Funkcjonalna łączność ludzkiego mózgu w stanie spoczynku oparta na przepływie krwi w mózgu przy użyciu optycznej spektroskopii korelacji rozproszonej
27 maja 2020
Ten protokół pokazuje, jak mierzyć funkcjonalną łączność w stanie spoczynku w ludzkiej korze przedczołowej za pomocą specjalnie zaprojektowanego instrumentu do spektroskopii korelacji dyfuzyjnej. W raporcie omówiono również praktyczne aspekty eksperymentu, a także szczegółowe kroki analizy danych.
Protokół ten wykorzystuje zmienne sondy optyczne do oceny przepływu krwi w mózgu w stanie spoczynku. Ważną zaletą tej techniki jest jej przenośność. Dzięki temu doskonale nadaje się do monitorowania przy łóżku pacjenta.
Sonda do noszenia na ciele umożliwia pomiary łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku w naturalnym środowisku badanych, zarówno w zastosowaniach diagnostycznych, jak i terapeutycznych. Protokół ten wykorzystuje noszone sondy optyczne do oceny przepływu krwi w mózgu podczas pomiarów łączności funkcjonalnej w stanie spoczynku. Procedurę z Chien Poonem zademonstruje Ben Rinehart, doktorant z mojego laboratorium.
Co najmniej 10 minut przed rozpoczęciem analizy włącz FD-fNIRS i DCS modulacją światła i napięciem detektora. Użyj taśmy mierniczej, aby zmierzyć odległość między nasionem a wgłębieniem na głowie fotografowanej osoby. Używając nasion jako punktu wyjścia, użyj markera atramentowego, aby wyznaczyć miejsce, które wynosi 10% odległości do wcięcia.
Umieść czepek EEG 10/20 na głowie osoby badanej tak, aby zaznaczony punkt znajdował się między Fp1 a Fp2. Zaznacz punkt między Fp1 i F7 na lewej korze oraz punkt między Fp2 i F8 na prawej korze, aby wyznaczyć granice między górną korą przedczołową a grzbietowo-boczną korą przedczołową oraz między grzbietowo-boczną korą przedczołową a dolną korą przedczołową dla lewej i prawej półkuli, odpowiednio. Za pomocą sondy wydrukowanej w 3D podłącz światłowody wielomodowe do laserowego źródła światła o długości 785 nanometrów.
Następnie umieść kolejne światłowód jednomodowy jeden centymetr poniżej światłowodów wielomodowych w lokalizacji Ds po obu stronach kory mózgowej i podłącz każdy z włókien jednomodowych do indywidualnych maszyn liczących pojedyncze fotony. Umieść włókna jednomodowe w odległości 2,75 centymetra od światłowodów wielomodowych i umieść jedno włókno na lewej i prawej grzbietowej bocznej korze przedczołowej i jedno włókno na dolnej korze przedczołowej. I umieść światłowody wielomodowe w nowo zaznaczonych punktach.
Aby przygotować system FD-fNIRS do kalibracji, wyłącz wszystkie kontrolki i otwórz oprogramowanie do akwizycji danych w graficznym interfejsie użytkownika. Kliknij przycisk automatycznego odchylenia, aby dostosować wzmocnienie detektora w celu uzyskania optymalnego sygnału z czujnikiem podłączonym i przymocowanym do fantomu kalibracyjnego. Jeśli ostrzeżenie o przepięciu, zmniejsz wzmocnienie.
Po uzyskaniu maksymalnego sygnału należy odłączyć jedno ze źródeł światłowodów, aby detektor mógł zmierzyć wyciek światła tła. I sprawdź, czy prąd stały jest mniejszy niż 20 zliczeń na okres pomiarowy dla odpowiedniego włókna źródłowego. Następnie sprawdź poprawny odczyt poziomu sygnału na każdym źródle i detektorze i kliknij kalibruj.
System wykona pomiary i zastosuje współczynniki kalibracyjne w celu prawidłowego zmierzenia właściwości optycznych znanego fantomu. Następnie zapisz dane kalibracyjne, które zapewnią zapis wydajności systemu na standardowym fantomie. Aby skonfigurować system DCS, należy rozgrzać laserowe źródła światła systemu i maszyny liczące pojedyncze fotony przez co najmniej 10 minut.
W oprogramowaniu do akwizycji systemu graficznego interfejsu użytkownika sprawdź styk każdego włókna, sprawdzając graficzny interfejs użytkownika, aby uzyskać co najmniej 5 000 zliczeń na sekundę i poniżej 1 000 000 zliczeń na sekundę. Aby sprawdzić, czy z każdego detektora uzyskuje się wystarczające poziomy liczby fotonów, sprawdź poziom zliczania fotonów i krzywe autokorelacji w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Aby sprawdzić, czy kontakt światłowodowy jest wystarczający bez wycieku światła otoczenia, sprawdź punkt przecięcia y krzywej autokorelacji.
