenet ble først avdekket av en funksjonell magnetisk resonansavbildningsstudie (fMRI) ved hjelp av blodoksygennivåavhengige (BOLD) signaler som indikerer oksygeneringsnivåer i hjerneblodet5,,10, også kjent som hviletilstandfunksjonell tilkobling (RSFC). Abnormiteter i RSFC har vært forbundet med hjernesykdommer som autisme11, Alzheimers12, og depresjon13. Dermed er RSFC et verdifullt verktøy for å studere pasienter med lidelser som har problemer med å utføre oppgavebaserte vurderinger. Men mange pasienter, som små autistiske barn, er dårlige kandidater til vurdering av fMRI, da det krever å forbli fortsatt inne i et begrenset rom i lengre,perioder,15. Optisk bildebehandling er rask og bærbar; Dermed er det egnet for et flertall av pasientene, spesielt den pediatriske befolkningen16,17,18,19,20,21,22,23,24. Ved hjelp av disse fordelene brukes funksjonelle nær-infrarødspektroskopi (fNIRS), som kan kvantifisere hemoglobinkonsentrasjon og oksygenmetningsparametere i hjernen, brukes til å måle RSFC hos mennesker (inkludert barnepopulasjonen4,,8,25 og pasienter med autisme11).
Optisk diffus korrelasjonspektroskopi (DCS), en relativt ny optisk teknikk, kan kvantifisere cerebral blodstrøm, som er en viktig parameter som forbinder oksygentilførsel med metabolisme6,,17,,26,,27,28,29. Optisk strømningskontrast kvantifisert av DCS har vist seg å ha høyere følsomhet i hjernen sammenlignet med oksygeneringskontrast30. Dermed er bruk av DCS-avledede CBF-parametere for vurdering av RSFC en fordel.
DCS er følsom for å flytte blodceller. Når du sprer fotoner sprer seg fra å bevege blodceller, fører dette til at intensiteten av detekterelys svinger over tid. DCS måler en tidsbasert intensitet autokorrelasjonsfunksjon og forfallsraten er avhengig av optiske parametere og blodstrøm. Disse verdiene brukes til slutt til å oppnå cerebral blodstrømindeks (CBFi). Med raskere bevegelige blodceller forfaller intensiteten autokorrelasjonsfunksjonen raskere. Derfor kan informasjon om bevegelse dypt under vevsoverflaten avledes (f.eks. i hjernen) fra målinger av diffuse lyssvingninger over tid27,31,32,33,34,35. DCS er en teknikk som komplementære til den allment kjente fNIRS som måler blod oksygenering17,36. Siden både fNIRS og DCS er optiske hjerneavbildningsteknikker med høy temporal oppløsning i området millisekunder, er de optiske bildeoppsettene langt mindre følsomme for bevegelsesartefakter enn fMRI. De har også blitt brukt til funksjonell hjerneavbildning i pediatriske populasjoner, inkludert svært små spedbarn16. Tidligere har overfladiske blodstrømsmålinger blitt brukt til å vurdere RSFC i prekliniske studier på mus37. Her brukes blodstrømsparametre til å kvantifisere RSFC hos ni friske voksne som en konseptbevisstudie38,39.
I denne studien brukes et kommersielt FD-fNIRS-system og tilpasset DCS-system(se Materialtabellen). DCS som ble bygget internt består av to 785 nm, 100 mW, lang sammenheng lengde kontinuerlig-bølge lasere som er koblet til en FC kontakt og åtte single-foton tellemaskiner (SPCM) koblet til en auto-korrelator. Et tilpasset programvare grafisk brukergrensesnitt (GUI) ble også laget spesielt for at dette systemet skulle vise og lagre fotontellingene, autokorrelasjonskurver og semikvantitativ blodstrøm av hver SPCM-kanal i sanntid. Delene i dette systemet brukes ofte for DCS16,17,31,32,40,42,43,44, og de oppnådde resultatene har også blitt verifisert internt og brukt i en nylig studie39.
For å finne ut om CBF målt ved DCS nøyaktig oppdaget RSFC, ble to områder av hjernen med kjente RSFC-egenskaper undersøkt. Funksjonell tilkobling mellom DLFC-regioner og mellom DLFC og IFC antas å eksistere57,58,59. Tilkobling mellom to områder i venstre og høyre DLFC ble valgt, fordi den intraregionale tilkoblingen vanligvis er høyere. Tilkobling mellom IFC og DLFC ble også valgt, da den interregionale tilkoblingen er…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å anerkjenne økonomisk støtte fra Ohio Third Frontier til Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), og National Natural Science Foundation of China (nr. 81771876).
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) |