Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy
27. Mai 2020
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.
Dieses Protokoll verwendet variable optische Sonden, um den Blutfluss im Gehirn während des Ruhezustands zu bewerten. Ein wichtiger Vorteil dieser Technik ist ihre Portabilität. Damit ist es für die Nachtüberwachung gut geeignet.
Die tragbare Sonde ermöglicht es, funktionale Konnektivitätsmessungen im Ruhezustand in natürlichen Umgebungen der Probanden sowohl für diagnostische als auch therapeutische Anwendungen zu erhalten. Dieses Protokoll verwendet tragbare optische Sonden, um den Blutfluss im Gehirn während der funktionellen Konnektivitätsmessungen des Ruhezustands zu bewerten. Demonstrieren das Verfahren mit Chien Poon wird Ben Rinehart, ein Grad Student aus meinem Labor.
Schalten Sie fD-fNIRS und DCS mindestens 10 Minuten vor Beginn der Analyse mit einer Lichtmodulation und Detektorspannung aus. Verwenden Sie ein Maßband, um den Abstand zwischen der Nasion und der Inion auf dem Kopf des Motivs zu messen. Verwenden Sie die Nasion als Ausgangspunkt, um die Position zu bestimmen, die 10 % des Abstands zum Inion beträgt.
Legen Sie eine EEG 10/20-Kappe auf den Kopf des Motivs, so dass der markierte Punkt zwischen Fp1 und Fp2 liegt. Markieren Sie den Punkt zwischen Fp1 und F7 auf dem linken Kortex und den Punkt zwischen Fp2 und F8 auf dem rechten Kortex, um die Grenzen zwischen dem oberen präfrontalen Kortex und dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und zwischen dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und dem unteren präfrontalen Kortex für die linke bzw. rechte Hemisphäre zu bilden. Verbinden Sie die Multimode-Fasern mit einer 3D-gedruckten Sonde mit der 785 Nanometer-Laserlichtquelle.
Legen Sie dann eine weitere Single-Mode-Faser einen Zentimeter unter den Multimode-Fasern an der Ds-Position auf beiden Seiten des Kortex und verbinden Sie jede der Single-Mode-Fasern mit einzelnen Single-Photon-Zählmaschinen. Platzieren Sie die Singlemode-Fasern 2,75 Zentimeter von den Multimode-Fasern entfernt und legen Sie eine Faser auf der linken und rechten dorsalen seitlichen präfrontalen Kortik und eine Faser auf den unteren präfrontalen Kortex. Und platzieren Sie die Multimode-Fasern auf den neu markierten Punkten.
Um das FD-fNIRS-System für die Kalibrierung vorzubereiten, schalten Sie alle Lichter aus und öffnen Sie die Datenerfassungssoftware der grafischen Benutzeroberfläche. Klicken Sie auf die Auto-Bias-Taste, um die Detektorverstärkung anzupassen, um ein optimales Signal zu erzielen, bei dem der Sensor an einem Kalibrier-Phantom befestigt und gesichert ist. Wenn die Überspannungswarnung blinkt, senken Sie die Verstärkung.
Nachdem das maximale Signal erreicht wurde, trennen Sie eine der Quellfasern, damit die Hintergrundlichtleckage vom Detektor gemessen werden kann. Und stellen Sie sicher, dass der Gleichstrom weniger als 20 Zählungen pro Messzeitraum für die entsprechende Quellfaser beträgt. Überprüfen Sie als Nächstes die korrekte Signalpegelanzeige an jeder Quelle und jedem Detektor, und klicken Sie auf Kalibrieren.
Das System nimmt Messungen vor und wendet Kalibrierfaktoren an, um die optischen Eigenschaften des bekannten Phantoms richtig zu messen. Protokollieren Sie dann die Kalibrierdaten, die eine Aufzeichnung der Systemleistung auf einem Standard-Phantom liefern. Um die DCS einzurichten, wärmen Sie die Systemlaserlichtquellen und die Single-Photon-Zählmaschinen für mindestens 10 Minuten auf.
Überprüfen Sie in der Software zur Systemerfassung der grafischen Benutzeroberfläche den Kontakt der einzelnen Fasern, indem Sie die grafische Benutzeroberfläche überprüfen, um mindestens 5.000 Zählungen pro Sekunde und weniger als 1.000 000 Zählungen pro Sekunde zu erhalten. Um zu überprüfen, ob von jedem Detektor ausreichende Photonenanzahlwerte ermittelt werden, überprüfen Sie die Photonenanzahl und die Nahezu-Echtzeit-Autokorrelationskurven. Überprüfen Sie den y-Abfang der Autokorrelationskurve, um einen ausreichenden Faserkontakt ohne Lichtlecks zu überprüfen.
