Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functionele connectiviteit van het menselijk brein met behulp van optical diffuse correlatie spectroscopie
27 mei 2020
Dit protocol laat zien hoe de functionele connectiviteit van de rusttoestand in de menselijke prefrontale cortex kan worden gemeten met behulp van een op maat gemaakt diffuus correlatiespectroscopie-instrument. Het rapport bespreekt ook praktische aspecten van het experiment en gedetailleerde stappen voor het analyseren van de gegevens.
Dit protocol maakt gebruik van variabele optische sondes om de bloedstroom van de hersenen te evalueren tijdens de rusttoestand. Een belangrijk voordeel van deze techniek is de draagbaarheid. Waardoor het zeer geschikt is voor nachtbewaking.
De draagbare sonde maakt het mogelijk om functionele connectiviteitsmetingen te verkrijgen in natuurlijke omgevingen van de proefpersonen voor zowel diagnostische als therapeutische toepassingen. Dit protocol maakt gebruik van draagbare optische sondes om de bloedstroom van de hersenen te evalueren tijdens de functionele connectiviteitsmetingen in rusttoestand. Het aantonen van de procedure met Chien Poon zal Ben Rinehart, een grad student van mijn laboratorium.
Ten minste 10 minuten voor aanvang van de analyse, power-up van de FD-fNIRS en DCS met een licht modulatie en detector spanning. Gebruik een meetlint om de afstand tussen de nasion en de inion op het hoofd van het onderwerp te meten. Gebruik de nasion als uitgangspunt en gebruikt een inktmarkering om de locatie aan te wijzen die 10% van de afstand tot de inion bedraagt.
Plaats een EEG 10/20-dop op het hoofd van het onderwerp, zodat het gemarkeerde punt zich tussen Fp1 en Fp2 bevindt. Markeer het punt tussen Fp1 en F7 op de linker cortex en het punt tussen Fp2 en F8 op de rechterschors om de grenzen tussen de superieure prefrontale cortex en de dorsolaterale prefrontale cortex en tussen de dorsolaterale prefrontale cortex en de inferieure prefrontale cortex voor respectievelijk de linker- en rechterhersenhelft te maken. Sluit met behulp van een 3D-geprinte sonde de multi-mode vezels aan op de laserlichtbron van 785 nanometer.
Plaats vervolgens een andere single-mode vezel een centimeter onder de multi-mode vezels op de Ds locatie aan beide zijden van de cortex en sluit elk van de single-mode vezels aan individuele single-photon tellen machines. Plaats de single-mode vezels 2,75 centimeter uit de buurt van de multi-mode vezels en plaats een vezel op de linker en rechter dorsale zijwaartse prefrontale cortices en een vezel op de inferieure prefrontale cortex. En plaats de multi-mode vezels op de nieuw gemarkeerde punten.
Als u het FD-fNIRS-systeem wilt voorbereiden op kalibratie, schakelt u alle lichten uit en opent u de software voor gegevenswerving van de grafische gebruikersinterface. Klik op de auto-bias knop om de detector gain aan te passen om een optimaal signaal te bereiken met de sensor bevestigd en bevestigd aan een kalibratie fantoom. Als de overspanning waarschuwing knippert, lager de winst.
Nadat het maximale signaal is verkregen, koppelt u een van de bronvezels los, zodat de achtergrondlichtlekkage door de detector kan worden gemeten. En controleer of de gelijkstroom minder dan 20 tellingen per meetperiode is voor de overeenkomstige bronvezel. Controleer vervolgens de juiste uitlezing van het signaalniveau op elke bron en detector en klik op kalibreren.
Het systeem zal metingen uitvoeren en kalibratiefactoren toepassen om de optische eigenschappen van het bekende fantoom correct te meten. Log vervolgens de kalibratiegegevens, die een record van de prestaties van het systeem op een standaard fantoom zal bieden. Om de DCS in te stellen, verwarmt u de laserlichtbronnen van het systeem en de telmachines met één foton gedurende ten minste 10 minuten.
Controleer in de grafische software voor het verkrijgen van het gebruikersinterfacesysteem het contact van elke vezel door de grafische gebruikersinterface te controleren om ten minste 5.000 tellingen per seconde en minder dan 1.000.000 tellingen per seconde te verkrijgen. Controleer het aantal foton en de bijna realtime autocorrelatiecurven om te controleren of de voldoende aantal fotonniveaus van elke detector worden verkregen. Controleer de y-interceptie van de autocorrelatiecurve om een voldoende vezelcontact zonder omgevingslichtlekkage te controleren.
