מוחין זרימת דם מבוסס על המצב מנוחה קישוריות תפקודית של המוח האנושי באמצעות ספקטרוסקופיית מתאם אופטי לפזר
27 במאי 2020
פרוטוקול זה מדגים כיצד למדוד במנוחה קישוריות המצב התפקודי בקליפה הקדם חזיתית האנושית באמצעות מותאם אישית מעשה לפזר מתאם ספקטרוסקופיה. הדוח גם דן בהיבטים מעשיים של הניסוי, כמו גם בשלבים מפורטים לניתוח הנתונים.
פרוטוקול זה משתמש בבדיקות אופטיות משתנות כדי להעריך את זרימת הדם במוח במהלך מצב המנוחה. יתרון חשוב של טכניקה זו הוא ניידותה. מה שהופך אותו מתאים היטב לניטור ליד המיטה.
הבדיקה הלבושה מאפשרת מדידות קישוריות תפקודית של מצב מנוחה שיש להשיג בסביבות טבעיות של הנבדקים הן עבור יישומים אבחוניים והן עבור יישומים טיפוליים. פרוטוקול זה משתמש בבדיקות אופטיות לבישות כדי להעריך את זרימת הדם במוח במהלך מדידות הקישוריות התפקודית של מצב המנוחה. הדגמת ההליך עם צ'ין פון תהיה בן ריינהרט, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי.
לפחות 10 דקות לפני תחילת הניתוח, להפעיל את FD-fNIRS ו DCS עם אפנון אור ומתח גלאי. השתמשו בקלטת מדידה כדי למדוד את המרחק בין ההתרסה לבין ההתכה על ראשו של הנבדק. באמצעות nasion כנקודת ההתחלה, השתמש בסמן דיו כדי לייעד את המיקום שהוא 10% מהמרחק להיכנס.
מקם כובע EEG 10/20 על ראשו של הנבדק כך שהנקודה המסומנת היא בין Fp1 ל- Fp2. סמן את הנקודה בין Fp1 ו- F7 בקליפת המוח השמאלית ואת הנקודה בין Fp2 ו- F8 בקליפת המוח הימנית כדי להפוך את הגבולות בין קליפת המוח הקדם-מצחית המעולה לבין קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-מצחית ובין קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-מצחית לבין קליפת המוח הקדם-מצחית הנחותה עבור ההמיספרות השמאלית והימין, בהתאמה. באמצעות בדיקה המודפסת בתלת-ממד, חבר את הסיבים הרב-מצביים למקור אור הלייזר של 785 ננומטר.
לאחר מכן הנח סיבים חד-מצביים נוספים בסנטימטר אחד מתחת לסיבים מרובי המצבים במיקום Ds משני צידי קליפת המוח וחבר כל אחד מהסיבים במצב יחיד למכונות בודדות לספירת פוטון יחיד. מניחים את הסיבים במצב יחיד במרחק של 2.75 ס"מ מהסיבים הרב-מצביים וממקמים סיב אחד על קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית השמאלית והימין וסיבים אחד על קליפת המוח הקדם-מצחית הנחותה. והנח את הסיבים הרב-מצביים בנקודות המסומנות לאחרונה.
כדי להכין את מערכת ה- FD-fNIRS לכיול, כבה את כל התאורות ופתח את תוכנת רכישת הנתונים של ממשק המשתמש הגרפי. לחץ על לחצן ההטיה האוטומטית כדי לכוונן את רווח הגלאי כדי להשיג אות אופטימלי עם החיישן מחובר ומאובטח לפנטום כיול. אם אזהרת מתח-יתר מהבהבת, הנך את הרווח.
לאחר האות המרבי הושג, לנתק את אחד מסיבי המקור, כך דליפת אור הרקע ניתן למדוד על ידי הגלאי. וודא שהזרם הישיר הוא פחות מ-20 ספירות לתקופת מדידה עבור סיבי המקור המתאימים. לאחר מכן, אמת את רמת האות המתאימה בכל מקור וגלאי ולחץ על כיול.
המערכת תנקוט מדידות ותחיל גורמי כיול כדי למדוד כראוי את המאפיינים האופטיים של הפנטום הידוע. לאחר מכן רשום את נתוני הכיול, אשר יספק תיעוד של ביצועי המערכת על פנטום סטנדרטי. כדי להגדיר את DCS, לחמם את מקורות אור לייזר המערכת ואת מכונות ספירת פוטון יחיד לפחות 10 דקות.
בתוכנת רכישת מערכת ממשק המשתמש הגרפית, אמת את הקשר של כל סיב על-ידי בדיקת ממשק המשתמש הגרפי כדי להשיג לפחות 5,000 ספירות לשניה ומתחת ל- 1, 000, 000 ספירות לשנייה. כדי לוודא את רמות ספירת הפוטונים מספיק מתקבלות מכל גלאי, בדוק את רמת ספירת הפוטונים ואת עקומות התיקון האוטומטי הקרובות בזמן אמת. כדי לאמת מגע סיבים מספיק ללא כל דליפת אור הסביבה, בדוק את y-intercept של עקומת התיקון האוטומטי.