Der optimale Wert beträgt ca. 1,5 ohne den Einsatz von Polarisatoren. Um zu überprüfen, ob die Sonde und Messungen nicht anfällig für Bewegungsartefakte sind, straffen Sie das Elastische Band so fest, dass es fest genug ist, um der Bewegung zu widerstehen, aber locker genug, um Beschwerden für das Motiv zu verhindern. Überprüfen Sie dann die Autokorrelationskurven, sodass die Autokorrelationskurve für längere Korrelationszeiten zu einer zerfällt.
Dann bestätigen Sie, dass das Motiv in einer bequemen Position mit geschlossenen Augen sitzt. Platzieren Sie die optische Sonde des FD-fNIRS-Systems auf der Stirn neben der DCS-Sonde, und klicken Sie in der FD-fNIRS-Erfassungssoftware auf Acquire. Diese Daten liefern statische optische Eigenschaften, Absorptionsparameter und Streuparameter, die für die Quantifizierung des dynamischen optischen Parameters verwendet werden.
Wenn das gesamte Gerät bereit ist, weisen Sie das Motiv an, bewegungen während der Messung zu minimieren und das Licht auszuschalten. Klicken Sie nach Abschluss der FD-fNIRS-Messungen in der DCS-Datenerfassungsschnittstelle auf Ausführen und erfassen Sie Daten für insgesamt acht Minuten mit maximal zwei Sekunden Integrationszeit. In dieser repräsentativen Analyse wurde die Ruhezustandsfunktionskonnektivität in den präfrontalen Kortiken an neun Probanden gemessen.
In der intraregionalen Region der linken und rechten Kortik wurde eine höhere Korrelation beobachtet als in der interregionalen Region der linken und rechten Kortik. Darüber hinaus ergab die T-Test-Analyse zum Vergleich der inter- und interregionalen Ruhezustandsfunktionsverbindungen beider Kortiken einen signifikanten Unterschied zwischen diesen Werten. Es ist wichtig, zu überprüfen, ob die DCS-Parameter innerhalb der zulässigen Bereiche liegen, da die Nichtdurchführung dieser Schritte zur Erfassung nicht verwendbarer Daten führen kann.
Die diffuse Korrelationsspektroskopie kann eine nicht-invasive Messung des Blutflusses ermöglichen. Machen es ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung der funktionellen Konnektivität des ruhenden oder aktiven Gehirns auf den verschiedenen Stimulationen. Nicht-invasive Messungen des Blutflusses sind nützlich für die Bewertung von Behandlungen und Therapien bei neurologischen Erkrankungen.
Achten Sie bei der Durchführung dieses Verfahrens darauf, immer die entsprechenden Lasersicherheitsrichtlinien zu befolgen.
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Übersicht
Dieses Protokoll demonstriert die Anwendung der optischen diffusen Korrelationsspektroskopie (DCS) zur Beurteilung der auf zerebralem Blutfluss (CBF) basierenden funktionellen Ruhezustandskonnektivität (RSFC) im menschlichen Gehirn. Die Methode nutzt tragbare, portable optische Sonden und eignet sich daher für die Überwachung am Krankenbett und in natürlichen Umgebungen. Sie ist besonders relevant für Studien, die multimodale Bildgebung der Gehirnfunktion einbeziehen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Optische Bildgebung
- Funktionelle Hirnkonnektivität
Hintergrund
- Die zerebrale Durchblutung ist ein entscheidender hämodynamischer Parameter, der mit der Sauerstoffversorgung des Gehirns verknüpft ist.
- Niedrigfrequente Schwankungen der Oxygenierung im Ruhezustand wurden zur Abbildung der funktionellen Konnektivität verwendet.
- Es werden nichtinvasive, tragbare Verfahren für die Überwachung des kindlichen und erwachsenen Gehirns am Bett erforderlich.
- DCS bietet einen auf der Durchblutung basierenden Kontrast für Studien zur funktionellen Konnektivität.
Zweck der Studie
- Ein Protokoll zur Messung der RSFC im menschlichen frontalen Kortex unter Verwendung von DCS etablieren.
- Intra- und interregionale RSFC in den linken und rechten präfrontalen Kortizes vergleichen.
- Eine nichtinvasive, tragbare Methode für die funktionelle Gehirnbeurteilung bereitstellen.
Verwendete Methoden
- Platzierung der EEG-10/20-Kappe und Markierung der präfrontalen Cortexbereiche.
- Befestigung der 3D-gedruckten optischen Sonden mit Multimode- und Monomode-Fasern, die mit einem 785-nm-Laser und Single-Photon-Zählmodulen verbunden sind.
- Kalibrierung der FD-fNIRS- und DCS-Systeme mithilfe eines Standard-Phantoms und Anpassung der Detektorverstärkung.
- Aufnahme von Ruhezustandsdaten mit sitzenden Probanden, geschlossenen Augen und minimaler Bewegung über acht Minuten.
- Analyse der intra- und interregionalen RSFC unter Verwendung von Korrelations- und t-Test-Statistiken.
Hauptergebnisse
- Die intra-regionale RSFC in beiden, der linken und rechten Hirnrinde, war signifikant höher als die inter-regionale RSFC.
