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Methodenartikel

Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy

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DOI:

10.3791/60765

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27. Mai 2020

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical, Industrial and Human Factors Engineering, Wright State University, 2South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll zeigt, wie die funktionale Ruhezustandskonnektivität im menschlichen präfrontalen Kortex mithilfe eines maßgeschneiderten diffusen Korrelationsspektroskopieinstruments gemessen wird. Der Bericht behandelt auch praktische Aspekte des Experiments sowie detaillierte Schritte zur Analyse der Daten.

Zusammenfassung

Um ein umfassendes Verständnis des menschlichen Gehirns zu erhalten, ist die Nutzung des zerebralen Blutflusses (CBF) als Kontrastquelle erwünscht, da es sich um einen wichtigen hämodynamischen Parameter im Zusammenhang mit der zerebralen Sauerstoffversorgung handelt. Ruhezustand niedrige Frequenzschwankungen auf der Grundlage von Sauerstoffkontrast haben gezeigt, dass Korrelationen zwischen funktional verbundenen Regionen zu liefern. Das vorgestellte Protokoll verwendet die optische diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS), um die blutflussbasierte Ruhezustandsfunktionskonnektivität (RSFC) im menschlichen Gehirn zu bewerten. Die Ergebnisse der CBF-basierten RSFC im menschlichen Frontalkorter deuten darauf hin, dass die intraregionale RSFC in der linken und rechten Kortik signifikant höher ist als in beiden Kortiken. Dieses Protokoll sollte für Forscher von Interesse sein, die multimodale bildgebende Verfahren einsetzen, um die Funktion des menschlichen Gehirns zu untersuchen, insbesondere in der pädiatrischen Bevölkerung.

Einleitung

Wenn sich das Gehirn in einem Ruhezustand befindet, zeigt es eine hohe Synchronisation spontaner Aktivität in funktional verwandten Regionen, die sich in der Nähe oder aus der Ferne befinden können. Diese synchronen Bereiche werden als funktionale Netzwerke1,2,3,4,5,6,7,8,9bezeichnet. Dieses Phänomen wurde zuerst durch eine funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) Studie mit Blut sauerstoffspiegelabhängigen (BOLD) Signalen aufgedeckt, die Sauerstoffgehalte des zerebralen Blutes5,10, auch bekannt als Ruhezustand funktionelle Konnektivität (RSFC) anzeigen. Anomalien in RSFC wurden mit Hirnerkrankungen wie Autismus11, Alzheimer12und Depression13assoziiert. Daher ist RSFC ein wertvolles Werkzeug für die Untersuchung von Patienten mit Störungen, die Probleme bei der Durchführung aufgabenbasierter Bewertungen haben. Viele Patienten, wie junge autistische Kinder, sind jedoch schlechte Kandidaten für die Beurteilung durch fMRI, da es erfordert, noch innerhalb eines begrenzten Raumes für längere Zeit14,15zu bleiben. Optische Bildgebung ist schnell und tragbar; daher ist es für die Mehrheit der Patienten geeignet, insbesondere die pädiatrische Bevölkerung16,17,18,19,20,21,22,23,24. Unter Ausnutzung dieser Vorteile wird die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), die die Hämoglobinkonzentration und die Sauerstoffsättigungsparameter im Gehirn quantifizieren kann, zur Messung von RSFC beim Menschen (einschließlich der pädiatrischen Bevölkerung4,8,25 und Patienten mit Autismus11 )verwendet.

Optische diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS), eine relativ neue optische Technik, kann den zerebralen Blutfluss quantifizieren, was ein wichtiger Parameter ist, der die Sauerstoffversorgung mit dem Stoffwechsel6,17,26,27,28,29assoziiert. Der durch DCS quantifizierte optische Strömungskontrast hat nachweislich eine höhere Empfindlichkeit im Gehirn als der Sauerstoffkontrast30. Daher ist die Verwendung von DCS-abgeleiteten CBF-Parametern zur Beurteilung von RSFC von Vorteil.