הערך האופטימלי הוא כ-1.5 ללא שימוש בקיטובים. כדי לוודא כי החללית ומדידות אינם נוטים חפצים תנועה להדק את הלהקה אלסטית, כך שהוא חזק מספיק כדי להתנגד לתנועה אבל רופף מספיק כדי למנוע כל אי נוחות לנושא. לאחר מכן בדוק את עקומות התיקון האוטומטי כך עקומת התיקון האוטומטי נרקב לאחד עבור זמני מתאם ארוכים יותר.
לאחר מכן ודא כי הנושא יושב בתנוחה נוחה בעיניים עצומות. מניחים את הבדיקה האופטית של מערכת FD-fNIRS על המצח הסמוך לגשוש DCS ולחצו על 'רכוש' בתוכנת הרכישה FD-fNIRS. נתונים אלה יספקו תכונות אופטיות סטטיות, פרמטרי ספיגה ופרמטרים מפוזרים שישמש לכימות הפרמטר האופטי הדינמי.
כאשר כל הציוד מוכן, הורה לנושא למזער את כל התנועות במהלך המדידה ולכבות את האורות. לאחר השלמת מדידות FD-fNIRS, לחץ על הפעל בממשק רכישת הנתונים של DCS ואאסוף נתונים למשך שמונה דקות בסך הכל עם זמן אינטגרציה מרבי של שתי שניות. בניתוח מייצג זה נמדדה קישוריות תפקודית של מצב מנוחה בקליפת המוח הקדם-מצחית בתשעה נושאים.
מתאם גבוה יותר נצפה באזור הבין-אזורי של קליפות המוח השמאלית והימין מאשר נמדד באזור הבין-אזורי של קליפות המוח השמאלית והימין. יתר על כן, ניתוח T-test המשווה את החיבורים הבין-אזוריים והבין-אזוריים של מצב המנוחה התפקודי של שני הקורטיות חשף הבדל משמעותי בין ערכים אלה. חשוב לוודא כי הפרמטרים DCS נמצאים בטווחים המקובלים כמו כישלון לבצע כראוי שלבים אלה עלול לגרום לרכישת נתונים שאינם שמיש.
ספקטרוסקופיית מתאם מפוזרת יכולה לספק מדידה לא פולשנית של זרימת הדם. מה שהופך אותו לכלי שימושי לחקר הקישוריות התפקודית של המוח המנוחה או הפעיל על הגירויים השונים. מדידות לא פולשניות של זרימת הדם שימושיות להערכת טיפולים וטיפולים למחלות נוירולוגיות.
בעת ביצוע הליך זה, הקפד תמיד לעקוב אחר הנחיות בטיחות הלייזר המתאימות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מדגים את השימוש בספקטרוסקופיה של קורלציה דיפוזית (DCS) אופטית להערכת קישוריות תפקודית במצב מנוחה (RSFC) המבוססת על זרימת דם מוחית (CBF) במוח האנושי. השיטה עושה שימוש בגששים אופטיים ניידים שניתן ללבוש, מה שהופך אותה למתאימה לניטור לצד מיטת החולה ובסביבה טבעית, והיא רלוונטית במיוחד למחקרים הכוללים דימות רב-מודאלי של תפקודי המוח.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- דימות אופטי
- קישוריות מוחית תפקודית
רקע
- זרימת דם מוחית היא פרמטר המודינמי קריטי הקשור לאספקת החמצן למוח.
- תנודות בתדר נמוך בחמצון במצב מנוחה שימשו למיפוי קישוריות תפקודית.
- דרושות טכניקות ניידות ולא פולשניות לניטור מוח במיטת החולה ובקרב ילדים.
- DCS מציעה ניגודיות מבוססת זרימת דם למחקרי קישוריות תפקודית.
מטרת המחקר
- ביסוס פרוטוקול למדידת RSFC בקליפת המוח הפרונטלית של בני אדם באמצעות DCS.
- השוואה בין RSFC תוך-אזורי לבין RSFC בין-אזורי בקליפות המוח הפרה-פרונטליות השמאלית והימנית.
- אספקת שיטה ניידת ולא פולשנית להערכה תפקודית של המוח.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הנחת כובע EEG 10/20 וסימון אזורי קליפת המוח הפרה-פרונטלית.
- חיבור גששים אופטיים הודפסיים בתלת-ממד עם סיבים רב-מודליים וחד-מודליים המחוברים ללייזר 785 nm ומודולים לספירת פוטון בודד.
- כיול מערכות FD-fNIRS ו-DCS באמצעות פנטום סטנדרטי וכוונון הגבם (gain) של הגלאי.
- איסוף נתוני מצב מנוחה כאשר הנבדקים יושבים, עיניהם עצומות, ובתנועה מינימלית למשך שמונה דקות.
- ניתוח של RSFC תוך-אזורי ובין-אזורי באמצעות מתאם (correlation) ומבחני t-test סטטיסטיים.
