يوضح هذا البروتوكول كيفية قياس الاتصال الوظيفي لحالة الراحة في قشرة الجبهية البشرية باستخدام أداة التحليل الطيفي للارتباط المنتشر المصنوعة خصيصًا. كما يناقش التقرير الجوانب العملية للتجربة بالإضافة إلى الخطوات التفصيلية لتحليل البيانات.
للحصول على فهم شامل للدماغ البشري ، مطلوب استخدام تدفق الدم الدماغي (CBF) كمصدر للتباين لأنه معلم رئيسي في الهيموديناميكية يتعلق بإمدادات الأكسجين الدماغي. وقد ثبت أن تقلبات التردد المنخفض في حالة الراحة على أساس تباين الأوكسجين توفر روابط بين المناطق المتصلة وظيفياً. يستخدم البروتوكول المعروض التحليل الطيفي البصري للارتباط المنتشر (DCS) لتقييم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة المستندة إلى تدفق الدم (RSFC) في الدماغ البشري. تشير نتائج RSFC المستندة إلى CBF في القشرة الأمامية البشرية إلى أن RSFC داخل المنطقة أعلى بكثير في القشريات اليسرى واليمنى مقارنة بـ RSFC الإقليمية في كل من القشريات. يجب أن يكون هذا البروتوكول ذا أهمية للباحثين الذين يستخدمون تقنيات التصوير متعددة الوسائط لدراسة وظيفة الدماغ البشري ، خاصة في عدد الأطفال.
عندما يكون الدماغ في حالة راحة ، فإنه يدل على تزامن عال من النشاط التلقائي في المناطق ذات الصلة وظيفيا ، والتي يمكن أن تقع على مقربة من مسافة قريبة أو من مسافة بعيدة. وتعرف هذه المناطق في المزامنة والشبكات الوظيفية1،2،3،4،5،6،7،8,،9. تم الكشف عن هذه الظاهرة لأول مرة من خلال دراسة التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) باستخدام إشارات تعتمد على مستوى الأكسجين في الدم (BOLD) تشير إلى مستويات الأوكسجين في الدم الدماغي5،10، المعروف أيضًا باسم الاتصال الوظيفي لحالة الراحة (RSFC). وقد ارتبطت تشوهات في RSFC مع اضطرابات الدماغ مثل التوحد11,مرض الزهايمر12,والاكتئاب13. وبالتالي ، فإن RSFC هي أداة قيمة لدراسة المرضى الذين يعانون من اضطرابات الذين لديهم صعوبة في إجراء التقييمات القائمة على المهام. ومع ذلك، العديد من المرضى، مثل الأطفال المصابين بالتوحد الشباب، هم المرشحين الفقراء للتقييم من قبل التصوير بالرنين المغناطيسي، كما أنه يتطلب البقاء لا يزال داخل مساحة ضيقة لفترات طويلة من الزمن14،,15. التصوير البصري سريع وقابل للارتداء. وبالتالي ، فهي مناسبة لغالبية المرضى ، وخاصة عدد الأطفال16،17،18،19،20،21،,22،23،24. باستخدام هذه المزايا ، يستخدم التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) ، والذي يمكن أن يحدد تركيز الهيموجلوبين ومعلمات تشبع الأكسجين في الدماغ ، لقياس RSFC في البشر (بما في ذلك عدد الأطفال4و8,و25 والمرضى الذين يعانون من التوحد11).
الطيف البصري الارتباط المنتشر (DCS)، تقنية بصرية جديدة نسبيا، يمكن تحديد تدفق الدم الدماغي، وهو المعلمة الهامة التي تربط إمدادات الأكسجين مع التمثيل الغذائي6،,17،,26،,27،,28،,29. وقد ثبت أن تباين التدفق البصري الذي تم قياسه بواسطة DCS له حساسية أعلى في الدماغ مقارنة بتباين الأكسجين30. وبالتالي، فإن استخدام بارامترات CBF المشتقة من DCS لتقييم RSFC أمر مفيد.
