Connettività funzionale dello stato di riposo basato sul flusso sanguigno cerebrale del cervello umano utilizzando la spettroscopia ottica di correlazione diffusa
27 maggio 2020
Questo protocollo dimostra come misurare la connettività funzionale dello stato di riposo nella corteccia prefrontale umana utilizzando uno strumento di spettroscopia di correlazione diffusa su misura. La relazione discute anche gli aspetti pratici dell'esperimento e le fasi dettagliate per l'analisi dei dati.
Questo protocollo utilizza sonde ottiche variabili per valutare il flusso sanguigno cerebrale durante lo stato di riposo. Un importante vantaggio di questa tecnica è la sua portabilità. Rendendolo adatto per il monitoraggio al capezzale.
La sonda indossabile consente di ottenere misurazioni della connettività funzionale allo stato di riposo in ambienti naturali dei soggetti sia per applicazioni diagnostiche che terapeutiche. Questo protocollo utilizza sonde ottiche indossabili per valutare il flusso sanguigno cerebrale durante le misurazioni della connettività funzionale dello stato di riposo. A dimostrare la procedura con Chien Poon sarà Ben Rinehart, uno studente laureato del mio laboratorio.
Almeno 10 minuti prima di iniziare l'analisi, alimentare fd-fNIRS e DCS con una modulazione della luce e tensione del rivelatore. Utilizzare un metro a nastro per misurare la distanza tra la nasione e l'inione sulla testa del soggetto. Utilizzando la nasione come punto di partenza, utilizzare un indicatore di input penna per designare la posizione che è il 10% della distanza dall'inione.
Posizionare un tappo EEG 10/20 sulla testa del soggetto in modo che il punto contrassegnato sia compreso tra Fp1 e Fp2. Segnare il punto tra Fp1 e F7 sulla corteccia sinistra e il punto tra Fp2 e F8 sulla corteccia destra per fare i confini tra la corteccia prefrontale superiore e la corteccia prefrontale dorsolaterale e tra la corteccia prefrontale dorsolaterale e la corteccia prefrontale anteriore inferiore, rispettivamente per l'emisfero sinistro e destro. Utilizzando una sonda stampata in 3D, collegare le fibre multi-mode alla sorgente di luce laser da 785 nanometri.
Quindi posizionare un'altra fibra mono-modalità di un centimetro sotto le fibre multi-modalità nella posizione Ds su entrambi i lati della corteccia e collegare ciascuna delle fibre mono-modalità alle singole macchine per il conteggio dei fotoni singoli. Posizionare le fibre monofase a 2,75 centimetri di distanza dalle fibre multi-modalità e posizionare una fibra sui cortici prefrontali dorsali sinistro e destro e una fibra sulla corteccia prefrontale inferiore. E posizionare le fibre multi-mode sui punti appena contrassegnati.
Per preparare il sistema FD-fNIRS per la calibrazione, spegnere eventuali luci e aprire il software di acquisizione dati dell'interfaccia utente grafica. Fare clic sul pulsante di polarizzazione automatica per regolare il guadagno del rilevatore per ottenere un segnale ottimale con il sensore collegato e fissato a un fantasma di calibrazione. Se l'avviso di sovratensione lampeggia, abbassare il guadagno.
Dopo aver ottenuto il segnale massimo, scollegare una delle fibre di sorgente in modo che la perdita di luce di fondo possa essere misurata dal rilevatore. E verificare che la corrente continua sia inferiore a 20 conteggi per periodo di misurazione per la fibra sorgente corrispondente. Quindi, verificare la corretta lettura del livello del segnale su ogni sorgente e rilevatore e fare clic su calibra.
Il sistema prenderà misure e applicherà fattori di calibrazione per misurare correttamente le proprietà ottiche del fantasma noto. Quindi registrare i dati di calibrazione, che forniranno una registrazione delle prestazioni del sistema su un phantom standard. Per configurare il DCS, riscaldare le sorgenti di luce laser del sistema e le macchine per il conteggio dei fotoni singoli per almeno 10 minuti.
Nel software di acquisizione del sistema di interfaccia utente grafica, verificare il contatto di ogni fibra controllando l'interfaccia utente grafica in modo da ottenere almeno 5.000 conteggi al secondo e inferiori a 1.000.000 conteggi al secondo. Per verificare i livelli di conteggio dei fotoni sufficienti ottenuti da ciascun rivelatore, controllare il livello di conteggio dei fotoni e le curve di autocorrelazione quasi in tempo reale. Per verificare un contatto sufficiente con le fibre senza perdite di luce ambientale, controllare l'intercetta y della curva di autocorrelazione.