Optymalna wartość to około 1,5 bez użycia polaryzatorów. Aby sprawdzić, czy sonda i pomiary nie są podatne na artefakty ruchu, zaciśnij elastyczną opaskę tak, aby była wystarczająco ciasna, aby wytrzymać ruch, ale wystarczająco luźna, aby zapobiec dyskomfortowi obiektu. Następnie sprawdź krzywe autokorelacji tak, aby krzywa autokorelacji zanikała do jednego dla dłuższych czasów korelacji.
Następnie upewnij się, że osoba badana siedzi w wygodnej pozycji z zamkniętymi oczami. Umieść sondę optyczną systemu FD-fNIRS na czole przylegającym do sondy DCS i kliknij przycisk Acquire (Uzyskaj) w oprogramowaniu do akwizycji FD-fNIRS. Dane te dostarczą statycznych właściwości optycznych, parametrów absorpcji i parametrów rozpraszania, które zostaną wykorzystane do ilościowego określenia dynamicznego parametru optycznego.
Gdy cały sprzęt będzie gotowy, poinstruuj badanego, aby zminimalizował wszelkie ruchy podczas pomiaru i wyłączył światła. Po zakończeniu pomiarów FD-fNIRS kliknij przycisk Uruchom w interfejsie akwizycji danych DCS i zbieraj dane przez łącznie osiem minut z maksymalnie dwusekundowym czasem integracji. W tej reprezentatywnej analizie zmierzono funkcjonalną łączność w stanie spoczynku w korze przedczołowej u dziewięciu osób.
Większą korelację zaobserwowano w obszarze wewnątrzregionalnym kory lewej i prawej niż w obszarze międzyregionalnym kory lewej i prawej. Co więcej, analiza testu T, porównująca międzyregionalne i międzyregionalne połączenia funkcjonalne obu kory mózgowej, ujawniła istotną różnicę między tymi wartościami. Ważne jest, aby sprawdzić, czy parametry DCS mieszczą się w dopuszczalnych zakresach, ponieważ nieodpowiednie wykonanie tych kroków może spowodować pozyskanie bezużytecznych danych.
Spektroskopia korelacji rozproszonej może zapewnić nieinwazyjny pomiar przepływu krwi. Dzięki temu jest to użyteczne narzędzie do badania funkcjonalnej łączności spoczywającego lub aktywnego mózgu na różnych stymulacjach. Nieinwazyjne pomiary przepływu krwi są przydatne do oceny leczenia i terapii chorób neurologicznych.
Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać odpowiednich wytycznych dotyczących bezpieczeństwa lasera.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół demonstruje zastosowanie optycznej spektroskopii korelacyjnej dyfuzyjnej (DCS) do oceny funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku (RSFC) opartej na przepływie krwi w mózgu (CBF) u ludzi. Metoda ta wykorzystuje przenośne, noszalne sondy optyczne, co czyni ją odpowiednią do monitorowania przy łóżku pacjenta oraz w naturalnym środowisku, i jest ona szczególnie istotna w badaniach obejmujących multimodalne obrazowanie funkcji mózgu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Obrazowanie optyczne
- Funkcjonalna łączność mózgu
Wprowadzenie
- Mózgowy przepływ krwi jest krytycznym parametrem hemodynamicznym powiązanym z dopływem tlenu do mózgu.
- Fluktuacje utlenowania o niskiej częstotliwości w stanie spoczynku były wykorzystywane do mapowania łączności funkcjonalnej.
- W monitorowaniu mózgu przy łóżku pacjenta oraz w pediatrii niezbędne są nieinwazyjne, przenośne techniki.
- DCS oferuje kontrast oparty na przepływie krwi do badań nad łącznością funkcjonalną.
Cel badania
- Opracowanie protokołu pomiaru RSFC w ludzkiej korze czołowej z wykorzystaniem DCS.
- Porównanie wewnątrzregionalnej i międzyregionalnej RSFC w lewej i prawej korze przedczołowej.
- Zapewnienie nieinwazyjnej, przenośnej metody funkcjonalnej oceny mózgu.
Zastosowane metody
- Założenie czepek EEG wg systemu 10/20 oraz wyznaczenie obszarów kory przedczołowej.
- Mocowanie wydrukowanych w technologii 3D sond optycznych z włóknami wielomodowymi i jednomodowymi, podłączonych do lasera o długości fali 785 nm oraz modułów liczenia pojedynczych fotonów.
- Kalibracja systemów FD-fNIRS oraz DCS z wykorzystaniem standardowego fantoma i regulacja wzmocnienia detektora.
- Rejestracja danych w stanie spoczynku przy badanych w pozycji siedzącej, z zamkniętymi oczami i minimalną aktywnością ruchową przez osiem minut.