DCS ist empfindlich auf bewegte Blutkörperchen. Wenn Photonen aus sich bewegenden Blutzellen streuen, kann die Intensität des erkannten Lichts im Laufe der Zeit schwanken. DCS misst eine zeitbasierte Intensitäts-Autokorrelationsfunktion und ihre Zerfallsrate ist abhängig von den optischen Parametern und dem Blutfluss. Diese Werte werden letztlich verwendet, um den zerebralen Blutflussindex (CBFi) zu erhalten. Bei schneller endenden Blutzellen zerfällt die Intensitäts-Autokorrelationsfunktion schneller. Daher können Informationen über Die Bewegung tief unter der Gewebeoberfläche (z.B. im Gehirn) aus Messungen diffundierender Lichtschwankungen im Zeitverlauf abgeleitet werden27,31,32,33,34,35. DCS ist eine Technik, die das weithin bekannte fNIRS ergänzt und die Blutsauerstoffversorgung misst17,36. Da sowohl fNIRS als auch DCS optische Gehirnbildgebungstechniken mit hoher zeitlicher Auflösung im Bereich von Millisekunden sind, sind die optischen Bildgebungs-Setups weit weniger empfindlich auf Bewegungsartefakte als fMRI. Sie wurden auch erfolgreich für die funktionelle Gehirnbildgebung in pädiatrischen Populationen verwendet, einschließlich sehr junge Säuglinge16. Zuvor wurden oberflächliche Durchblutungsmessungen verwendet, um RSFC in präklinischen Studien an Mäusen zu bewerten37. Hier werden Blutflussparameter verwendet, um RSFC bei neun gesunden Erwachsenen als Proof-of-Concept-Studie38,39zu quantifizieren.

In dieser Studie wird ein kommerzielles FD-fNIRS-System und ein benutzerdefiniertes DCS-System verwendet(siehe Materialtabelle). Der im eigenen Haus gebaute DCS besteht aus zwei 785 nm, 100 mW, langen Kohärenzlängen-Kontinuierlichwellenlasern, die an einen FC-Stecker gekoppelt sind, und acht Single-Photon-Zählmaschinen (SPCM), die mit einem Auto-Korrelator verbunden sind. Eine benutzerdefinierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) wurde auch speziell für dieses System entwickelt, um die Photonenanzahl, Autokorrelationskurven und den semiquantitativen Blutfluss jedes SPCM-Kanals in Echtzeit anzuzeigen und zu speichern. Die Teile in diesem System werden häufig für DCS16,17,31,32,40,42,43,44, und die ergebnisse erhalten wurden auch intern verifiziert und in einer aktuellen Studie verwendet39.

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Protokoll

Das Protokoll wurde vom Institutional Review Board der Wright State University genehmigt, und vor dem Experiment wurde von jedem Teilnehmer die Zustimmung in Kenntnis der Sachlage eingeholt.

1. Themenvorbereitung

  1. Schalten Sie das FD-fNIRS- und DCS-System ein, um sich mindestens 10 min aufzuwärmen (siehe Abschnitte 2 und 3 für weitere Details), bevor Sie Messungen des Motivs starten. Ein Beispiel für die Betreffmessung mit dem kompakten DCS-Instrument ist in Abbildung 1dargestellt.
  2. Verwenden Sie zunächst ein Maßband, um den Abstand zwischen der Nasion zur Inion auf dem Kopf jedes Subjekts zu messen (Abbildung 2A).
  3. Markieren Sie mit der Nasion als Ausgangspunkt die Position, die 10 % des Abstands zum Inion beträgt, mit einem Tintenmarker. Dies bezeichnet den Punkt zwischen Fp1 und Fp2 der EEG 10/20-Montage (Abbildung 2A).
  4. Mit einer EEG 10/20-Kappe (siehe Materialtabelle)wird die Kappe so eingestellt, dass der markierte Punkt zwischen Fp1 und Fp2 liegt.
  5. Markieren Sie den Punkt zwischen Fp1 und F7 (linker Kortex) und den Punkt zwischen Fp2 und F8 (rechter Kortex). Dies stellt die Grenzen zwischen dem übergeordneten präfrontalen Kortex und dem dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLFC) bzw. zwischen der DLFC und dem unteren präfrontalen Kortex (IFC) für die linke und rechte Hemisphäre dar (Abbildung 2A).
  6. Platzieren Sie die Multimode-Fasern (MMF) mit einer 3D-gedruckten Sonde an den neu markierten Punkten (Punkte "S" auf Abbildung 2C) und verbinden Sie sie jeweils mit der 785 nm Laserlichtquelle (Abbildung 2B,C).
  7. Platzieren Sie die Singlemode-Fasern (SMFs) 2,75 cm vom Geldmarktfonds entfernt. Zwei Fasern sollten auf der DLFC (Standorte "DLFC,1" und "DLFC,2") und eine auf der IFC (Standort "IFC") platziert werden. Die Platzierung der SMF wird auf jeder Seite des Kortex für insgesamt sechs SMFs repliziert (Abbildung 2c).
  8. Platzieren Sie einen weiteren SMF 1 cm unter dem MMF an der Position "Ds"in beiden Seiten des Kortex (für den Nachweis des Blutflusses in der Kopfhaut) und verbinden Sie jeden der SMFs mit einzelnen Einzelphotonenzählmaschinen (Abbildung 2C).