Il valore ottimale è di circa 1,5 senza l'uso di polarizzatori. Per verificare che la sonda e le misurazioni non siano soggette a artefatti di movimento stringono la banda elastica in modo che sia abbastanza stretta da resistere al movimento ma abbastanza sciolta da evitare qualsiasi disagio al soggetto. Quindi controllare le curve di autocorrelazione in modo che la curva di autocorrelazione decadi in una per tempi di correlazione più lunghi.
Quindi conferma che il soggetto è seduto in una posizione comoda con gli occhi chiusi. Posizionare la sonda ottica del sistema FD-fNIRS sulla fronte adiacente alla sonda DCS e fare clic su Acquisisci nel software di acquisizione FD-fNIRS. Questi dati forniranno proprietà ottiche statiche, parametri di assorbimento e parametri di dispersione che verranno utilizzati per la quantificazione del parametro ottico dinamico.
Quando tutta l'apparecchiatura è pronta, istruire il soggetto a ridurre al minimo eventuali movimenti durante la misurazione e spegnere le luci. Dopo aver completato le misurazioni FD-fNIRS, fare clic su Esegui nell'interfaccia di acquisizione dati DCS e raccogliere dati per un totale di otto minuti con un tempo massimo di integrazione di due secondi. In questa analisi rappresentativa, la connettività funzionale dello stato di riposo nelle cortici prefrontali è stata misurata in nove soggetti.
una correlazione più elevata è stata osservata nella regione intraregionale dei cortici sinistro e destro rispetto alla regione interregionale della cortici sinistra e destra. Inoltre, l'analisi t-test confrontando le connettività funzionali dello stato di riposo interregionale e interregionale di entrambe le cortici ha rivelato una differenza significativa tra questi valori. È importante verificare che i parametri DCS si trovano all'interno degli intervalli accettabili in quanto la mancata esecuzione di questi passaggi può comportare l'acquisizione di dati inutilizzabili.
La spettroscopia di correlazione diffusa può fornire una misurazione non invasiva del flusso sanguigno. Rendendolo uno strumento utile per studiare la connettività funzionale del cervello a riposo o attivo sulle varie stimolazioni. Le misurazioni non invasive del flusso sanguigno sono utili per la valutazione di trattamenti e terapie per malattie neurologiche.
Quando si esegue questa procedura, assicurarsi di seguire sempre le linee guida di sicurezza laser appropriate.
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Panoramica
Questo protocollo illustra l'utilizzo della spettroscopia ottica a correlazione diffusa (DCS) per valutare la connettività funzionale a riposo (RSFC) basata sul flusso ematico cerebrale (CBF) nel cervello umano. Il metodo sfrutta sonde ottiche indossabili e portatili, rendendolo adatto al monitoraggio al letto del paziente e in ambienti naturali, ed è particolarmente rilevante per studi che coinvolgono l'imaging multimodale della funzione cerebrale.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Immagini ottiche
- Connessione funzionale del cervello
Sfondo
- Il flusso ematico cerebrale è un parametro emodinamico fondamentale legato all'apporto di ossigeno cerebrale.
- Le fluttuazioni a bassa frequenza nello stato di riposo dell'ossigenazione sono state utilizzate per mappare la connettività funzionale.
- Sono necessarie tecniche non invasive e portatili per il monitoraggio cerebrale al letto del paziente e in ambito pediatrico.
- La DCS offre un contrasto basato sul flusso ematico per studi di connettività funzionale.
Scopo dello studio
- Stabilire un protocollo per la misurazione della RSFC nella corteccia frontale umana mediante DCS.
- Confrontare la RSFC intra-regionale e inter-regionale nelle cortecce prefrontali sinistra e destra.
- Fornire un metodo non invasivo e portatile per la valutazione funzionale del cervello.
Metodi Utilizzati
- Posizionamento del casco EEG 10/20 e marcatura delle aree della corteccia prefrontale.
- Collegamento delle sonde ottiche stampate in 3D, dotate di fibre multimodali e monomodali, a un laser a 785 nm e a moduli di conteggio di fotoni singoli.
- Calibrazione dei sistemi FD-fNIRS e DCS mediante un fantoccio standard e regolazione del guadagno del rivelatore.
- Acquisizione di dati allo stato di riposo con i soggetti seduti, occhi chiusi e movimenti minimi per otto minuti.
- Analisi della connettività funzionale a riposo intra- e inter-regionale mediante statistiche di correlazione e test t.
Risultati principali
- La RSFC intra-regionale in entrambe le cortecce, sinistra e destra, era significativamente più elevata rispetto alla RSFC inter-regionale.