תוצאות עיקריות
- ה-RSFC התוך-אזורי הן בקליפה השמאלית והן בימנית היה גבוה משמעותית מה-RSFC הבין-אזורי.
- ניתוח סטטיסטי (t-test) אישש הבדלים משמעותיים בין ערכי קישוריות תוך-אזורית לבין קישוריות בין-אזורית.
- הפרוטוקול אפשר מדידה אמינה ולא פולשנית של RSFC מבוסס CBF בתשעה נבדקים.
- כיול והגדרה נכונים היו קריטיים לקבלת נתונים שמיים.
מסקנות
- DCS הוא כלי רב-ערך ולא פולשני להערכת קישוריות תפקודית המבוססת על זרימת דם במוח האדם.
- הפרוטוקול מתאים לניטור לצד מיטת החולה ובסביבה טבעית, כולל יישומים פדיאטריים.
- מדידות RSFC המבוססות על CBF יכולות לסייע בהערכת טיפולים ותרפיות נוירולוגיות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מדידה לא פולשנית של קישוריות תפקודית במצב מנוחה (RSFC) המבוססת על זרימת דם מוחית, באמצעות ספקטרוסקופיה של קורלציה דיפוזית (DCS) אופטית, מאפשרת בחינה חסונה של דינמיקת רשתות מוחיות בסביבות טבעיות ובסביבת המטופל. יכולת זו תומכת בגילוי מוקדם ובמחקר תרגומי על ידי אספקת ביומרקרים המודינמיים כמותיים וניתנים לשחזור, הרלוונטיים למודלים של מחלות נוירולוגיות. הניידות של הפרוטוקול והתאימות שלו לדימות רב-מודאלי מקלות על שילובו בתהליכי מחקר ופיתוח של מדעי המוח ברמה ארגונית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הערכה כמותית של קישוריות מוחית תפקודית כסמן ביולוגי תרגומי.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית על ידי קישור דינמיקת זרימת הדם המוחית להיפותזות ברמת הרשת.
- מסייע בתיקוף מטרות במערכות רלוונטיות למחלה באמצעות מדידות לא פולשניות וניתנות לחזרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק קריאות RSFC סטנדרטיות וניתנות לשחזור להערכת השפעות של תרכובות או התערבויות על קישוריות מוחית.
- מכין מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עבור תהליכי סריקה של תרופות או מכשירים בשלבים הבאים.
- מאפשר פריסה ניתנת להרחבה ולניידות של בדיקות הן בסביבות קליניות והן בסביבות פרה-קליניות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתיישב עם אסטרטגיות של ביומרקרים תרגומיים על ידי אספקת מדדי קישוריות כמותיים ישירים המבוססים על CBF.
- תומך ברצף מהשלבים המוקדמים של הגילוי ועד לאישור פרה-קליני במודלים של מחלות נוירולוגיות.
- מפחית סיכון ביולוגי על ידי מתן אפשרות לניטור אורכי ולא פולשני של שינויים ברשתות המוחיות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
פרוטוקול RSFC מבוסס DCS זה משתלב ברצף שבין שלב הגילוי לשלב הפרה-קליני, ותומך בבדיקת היפותזות, תיקוף מטרות ופיתוח ביומרקרים תרגומיים עבור אינדיקציות נוירולוגיות.
- ביולוגיה של תגליות: מכמת קישוריות תפקודית כדי להבהיר היפותזות על רשתות מוחיות ולהפחית סיכונים בהנחות מכניסטיות.
- סריקה: מספק פלטי RSFC כמותיים הניתנים לשחזור ומתאימים להערכת תרכובות או התערבויות.
- אנליטיקה: מספק השוואה סטטיסטית של קישוריות תוך-אזורית ובין-אזורית באמצעות ניתוח t-test.
- מחקר תרגומי: מאפשר סנכרון של אסטרטגיות לסממנים ביולוגיים פרה-קליניים וקליניים באמצעות מדידת CBF לא פולשנית.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה ניידת וניתנת להרחבה, הניתנת להתאמה למגוון סביבות מחקר נוירולוגיות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי במודולציה של רשתות מוחיות ובמעורבות המטרה.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והסקילביליות של בדיקות קישוריות תפקודית.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) ומפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים בתיקי פיתוח של מדעי המוח.
- השפעה על תיק הנכסים: תומך בתעדוף מותאם סיכון ובקידום של נכסים נוירולוגיים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדימות עצבי אופטי ובניתוח נתונים המודינמיים.
- נדרשת גישה למכשור DCS ו-FD-fNIRS ולפנטומים לכיול.
- דורש סטנדרטיזציה קפדנית בין צוותים לגבי מיקום הגששים ונהלי הכיול.
- ניתן להתאמה לאוכלוסיות ילדים ומבוגרים, תוך מתן תשומת לב להתאמת הגשש ולנוחות.
- תלוי בהקפדה יתרה על בטיחות לייזר ופרוטוקולים לצמצום ארטיפקטים של תנועה.
