Denne protokol viser, hvordan man måler hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder i den menneskelige præfrontale cortex ved hjælp af en skræddersyet diffus korrelation spektroskopi instrument. Rapporten diskuterer også praktiske aspekter af eksperimentet samt detaljerede trin til analyse af dataene.
For at opnå en omfattende forståelse af den menneskelige hjerne, udnyttelse af cerebral blodgennemstrømning (CBF) som en kilde til kontrast er ønsket, fordi det er en vigtig hæmodynamisk parameter relateret til cerebral iltforsyning. Hviletilstand lavfrekvente udsving baseret på iltning kontrast har vist sig at give sammenhænge mellem funktionelt forbundne regioner. Den præsenterede protokol bruger optisk diffus korrelation spektroskopi (DCS) til at vurdere blodgennemstrømning-baserede hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder (RSFC) i den menneskelige hjerne. Resultater af CBF-baseret RSFC i human frontal cortex viser, at intra-regionale RSFC er betydeligt højere i venstre og højre cortices sammenlignet med inter-regionale RSFC i begge cortices. Denne protokol bør være af interesse for forskere, der anvender multimodale billeddannelse teknikker til at studere menneskelige hjernefunktion, især i den pædiatriske befolkning.
Når hjernen er i hviletilstand, viser det en høj synkronisering af spontan aktivitet i funktionelt relaterede regioner, som kan være placeret tæt på eller på afstand. Disse synkroniseringsområder kaldes funktionelle netværk1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dette fænomen blev først afsløret af en funktionel magnetisk resonans imaging (fMRI) undersøgelse ved hjælp af blod ilt-afhængige (FED) signaler, der indikerer iltning niveauer af cerebralt blod5,10, også kendt som hviletilstand funktionelle tilslutningsmuligheder (RSFC). Abnormiteter i RSFC har været forbundet med hjernesygdomme såsom autisme11, Alzheimers12, og depression13. RSFC er således et værdifuldt værktøj til at studere patienter med lidelser, der har problemer med at udføre opgavebaserede vurderinger. Men mange patienter, såsom unge autistiske børn, er dårlige kandidater til vurdering af fMRI, da det kræver at forblive stadig inde i et lukket rum i længere tid14,15. Optisk billedbehandling er hurtig og bærbar; Det er således velegnet til et flertal af patienter, især den pædiatriske befolkning16,17,18,19,20,21,22,23,24. Udnytte disse fordele, funktionelle nær-infrarød spektroskopi (fNIRS), som kan kvantificere hæmoglobin koncentration og ilt mætning parametre i hjernen, bruges til at måle RSFC hos mennesker (herunder den pædiatriske befolkning4,8,25 og patienter med autisme11).
Optisk diffus korrelation spektroskopi (DCS), en forholdsvis ny optisk teknik, kan kvantificere cerebral blodgennemstrømning, som er et vigtigt parameter, der forbinder iltforsyning med stofskiftet6,17,26,27,28,29. Optisk flow kontrast kvantificeret af DCS har vist sig at have højere følsomhed i hjernen sammenlignet med iltning kontrast30. Det er således fordelagtigt at bruge DCS-afledte CBF-parametre til vurdering af RSFC.
DCS er følsom over for bevægelige blodlegemer. Når sprede fotoner scatter fra bevægelige blodlegemer, dette forårsager intensiteten af detekterede lys til at svinge over tid. DCS måler en tidsbaseret intensitet autokorrelationsfunktion og dens henfaldshastighed er afhængig af de optiske parametre og blodgennemstrømningen. Disse værdier er i sidste ende bruges til at opnå cerebral blodgennemstrømning indeks (CBFi). Med hurtigere bevægelige blodlegemer henfalder intensitetsfunktionen autokorrelationsfunktionen hurtigere. Derfor kan oplysninger om bevægelse dybt under vævsoverfladen udledes (f.eks. i hjernen) fra målinger af forskellige lysudsving over tid27,31,32,33,34,35. DCS er en teknik, der supplerer de almindeligt kendte fNIRS , der måler iltning i blodet17,36. Da både fNIRS og DCS er optiske hjernebilleddannelseteknikker med høj tidsmæssig opløsning inden for millisekunder, er de optiske billedopbygninger langt mindre følsomme over for bevægelsesartefakter end fMRI. De er også blevet anvendt med succes til funktionel hjernescanning i pædiatriske populationer, herunder meget unge spædbørn16. Tidligere er der anvendt overfladiske blodgennemstrømningsmålinger til vurdering af RSFC i prækliniske undersøgelser hos mus37. Her anvendes blodgennemstrømningsparametre til kvantificering af RSFC hos ni raske voksne som en proof-of-concept-undersøgelse38,39.
I denne undersøgelse anvendes et kommercielt FD-fNIRS-system og brugerdefineret DCS-system (se Materialetabel). DCS, der blev bygget in-house består af to 785 nm, 100 mW, lang kohærens længde kontinuerlig-bølge lasere, der er koblet til en FC-stik og otte enkelt-foton tælle maskiner (SPCM) forbundet til en auto-korrelator. En brugerdefineret software grafisk brugergrænseflade (GUI) blev også lavet specielt til dette system til at vise og gemme foton tæller, autokorrelation kurver, og semi-kvantitative blodgennemstrømningen af hver SPCM kanal i realtid. Delene i dette system anvendes almindeligvis til DCS16,17,31,32,40,42,43,44, og de opnåede resultater er også blevet kontrolleret internt og anvendt i en nylig undersøgelse39.
For at afgøre, om CBF målt ved DCS nøjagtigt detekterede RSFC, blev to områder af hjernen med kendte RSFC-egenskaber undersøgt. Funktionel forbindelse mellem DLFC-områder og mellem DLFC og IFC antages at eksistere57,58,59. Der blev valgt forbindelse mellem to steder i venstre og højre DLFC, fordi den intraregionale forbindelse normalt er højere. Der blev også valgt konnektivitet mellem IFC og DLFC, da den interregionale…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne anerkende finansiel støtte fra Ohio Third Frontier til Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), og National Natural Science Foundation of China (Nr. 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) |