- L'analisi statistica (test t) ha confermato differenze significative tra i valori di connettività intra- e inter-regionale.
- Il protocollo ha permesso una misurazione affidabile e non invasiva della RSFC basata sul CBF in nove soggetti.
- Una corretta calibrazione e configurazione erano fondamentali per ottenere dati utilizzabili.
Conclusioni
- La DCS è uno strumento prezioso e non invasivo per valutare la connettività funzionale basata sul flusso ematico nel cervello umano.
- Il protocollo è adatto al monitoraggio al letto del paziente e in condizioni naturalistiche, inclusa l'applicazione in ambito pediatrico.
- Le misurazioni della RSFC basate sul flusso ematico cerebrale possono contribuire alla valutazione di trattamenti e terapie neurologiche.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La misurazione non invasiva della connettività funzionale a riposo (RSFC) basata sul flusso ematico cerebrale mediante spettroscopia ottica a correlazione diffusa (DCS) consente un'analisi robusta della dinamica delle reti cerebrali in contesti naturalistici e al letto del paziente. Questa capacità supporta la ricerca traslazionale e la scoperta precoce fornendo biomarcatori emodinamici quantitativi e riproducibili, rilevanti per i modelli di malattie neurologiche. La portabilità del protocollo e la compatibilità con l'imaging multimodale facilitano l'integrazione nei flussi operativi aziendali per la ricerca e lo sviluppo in neuroscienze.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Consente una valutazione quantitativa della connettività funzionale del cervello come biomarcatore traslazionale.
- Supporta la riduzione del rischio meccanicistico collegando la dinamica del flusso ematico cerebrale a ipotesi a livello di rete.
- Facilita la validazione del bersaglio in sistemi rilevanti per la malattia attraverso misurazioni non invasive e ripetibili.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce letture standardizzate e riproducibili della connettività funzionale a riposo (RSFC) per valutare gli effetti di composti o interventi sulla connettività cerebrale.
- Prepara sistemi biologici validati per flussi di lavoro di screening farmacologico o con dispositivi successivi.
- Consente un'implementazione scalabile e portatile del saggio sia in ambienti clinici che preclinici.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Si allinea alle strategie traslazionali dei biomarcatori offrendo metriche quantitative dirette di connettività basate sul flusso ematico cerebrale (CBF).
- Supporta la continuità dalla fase iniziale di scoperta fino alla validazione preclinica nei modelli di malattie neurologiche.
- Riduce il rischio biologico consentendo un monitoraggio non invasivo e longitudinale dei cambiamenti nella rete cerebrale.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo RSFC basato su DCS si inserisce nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica, sostenendo la verifica delle ipotesi, la validazione degli obiettivi e lo sviluppo di biomarcatori traslazionali per indicazioni neurologiche.
- Biologia della Scoperta: Quantifica la connettività funzionale per chiarire le ipotesi sulle reti cerebrali e ridurre i rischi associati alle assunzioni meccanicistiche.
- Screening: Fornisce output di connettività funzionale a riposo (RSFC) riproducibili e quantitativi, adatti alla valutazione di composti o interventi.
- Analisi: Permette il confronto statistico della connettività intra- e inter-regionale mediante analisi t-test.
- Ricerca Translazionale: Consente l'allineamento tra strategie biomarcatori precliniche e cliniche attraverso la misurazione non invasiva del flusso ematico cerebrale (CBF).
- Riutilizzo Aziendale: Offre una piattaforma portatile e scalabile, adattabile a diverse impostazioni di ricerca neurologica.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella modulazione delle reti cerebrali e nell'attivazione del bersaglio.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione, la riproducibilità e la scalabilità degli assay di connettività funzionale.
- Valore strategico: Perfeziona il processo decisionale di avanzamento o interruzione e riduce il rischio biologico in fase avanzata nei portafogli di neuroscienze.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce la priorizzazione e la progressione degli asset neurologici con adeguamento del rischio.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze specifiche in neuroimmagine ottica e analisi di dati emodinamici.
- Necessita di accesso a strumentazione DCS e FD-fNIRS e a fantocci di calibrazione.
- Richiede una rigorosa standardizzazione tra i team per quanto riguarda il posizionamento delle sonde e le procedure di calibrazione.
- Adattabile a popolazioni pediatriche e adulte, prestando attenzione all’adeguatezza e al comfort delle sonde.
- Dipende da un rigoroso rispetto delle procedure di sicurezza laser e di minimizzazione degli artefatti dovuti al movimento.