De optimale waarde is ongeveer 1,5 zonder het gebruik van polarisatoren. Om te controleren of de sonde en metingen niet gevoelig zijn voor bewegingsartefacten draai de elastische band aan, zodat deze strak genoeg is om beweging te weerstaan, maar los genoeg om ongemak voor het onderwerp te voorkomen. Controleer vervolgens de autocorrelatiecurven zodanig dat de autocorrelatiecurve vervalt tot een curve voor langere correlatietijden.
Bevestig dan dat het onderwerp in een comfortabele positie zit met hun ogen dicht. Plaats de FD-fNIRS systeem optische sonde op het voorhoofd naast de DCS-sonde en klik op Acquire in de FD-fNIRS acquisitie software. Deze gegevens bieden statische optische eigenschappen, absorptieparameters en verstrooiingsparameters die worden gebruikt voor de kwantificering van de dynamische optische parameter.
Wanneer alle apparatuur klaar is, instrueer het onderwerp om eventuele bewegingen tijdens de meting te minimaliseren en schakel de lichten uit. Na voltooiing van de FD-fNIRS-metingen klikt u op Uitvoeren in de DCS-gegevensacquisitie-interface en verzamelt u gegevens gedurende in totaal acht minuten met een maximale integratietijd van twee seconden. In deze representatieve analyse werd de functionele connectiviteit van de rusttoestand in de prefrontale cortices gemeten in negen onderwerpen.
een hogere correlatie werd waargenomen in de intraregionale regio van de linker- en rechtercortices dan werd gemeten in het interregionale gebied van de linker- en rechtercortices. Verder, T-test analyse vergelijking van de inter-en interregionale rusttoestand functionele connectiviteit van beide cortices bleek een significant verschil tussen deze waarden. Het is belangrijk om na te gaan of de DCS-parameters binnen de aanvaardbare marges vallen, omdat het niet adequaat uitvoeren van deze stappen kan leiden tot het verkrijgen van onbruikbare gegevens.
Diffuse correlatiespectroscopie kan een niet-invasieve meting van de bloedstroom opleveren. Waardoor het een nuttig hulpmiddel voor het bestuderen van de functionele connectiviteit van de rustende of actieve hersenen op de verschillende stimulaties. Niet-invasieve metingen van de bloedstroom zijn nuttig voor de evaluatie van behandelingen en therapieën voor neurologische aandoeningen.
Houd bij het uitvoeren van deze procedure altijd de juiste richtlijnen voor laserveiligheid.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol demonstreert het gebruik van optische diffuse correlatiespectroscopie (DCS) om de op cerebrale bloedstroom (CBF) gebaseerde functionele connectiviteit in rust (RSFC) in het menselijk brein te beoordelen. De methode maakt gebruik van draagbare, mobiele optische probes, waardoor deze geschikt is voor monitoring aan het bed en in natuurlijke omgevingen, en is bijzonder relevant voor studies waarbij gebruik wordt gemaakt van multi-modale beeldvorming van de hersenfunctie.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Optische beeldvorming
- Functionele hersenconnectiviteit
Achtergrond
- De cerebrale bloedstroom is een kritische hemodynamische parameter die gekoppeld is aan de cerebrale zuurstofvoorziening.
- Laagfrequente fluctuaties in de oxygenatie in rusttoestand zijn gebruikt om functionele connectiviteit in kaart te brengen.
- Niet-invasieve, draagbare technieken zijn nodig voor hersenmonitoring aan het bed en bij pediatrische patiënten.
- DCS biedt een op bloedstroom gebaseerd contrast voor studies naar functionele connectiviteit.
Doel van de studie
- Het vaststellen van een protocol voor het meten van RSFC in de menselijke frontale cortex met behulp van DCS.
- Het vergelijken van intraregionale en interregionale RSFC in de linker- en rechter prefrontale cortices.
- Het bieden van een niet-invasieve, draagbare methode voor functionele hersenbeoordeling.
Gebruikte methoden
- Plaatsing van de EEG 10/20-cap en markering van de regio's van de prefrontale cortex.
- Bevestiging van 3D-geprinte optische probes met multi-mode en single-mode vezels, verbonden met een 785 nm laser en single-photon tellermodules.
- Kalibratie van FD-fNIRS- en DCS-systemen met behulp van een standaard fantoom en aanpassing van de detectorversterking.
- Acquisitie van rusttoestandsgegevens terwijl de proefpersonen zittend, met gesloten ogen en minimale beweging, gedurende acht minuten worden gemeten.
- Analyse van intra- en interregionale RSFC met behulp van correlatie en t-toets statistieken.