p class="jove_title">2. FD-fNIRS Einstellungen und Kalibrierung

  1. Schalten Sie alle Lichter aus und schalten Sie das FD-fNIRS-System ein, um sich auf die Kalibrierung vorzubereiten.
    VORSICHT: Schauen Sie sich als allgemeine Vorsichtsmaßnahme nicht direkt die Lichtquellen und Faserausgänge an, da dies Zufall von Augenschäden haben kann. Verwenden Sie eine IR-Sensorkarte (Materialtabelle).
  2. Vermeiden Sie unnötige Exposition der Detektoren an Raumlichtpegel, um den geräuschfreien Betrieb aufrechtzuerhalten und Schäden an den Detektoren zu vermeiden.
  3. Erwärmen Sie die Lichtquellen und Detektoren, indem Sie das System einschalten und es mindestens 10 min laufen lassen (vorzugsweise 20 min Minimum und 1 h maximal für optimale Genauigkeit und Stabilität) mit eingeschaltetem Licht, Modulation und Detektorspannung.
  4. Führen Sie GUI-basierte Datenerfassungssoftware aus. Passen Sie die Detektorverstärkung an, um ein optimales Signal zu erzielen, wobei der Sensor an einem Kalibrier-Phantom befestigt und gesichert ist (polydimethylsiloxan-basiertes Phantom bekannter optischer Eigenschaften, siehe Tabelle der Materialien),indem Sie die Taste "auto-bias" drücken. Wenn die Überspannungswarnung blinkt, senken Sie die Verstärkung.
  5. Nachdem Sie die Detektorverstärkung angepasst haben, um das maximale Signal zu erhalten, trennen Sie eine der Quellfasern vom Detektor und stellen Sie sicher, dass der Gleichstrom (DC) weniger als 20 Zähler pro Messzeitraum für die entsprechende Quellfaser beträgt. Wenn er größer als dieser Wert ist, kann übermäßiges Raumlicht in den Detektor45eindringen. Wenn dies der Fall ist, sollte das System ausgeschaltet werden, dann sollte überschüssiges Licht im Raum blockiert/entfernt werden und die Schritte 2.4–2.5 wiederholt werden.
  6. Überprüfen Sie den richtigen Signalpegel von jeder Quelle und jedem Detektor. Das System definiert dies als über 100 und unter 1.500 Zählungen pro Messzyklus.
  7. Führen Sie die Kalibrierung durch Drücken der Taste "Kalibrieren" in der GUI durch. Das System nimmt Messungen vor und wendet Kalibrierfaktoren an, um die optischen Eigenschaften des bekannten Phantoms richtig zu messen. Diese Kalibrierfaktoren werden gespeichert und automatisch auf die In-vivo-Messungen angewendet.
  8. Protokollieren Sie die Kalibrierdaten, die eine Aufzeichnung der Systemleistung auf einem Standard-Phantom liefern.

3. DCS-Einstellungen

VORSICHT: Schauen Sie sich die Lichtquellen und Faserausgänge als allgemeine Vorsichtsmaßnahme nicht direkt an, um mögliche Augenschäden zu vermeiden. Verwenden Sie die IR-Sensorkarte (siehe Materialtabelle).