DCS حساس ة لنقل خلايا الدم. عند نشر الفوتونان المتناثرة من خلايا الدم المتحركة، يؤدي هذا إلى تقلب شدة الضوء المكتشف بمرور الوقت. يقيس DCS وظيفة الارتباط التلقائي للكثافة المستندة إلى الوقت ويعتمد معدل اضمحلالها على المعلمات البصرية وتدفق الدم. وتستخدم هذه القيم في نهاية المطاف للحصول على مؤشر تدفق الدم الدماغي (CBFi). مع خلايا الدم المتحركة بشكل أسرع، تتحلل وظيفة الارتباط التلقائي الكثافة بشكل أسرع. لذلك ، يمكن اشتقاق معلومات حول الحركة العميقة تحت سطح الأنسجة (على سبيل المثال ، في الدماغ) من قياسات تقلبات الضوء المنتشرة بمرور الوقت27، 31،32,32،33،34،35. DCS هو تقنية مكملة لfNIRS المعروفة على نطاق واسع التي تقيس الأوكسجين في الدم17،36. نظرًا لأن كلاً من fNIRS و DCS هما تقنيات تصوير دماغ بصرية ذات دقة زمنية عالية في نطاق ميلي ثانية ، فإن عمليات التصوير البصري أقل حساسية بكثير للقطع الأثرية المتحركة من fMRI. كما تم استخدامها بنجاح لتصوير الدماغ وظيفية في مجموعات الأطفال, بما في ذلك الرضع الصغار جدا16. في السابق، تم استخدام قياسات تدفق الدم السطحية لتقييم RSFC في الدراسات قبل السريرية في الفئران37. هنا، يتم استخدام معلمات تدفق الدم لتحديد RSFC في تسعة بالغين أصحاء كدراسة إثبات المفهوم38،39.
في هذه الدراسة ، يتم استخدام نظام FD-fNIRS تجاري ونظام DCS مخصص(انظر جدول المواد). يتكون DCS الذي تم بناؤه داخليًا من جهازي 785 نانومتر و100 متر وأشعة ليزر طويلة من التماسك المستمر التي تقترن بموصل FC وثماني آلات عد فوتون واحدة (SPCM) متصلة بوصلة تلقائية. كما تم إجراء واجهة مستخدم رسومية مخصصة للبرامج (GUI) خصيصًا لهذا النظام لعرض وحفظ أعداد الفوتون ومنحنيات الارتباط التلقائي وتدفق الدم شبه الكمي لكل قناة SPCM في الوقت الفعلي. وتستخدم عادة أجزاء في هذا النظام لDCS16،17،31،32،40،42،43،44، كما تم التحقق من النتائج التي تم الحصول عليها في المنزل واستخدامها في دراسة حديثة39.
لتحديد ما إذا كان CBF كما يقاس بواسطة DCS الكشف بدقة RSFC، تم فحص منطقتين من الدماغ مع خصائص RSFC المعروفة. يفترض أن الاتصال الوظيفي بين مناطق DLFC وبين DLFC وIFC موجود57،58،59. تم اختيار الاتصال بين موقعين داخل DLFC الأيسر والأيمن، لأن الاتصال داخل المنطق?…
The authors have nothing to disclose.
ويود المؤلفان أن ينوها بالدعم المالي المقدم من جبهة أوهايو الثالثة إلى شبكة أوهايو لبحوث وابتكار التصوير (OIRAIN, 667750) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 81771876).
3D Printed Probe | In-house | N/A | 3D printed PLA probe (Craftbot, Craft unique) |
785nm, 100mW, CW, FC coupled Laser | CrystaLaser | DL785-100-S | DCS component (light source) |
Auto-correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | DCS component (output g2 curve to PC) |
Data Acquisition GUI | In-house | N/A | GUI coded in LabVIEW to run the DCS system |
Data analysis software | In-house | N/A | Matlab code used for obtaining RSFC results |
EEG Electrode Cap | OpenBCI | N/A | EEG mesh cap with standard 10/20 positions |
Multi-mode fiber | OZ Optics | QMMJ-3,2.5-IRVIS-600/630-3PCBK-3 | DCS component (source fiber) |
Oxiplex calibration phantom | ISS | 75019, 75020 | Set of 2 PDMS Calibration Phantom |
Oxiplex muscle probe | ISS | 86010 | 4 channel muscle probe |
Oxiplex Oximeter | ISS | 95205 | FD-fNIRS (690nm, 830nm) |
Power meter | Thorlabs | PM100D | Laser light power adjuster |
Sensor card | Thorlabs | F-IRC1-S | laser IR beam viewer |
Single-mode fiber | OZ Optics | SMJ-3S2.5-780-5/125-3PCBK-3 | DCS component (detector fiber) |
Single-Photon Counting Machine | Excelitas | SPMC-NIR-1×2-FC | DCS component (detector) |