- Analiza wewnątrz- i międzyregionalnej RSFC z zastosowaniem korelacji oraz testów t-Studenta.
Główne wyniki
- Wewnątrzregionalna RSFC w korze lewej i prawej półkuli była znacznie wyższa niż międzyregionalna RSFC.
- Analiza statystyczna (test t) potwierdziła istotne różnice między wartościami łączności wewnątrz- a międzyregionalnej.
- Protokół umożliwił niezawodny, nieinwazyjny pomiar RSFC opartej na CBF u dziewięciu badanych.
- Odpowiednia kalibracja i konfiguracja były kluczowe dla uzyskania danych nadających się do analizy.
Wnioski
- DCS jest cennym, nieinwazyjnym narzędziem do oceny funkcjonalnej łączności opartej na przepływie krwi w ludzkim mózgu.
- Protokół ten nadaje się do monitorowania przy łóżku pacjenta oraz w warunkach naturalnych, w tym w zastosowaniach pediatrycznych.
- Pomiary RSFC oparte na CBF mogą wspomagać ocenę leczenia i terapii neurologicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Nieinwazyjny pomiar funkcjonalnej łączności w stanie spoczynku (RSFC) opartej na przepływie krwi mózgowej z wykorzystaniem optycznej spektroskopii korelacji dyfuzyjnej (DCS) umożliwia rzetelną analizę dynamiki sieci mózgowych w warunkach naturalnych oraz przy łóżku pacjenta. Możliwość ta wspiera wczesne etapy odkryć i badania translacyjne, dostarczając ilościowych i powtarzalnych hemodynamicznych biomarkerów istotnych dla modeli chorób neurologicznych. Przenośność protokołu oraz jego kompatybilność z obrazowaniem multimodalnym ułatwiają integrację z korporacyjnymi potokami badawczo-rozwojowymi w dziedzinie neuronauki.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia ilościową ocenę funkcjonalnej łączności mózgu jako biomarkera translacyjnego.
- Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez powiązanie dynamiki przepływu krwi w mózgu z hipotezami na poziomie sieci.
- Ułatwia walidację celu w systemach istotnych dla danej choroby dzięki nieinwazyjnym i powtarzalnym pomiarom.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia standaryzowane, powtarzalne odczyty RSFC do oceny wpływu związków lub interwencji na łączność mózgową.
- Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do późniejszych przepływów pracy w zakresie przesiewowym dla leków lub urządzeń.
- Umożliwia skalowalne i przenośne wdrażanie analiz zarówno w środowiskach klinicznych, jak i przedklinicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne ze strategiami markerów translacyjnych, oferując bezpośrednie, ilościowe wskaźniki łączności oparte na CBF.
- Wspiera ciągłość procesu od wczesnego etapu odkrywania po walidację przedkliniczną w modelach chorób neurologicznych.
- Zmniejsza ryzyko biologiczne, umożliwiając nieinwazyjne, podłużne monitorowanie zmian w sieciach mózgowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół RSFC oparty na DCS wpisuje się w kontinuum od etapu odkrywania do badań przedklinicznych, wspierając testowanie hipotez, walidację celów oraz opracowywanie biomarkerów translacyjnych dla wskazań neurologicznych.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określenie łączności funkcjonalnej w celu wyjaśnienia hipotez dotyczących sieci mózgowych i zmniejszenia ryzyka związanego z założeniami mechanistycznymi.
- Przesiewanie: Dostarczanie powtarzalnych, ilościowych wyników RSFC odpowiednich do oceny związków lub interwencji.
- Analityka: Zapewnienie statystycznego porównania łączności wewnątrz- i międzyregionalnej przy użyciu analizy testem t.
- Badania translacyjne: Umożliwienie dopasowania strategii biomarkerów przedklinicznych i klinicznych poprzez nieinwazyjny pomiar CBF.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferowanie przenośnej, skalowalnej platformy możliwej do adaptacji w różnych środowiskach badań neurologicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie modulacji sieci mózgowych i angażowania celu.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, odtwarzalność i skalowalność analiz łączności funkcjonalnej.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go i redukuje ryzyko biologiczne na późnych etapach w portfolio neuronaukowym.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój zasobów neurologicznych.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie optycznego obrazowania neuronowego oraz analizy danych hemodynamicznych.
- Wymaga dostępu do aparatury DCS i FD-fNIRS oraz fantomów kalibracyjnych.
- Wymaga rygorystycznej standaryzacji rozmieszczenia sond i procedur kalibracyjnych pomiędzy zespołami.
- Możliwość adaptacji do populacji dziecięcej i dorosłej, z uwzględnieniem dopasowania i komfortu sond.
- Zależność od ścisłego przestrzegania protokołów bezpieczeństwa laserowego oraz minimalizacji artefaktów ruchowych.
