Cerebral blodstrøm-basert hviletilstand funksjonell tilkobling av den menneskelige hjerne ved hjelp av optisk diffus korrelasjon spektroskopi

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 nettverk^{1,,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 hjerneblodet^5,,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 befolkningen^{16,17,18,19,20,21,22,23,24}. 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 barnepopulasjonen^4,,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 metabolisme^{6,,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 tid^{27,31,32,33,34,35}. DCS er en teknikk som komplementære til den allment kjente fNIRS som måler blod oksygenering^17,36. 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 konseptbevisstudie^38,39.

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 DCS^{16,17,31,32,40,42,43,44}, og de oppnådde resultatene har også blitt verifisert internt og brukt i en nylig studie³⁹.

Protocol

Protokollen ble godkjent av Institutional Review Board ved Wright State University, og informert samtykke ble innhentet fra hver deltaker før eksperimentet. 1. Forberedelse av Strøm opp FD-fNIRS- og DCS-systemet for å varme opp i minst 10 minutter (se avsnitt 2 og 3 for mer informasjon) før du starter noen målinger av motivet. Et eksempel på emnemåling med det kompakte DCS-instrumentet vises i figur 1. Bruk først et målebånd for å m?…

Representative Results

Muligheten for å bruke DCS til å måle funksjonell tilkobling ble vellykket demostert39. Hviletilstanden funksjonell tilkobling i prefrontal kortiser av ni ble målt. Resultatene (gjennomsnitt ± SD) indikerte en høyere korrelasjon i den intraregionale regionen til venstre (0,64 ± 0,25) og høyre (0,62 ± 0,23) kortices, sammenlignet med den interregionale regionen til venstre (0,32 ± 0,32), (0,34 ± 0,27) og høyre (0,34 ± 0,29), (0,34 ± 0,26) kortiices. (Figur 5</stro…

Discussion

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 eksistere^57,58,59. 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…

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)