Belangrijkste resultaten
- De intra-regionale RSFC in zowel de linker- als rechtercortex was significant hoger dan de inter-regionale RSFC.
- Statistische analyse (t-test) bevestigde significante verschillen tussen de intra- en inter-regionale connectiviteitswaarden.
- Het protocol maakte een betrouwbare, niet-invasieve meting van CBF-gebaseerde RSFC mogelijk bij negen proefpersonen.
- Correcte kalibratie en opstelling waren cruciaal voor het verkrijgen van bruikbare gegevens.
Conclusies
- DCS is een waardevolle, niet-invasieve methode voor het beoordelen van bloedstroomgebaseerde functionele connectiviteit in het menselijk brein.
- Het protocol is geschikt voor monitoring aan het bed en in natuurlijke omgevingen, inclusief pediatrische toepassingen.
- Op CBF gebaseerde RSFC-metingen kunnen helpen bij het evalueren van neurologische behandelingen en therapieën.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Niet-invasieve meting van de rusttoestand-functionele connectiviteit (RSFC) op basis van de cerebrale bloedstroom met behulp van optische diffuse correlatiespectroscopie (DCS) maakt een robuust onderzoek naar de dynamiek van hersennetwerken in natuurlijke omgevingen en aan het ziekbed mogelijk. Deze mogelijkheid ondersteunt vroege ontdekkingen en translationeel onderzoek door het leveren van kwantitatieve, reproduceerbare hemodynamische biomarkers die relevant zijn voor neurologische ziektegevallen. De draagbaarheid van het protocol en de compatibiliteit met multi-modale beeldvorming vergemakkelijken de integratie in zakelijke R&D-pipelines voor neurowetenschappen.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt kwantitatieve beoordeling van functionele hersenconnectiviteit mogelijk als translationele biomarker.
- Ondersteunt mechanistische risicoreductie door cerebrale bloedstroomdynamiek te koppelen aan hypothesen op netwerkniveau.
- Faciliteert targetvalidatie in ziekterelevante systemen via niet-invasieve, reproduceerbare metingen.
Screening & assayontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde, reproduceerbare RSFC-uitlezingen voor het evalueren van de effecten van verbindingen of interventies op de connectiviteit van de hersenen.
- Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream farmacologische screening-workflows of screenings-workflows voor medische hulpmiddelen.
- Maakt schaalbare, draagbare inzet van assays mogelijk in zowel klinische als preklinische omgevingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Sluit aan bij translationele biomarkerstrategieën door directe, kwantitatieve connectiviteitsmetrieken op basis van CBF aan te bieden.
- Ondersteunt de continuïteit van vroege ontdekking tot preklinische validatie in modellen voor neurologische aandoeningen.
- Vermindert het biologische risico door non-invasieve, longitudinale monitoring van veranderingen in hersennetwerken mogelijk te maken.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit op DCS gebaseerde RSFC-protocol past binnen het continuüm van ontdekking tot preklinisch onderzoek en ondersteunt hypothesetoetsing, targetvalidatie en de ontwikkeling van translationele biomarkers voor neurologische indicaties.
- Discovery Biology: Kwantificeert functionele connectiviteit om hypothesen over hersennetwerken te verduidelijken en mechanistische aannames te valideren.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve RSFC-resultaten die geschikt zijn voor de evaluatie van verbindingen of interventies.
- Analytics: Maakt statistische vergelijking van intra- en interregionale connectiviteit mogelijk middels t-test analyse.
- Translationeel Onderzoek: Maakt afstemming van preklinische en klinische biomarkerstrategieën mogelijk via niet-invasieve CBF-meting.
- Enterprise Hergebruik: Biedt een draagbaar, schaalbaar platform dat aanpasbaar is voor diverse neurologische onderzoeksettings.
Operationele & Zakelijke Impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen in de modulatie van hersennetwerken en de target engagement.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van assays voor functionele connectiviteit.
- Strategische waarde: Verbetert de go/no-go besluitvorming en vermindert het biologische risico in een laat stadium binnen neurowetenschappelijke portfolio's.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de risico-gecorrigeerde prioritering en verdere ontwikkeling van neurologische activa.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in optische neuroimaging en hemodynamische data-analyse.
- Toegang tot DCS- en FD-fNIRS-instrumentatie en kalibratiefantomen is noodzakelijk.
- Strikte standaardisatie van probe-plaatsing en kalibratieprocedures tussen teams is vereist.
- Aanpasbaar voor pediatrische en volwassen populaties, met aandacht voor de pasvorm en het comfort van de probes.
- Afhankelijk van strikte naleving van protocollen voor laserveiligheid en het minimaliseren van bewegingsartefacten.
