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

Chien Poon; Ben Rinehart; Jun Li; Ulas Sunar

doi:10.3791/60765

Methodenartikel

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

DOI:

10.3791/60765

⸱

27. Mai 2020

Chien Poon¹ , Ben Rinehart¹ , Jun Li¹^,² , Ulas Sunar¹

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

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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

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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

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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) ....

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Protokoll

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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

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.
Verwenden Sie zunächst ein Maßband, um den Abstand zwischen der Nasion zur Inion auf dem Kopf jedes Subjekts zu ....

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Ergebnisse

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Die Durchführbarkeit der Verwendung von DCS zur Messung der funktionalen Konnektivität wurde erfolgreich^{entmostet 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

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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

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Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

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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
Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
3D-gedruckte Sonde	Inhouse-N	/A	3D-gedruckte PLA-Sonde (Craftbot, Craft unique)
785 nm, 100 mW, CW, FC-gekoppelter Laser	CrystaLaser	DL785-100-S	DCS-Komponente (Lichtquelle)
Automatischer Korrelator	Correlator.com	Flex05-8ch	DCS-Komponente (Ausgabe der g2-Kurve an den PC)
Datenerfassungs-GUI	N/	A-GUI	kodiert in LabVIEW zum Ausführen der DCS-System
Datenanalyse-Software	Eigener	N/	zur Erzielung von RSFC-Ergebnissen
EEG-Elektrodenkappe	OpenBCI	N/A	EEG-Mesh-Kappe mit Standardpositionen 10/20 Positionen
Multimode-Faser	OZ Optics	QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3	DCS-Komponente (Quellfaser)
Oxiplex-Kalibrierphantom	ISS	75019, 75020	Satz mit 2 PDMS Kalibrierung Phantom
Oxiplex Muskelsonde	ISS	86010	4-Kanal-Muskelsonde
Oxiplex Oximeter	ISS	95205	FD-fNIRS (690nm, 830nm)
Leistungsmesser	Thorlabs	PM100D	Laserlicht Leistungseinsteller
Sensorkarte	Thorlabs	F-IRC1-S	Laser IR Strahlbetrachter
Singlemode-Faser	OZ Optics	SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3	DCS-Komponente (Detektorfaser)
Einzelphotonen-Zählmaschine	Excelitas	SPMC-NIR-1x2-FC	DCS-Komponente (Detektor)

Interne , A-Matlab-Code

Referenzen

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Cohen, A. L., et al. Defining functional areas in individual human brains using resting functional connectivity MRI. NeuroImage. 41 (1), 45-57 (2008).
Pizoli, C. E., et al.

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Schlagwörter

Konnektivit t im Ruhezustand optische Sonden pr frontaler Kortex Blutflussmessung nicht invasives Monitoring FD fNIRS Einzelphotonenz hlung

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

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Einleitung

Protokoll

Ergebnisse

Diskussion

Offenlegungen

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