    4. Datenerhebung

    1. Weisen Sie das Subjekt an, Bewegungen während der 8-min-Messung zu minimieren.
    2. Schalten Sie das Licht aus und stellen Sie sicher, dass das Motiv in einer bequemen Position mit geschlossenen Augen sitzt.
    3. Führen Sie eine Basis-FD-fNIRS-Messung durch, indem Sie die optische Sonde des FD-fNIRS-Systems auf der Stirn neben der DCS-Sonde platzieren. Drücken Sie dann die Taste "Acquire" in der FD-fNIRS-Erfassungs-GUI. Diese Daten liefern statische optische Eigenschaften, Absorptionsparameter und Streuparameter (a, s),die für die Quantifizierung des dynamischen optischen Parameters CBFi17,20verwendet werden.
    4. Beginnen Sie nach Abschluss der FD-fNIRS-Messungen mit der Datenerfassung der optischen DCS-Messungen, indem Sie die Taste "Ausführen" in der DCS-Datenerfassungs-GUI drücken. Sammeln Sie Daten für insgesamt 8 min mit einer maximalen Integrationszeit von 2 s (je nach Signal-Rausch-Verhältnis für jedes Motiv wird weniger bevorzugt).
    5. Wiederholen Sie das Experiment bei Bedarf innerhalb von 1 h nach dem ersten Versuch, oder wiederholen Sie das Experiment während einer ähnlichen Tageszeit, um externe Schwankungen wie Ermüdung, Stimulanzien oder Temperatur zu reduzieren.

    5. Datenanalyse

    1. Für FD-fNIRS-Daten extrahieren Sie die optischen Absorptions- und Streueigenschaften (a, s), die nach derNeigungsmethode46,47,48,49,50,51,52,53verarbeitet werden.
    2. Da für DCS eine Nachbearbeitung erforderlich ist, importieren Sie die Autokorrelations-Rohdaten aus jedem der acht Kanäle in die Datenanalysesoftware.
    3. CBF-bezogene Parameterquantifizierung wird in den jüngsten Überprüfungen6,27,54detailliert beschrieben. Kurz, aus der normalisierten Intensität Autokorrelationsfunktion (g2 [r,n]), extrahieren Sie die normalisierte diffuse elektrische Feld temporale Autokorrelationsfunktion (g1 [r,]) mit der Siegert-Beziehung: g2 (r,) = 1 + g 1 (r,)| 2.
      ANMERKUNG: Die Konstante ist proportional zur Anzahl der erfassten räumlichen Modi6,17,27,55,56, reicht von 0 bis 1 und wird durch Anpassen der (normalisierten) elektrischen Feld-Autokorrelationsfunktion g1erreicht.
    4. Um einen blutflussbezogenen Parameter (DB) aus der Passung zu erhalten, verwenden Sie die analytische Lösung für g16,27,54 und passen Sie die Daten an das Modell oder die Zerfallsrate an:
      GLEICHUNG EINS
      ANMERKUNG: In der obigen Gleichung ist ko die Wellenzahl des Lichts im Medium, ein Faktor proportional zur Gewebeblutvolumenfraktion, und DB ist der effektive Brownian-Koeffizient. DB kann als Blutflussindex (BFI)6,54 oder CBFi17definiert werden. Hier wird CBFi verwendet.
    5. Passen Sie das Modell mit den optischen Parametern an, die von FD-fNIRS erhalten wurden. Die wichtigsten Parameter, für die sie passen, sind CBFi und .
      ANMERKUNG: Abbildung 3A zeigt repräsentative Daten, die für eine Analyse ausreichen. DCS-Daten werden verworfen, wenn (1) die Autokorrelationsfunktion deutlich niedriger ist als 1,5 (b < 0.5) (d. h. im Fall von Abbildung 3B, bei dem die Funktion 1,2, < 0,2, aufgrund von Raumlichtlecks beträgt) oder wenn (2) die Autokorrelationskurve nicht bei längerer Korrelationszeit auf 1 abnimmt (z. B. > 10 ms) (d. h. im Fall von Abbildung 3C, wo das Bewegungsartefakt, eine solche Kopf- oder Sondenbewegung, zu unbrauchbaren Daten führt).
    6. Detrend die quantifizierten Ergebnisse mit einer zweiten Ordnung Polynom-Passung, um langsame Drift zu entfernen (Abbildung 4A).
    7. Verwenden Sie einen Butterworth-Filter zweiter Ordnung ohne Phase mit einem Passband von 0,009–0,080 Hz, um unerwünschte Gehirnfrequenzen wie Mayer-Wellen zu entfernen (Abbildung 4A).
    8. Verwenden Sie die lineare Regression, um die Residuen aus jedem Kanal gegen die Kurzstreckenmessung zu erhalten, um die oberflächlichen Kopfhautsignale auf jeder Seite des Kortex zu entfernen (Abbildung 4B).
    9. Berechnen Sie den Korrelationskoeffizienten des Pearson zwischen den einzelnen Kanalpaaren, um die funktionale Konnektivität zwischen den Hirnregionen zu identifizieren (Abbildung 5).
    10. Transformieren Sie den Korrelationswert mithilfe einer Fisher Z-Transformation in einen Z-Wert und führen Sie einen t-Testdurch, um den p-Wert zu erhalten (Abbildung 5). Verwenden Sie die falsche Ermittlungsrate (FDR) für die Korrektur mehrerer Vergleiche.