- Die statistische Analyse (t-Test) bestätigte signifikante Unterschiede zwischen den intra- und inter-regionalen Konnektivitätswerten.
- Das Protokoll ermöglichte eine zuverlässige, nicht-invasive Messung der auf CBF basierenden RSFC bei neun Probanden.
- Eine korrekte Kalibrierung und Einrichtung war entscheidend, um verwertbare Daten zu erhalten.
Schlussfolgerungen
- DCS ist ein wertvolles, nicht-invasives Verfahren zur Beurteilung der auf Durchblutung basierenden funktionellen Konnektivität im menschlichen Gehirn.
- Das Protokoll eignet sich für die Überwachung am Krankenbett und unter natürlichen Bedingungen, einschließlich pädiatrischer Anwendungen.
- CBF-basierte RSFC-Messungen können bei der Bewertung neurologischer Behandlungen und Therapien helfen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die nichtinvasive Messung der auf zerebralem Blutfluss basierenden funktionellen Ruhezustandskonnektivität (RSFC) mittels optischer diffuser Korrelationsspektroskopie (DCS) ermöglicht eine robuste Untersuchung der Dynamik neuronaler Netzwerke in natürlichen Umgebungen und am Krankenbett. Diese Fähigkeit unterstützt die frühe Forschung und translationsmedizinische Studien, indem sie quantitative, reproduzierbare hämodynamische Biomarker bereitstellt, die für neurologische Krankheitsmodelle relevant sind. Die Portabilität des Protokolls und seine Kompatibilität mit multimodalen Bildgebungsverfahren erleichtern die Integration in unternehmensweite Neurowissenschafts-Forschungs- und Entwicklungsabläufe.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die quantitative Beurteilung der funktionellen Hirnkonnektivität als translationsbasierten Biomarker.
- Unterstützt die mechanistische Risikominimierung, indem zerebrale Durchblutungsdynamik mit netzwerkebenebezogenen Hypothesen verknüpft wird.
- Erleichtert die Target-Validierung in krankheitsrelevanten Systemen durch nicht-invasive, wiederholbare Messungen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Liefert standardisierte, reproduzierbare RSFC-Leseergebnisse zur Bewertung der Wirkung von Substanzen oder Interventionen auf die funktionelle Hirnvernetzung.
- Bereitet validierte biologische Systeme für nachgeschaltete pharmakologische Screening-Verfahren oder Geräteprüfungen vor.
- Ermöglicht den skalierbaren und portablen Einsatz von Assays sowohl in klinischen als auch präklinischen Umgebungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Ergänzt translativen Biomarker-Strategien, indem direkte, quantitative CBF-basierte Konnektivitätsmetriken bereitgestellt werden.
- Unterstützt die Kontinuität von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Validierung in Modellen neurologischer Erkrankungen.
- Verringert biologische Risiken, indem eine nicht-invasive, longitudinale Überwachung von Veränderungen im Gehirnnetzwerk ermöglicht wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses auf DCS basierende RSFC-Protokoll fügt sich in den Kontinuum von der Entdeckung bis zur präklinischen Phase ein und unterstützt die Hypothesenprüfung, Zielvalidierung sowie die Entwicklung übersetzbarer Biomarker für neurologische Indikationen.
- Entdeckungsbiologie: Quantifiziert die funktionelle Konnektivität, um Hypothesen über Gehirnnetzwerke zu klären und mechanistische Annahmen abzusichern.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Ergebnisse der ruhendzustandsfunktionalen Konnektivität (RSFC), die zur Bewertung von Wirkstoffen oder Interventionen geeignet sind.
- Analytik: Ermöglicht statistische Vergleiche der intra- und interregionalen Konnektivität mittels t-Test-Analyse.
- Translationale Forschung: Ermöglicht die Abstimmung präklinischer und klinischer Biomarkerstrategien durch nichtinvasive CBF-Messung.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine portable, skalierbare Plattform, die an verschiedene Bereiche der neurologischen Forschung anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bezüglich der Modulation von Hirnnetzwerken und der Zielstrukturenbindung.
- Operationaler Wert: Verbessert die Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von funktionellen Konnektivitätsanalysen.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung hinsichtlich Fortführung oder Abbruch von Projekten und verringert biologische Risiken im fortgeschrittenen Stadium bei neurowissenschaftlichen Projekten.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung neurologischer Assets.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in optischer Neuroimaging-Technik und der Analyse hämodynamischer Daten.
- Benötigt Zugang zu DCS- und FD-fNIRS-Geräten sowie Kalibrationsphantomen.
- Erfordert eine strenge, übergreifende Standardisierung der Probenaufbringung und Kalibrierungsverfahren.
- Anpassbar an pädiatrische und erwachsene Populationen unter Berücksichtigung der Probenausrichtung und des Tragekomforts.
- Setzt strikte Einhaltung der Lasersicherheitsvorschriften und Maßnahmen zur Minimierung von Bewegungsartefakten voraus.