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    Ergebnisse

    Die Durchführbarkeit der Verwendung von DCS zur Messung der funktionalen Konnektivität wurde erfolgreichentmostet 39. Die Ruhezustandsfunktionskonnektivität in den präfrontalen Kortiken von neun Probanden wurde gemessen. Die Ergebnisse (mittelwert - SD) deuteten auf eine höhere Korrelation in der intraregionalen Region der linken (0,64 x 0,25) und rechten (0,62 x 0,23) Kortiken hin, im Vergleich zur interregionalen Region der linken (0,32 x 0,32), (0,34 x 0,27) und rechten (0,34 x 0,29), (0,34 x 0...

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    Diskussion

    Um festzustellen, ob CBF, gemessen durch DCS, RSFC genau erfasste, wurden zwei Bereiche des Gehirns mit bekannten RSFC-Eigenschaften untersucht. Es wird davon ausgegangen, dass eine funktionale Konnektivität zwischen DLFC-Regionen und zwischen DLFC und IFC57,58,59vorhanden ist. Die Konnektivität zwischen zwei Standorten innerhalb der linken und rechten DLFC wurde gewählt, da die intraregionale Konnektivität in der Regel höher is...

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    Offenlegungen

    Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

    Danksagungen

    Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung des Ohio Third Frontier an das Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750) und die National Natural Science Foundation of China (Nr. 81771876) würdigen.

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    Materialien

    Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
    NameUnternehmenKatalognummerKommentare
    3D-gedruckte SondeInhouse-N/A3D-gedruckte PLA-Sonde (Craftbot, Craft unique)
    785 nm, 100 mW, CW, FC-gekoppelter LaserCrystaLaserDL785-100-SDCS-Komponente (Lichtquelle)
    Automatischer KorrelatorCorrelator.comFlex05-8chDCS-Komponente (Ausgabe der g2-Kurve an den PC)
    Datenerfassungs-GUIN/A-GUIkodiert in LabVIEW zum Ausführen der DCS-System
    Datenanalyse-SoftwareEigenerN/zur Erzielung von RSFC-Ergebnissen
    EEG-ElektrodenkappeOpenBCIN/AEEG-Mesh-Kappe mit Standardpositionen 10/20 Positionen
    Multimode-FaserOZ OpticsQMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3DCS-Komponente (Quellfaser)
    Oxiplex-KalibrierphantomISS75019, 75020Satz mit 2 PDMS Kalibrierung Phantom
    Oxiplex MuskelsondeISS860104-Kanal-Muskelsonde
    Oxiplex OximeterISS95205FD-fNIRS (690nm, 830nm)
    LeistungsmesserThorlabsPM100DLaserlicht Leistungseinsteller
    SensorkarteThorlabsF-IRC1-SLaser IR Strahlbetrachter
    Singlemode-FaserOZ OpticsSMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3DCS-Komponente (Detektorfaser)
    Einzelphotonen-ZählmaschineExcelitasSPMC-NIR-1x2-FCDCS-Komponente (Detektor)
    Interne , A-Matlab-Code

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