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Bioengineering

脳血流ベースの安静状態機能性コネクティビティ(光学拡散相関分光法)

Published: May 27, 2020
doi:
10.3791/60765
, , ,
1Department of Biomedical, Industrial and Human Factors Engineering,Wright State University, 2South China Academy of Advanced Optoelectronics,South China Normal University

Summary

このプロトコルは、カスタムメイドの拡散相関分光法装置を用いて、ヒト前頭前野の安静状態機能接続性を測定する方法を示す。また、実験の実務上の側面や、データを分析するための詳細な手順についても説明します。

Abstract

人間の脳の包括的な理解を得るためには、脳の酸素供給に関する重要な血行性パラメータであるため、コントラストの源としての脳血流(CBF)の利用が望まれている。酸素化コントラストに基づく低周波変動の安静状態は、機能的に接続された領域間の相関を提供することが示されている。提示されたプロトコルは、光拡散相関分光法(DCS)を使用して、ヒト脳における血流ベースの安静状態機能接続性(RSFC)を評価する。ヒト前頭皮質におけるCBFベースのRSFCの結果は、両方の皮質の領域間RSFCと比較して、領域内RSFCが左右皮質において有意に高いことを示している。このプロトコルは、特に小児集団において、ヒトの脳機能を研究するためにマルチモーダルイメージング技術を採用する研究者に関心を持つべきである。

Introduction

脳が安静状態にあるとき、それは近くまたは遠くから見ることができる機能的に関連する領域における自発的な活動の高い同期を示す。これらの同期領域は、機能,ネットワーク1,、2,、3、4、 5,、6、7、68、9 と呼ばれます。この現象は、脳血,5,10の酸素濃度を示す血中酸素濃度依存(BOLD)信号を用いた機能的磁気共鳴画像法(fMRI)研究によって最初に明らかになった。RSFCの異常は、自閉症11、アルツハイマー12、およびうつ病13などの脳障害と関連している。したがって、RSFCは、タスクベースの評価を行うのに問題がある障害を有する患者を研究するための貴重なツールである。しかし、若い自閉症児のような多くの患者は、14,15,15の長期にわたって限られた空間の中に残存する必要があるため、fMRIによる評価の候補が乏しい。光学イメージングは高速でウェアラブルです。したがって、大多数の患者、特に小児人口16、17、18、19、20、21、22、23、24に適しています。16,17,18,19,20,21,22,23,24これらの利点を利用して、脳内のヘモグロビン濃度および酸素飽和パラメータを定量化できる機能近赤外分光法(fNIRS)は、ヒト(小児集団44、8、258,25および自閉症患者11を含む)におけるRSFCを測定するために使用される。

光学拡散相関分光法(DCS)は、比較的新しい光学技術であり、酸素供給,を代謝,6、17、26、27、28、2917,26,27と関連付ける重要なパラメータである脳血流を定量することができる。62829DCSによって定量された光学流れコントラストは、酸素化対比30と比較して脳内でより高い感度を有することが示されている。従って、RSFCを評価するためのDCS由来CBFパラメータを利用することは有利である。

DCSは血液細胞の移動に敏感です。光子が移動する血液細胞から散乱すると、検出された光の強度が時間の経過とともに変動する。DCSは時間ベースの強度自己相関関数を測定し、その減衰速度は光学パラメータおよび血流に依存する。これらの値は、最終的に脳血流指数 (CBFi) を取得するために使用されます。より速く動く血液細胞によって、強度の自己相関関数はより速く崩壊する。したがって、組織表面の深部の運動に関する,情報は、時間,,27、31、32、33、34、35の27,経時に拡散光変動の測定値から(例えば、脳内)から導き出すことができる。31,32333435DCSは、血液酸素化17、36,36を測定する広く知られているfNIRSを補完する技術である。fNIRSとDCSはどちらも、ミリ秒の範囲で高い時間分解能を持つ光脳イメージング技術であるため、光学イメージングのセットアップはfMRIよりも動きのアーティファクトに対してはるかに敏感ではありません。彼らはまた、小児集団における機能的な脳イメージングにも成功しており、非常に若い乳児16人を含む。これまで、浅体血流測定は、マウス37における前臨床試験におけるRSFCを評価するために使用されてきた。ここでは、血流パラメータは、概念実証研究38、39,39として9人の健康な成人のRSFCを定量化するために使用される。

本研究では、商用FD-fNIRSシステムとカスタムDCSシステムを使用します(資料表を参照)。社内で製造されたDCSは、FCコネクタに結合された2つの785 nm、100 mW、長いコヘレンス長連続波レーザー、およびオートコリレータに接続された8台のシングルフォトン計数機(SPCM)で構成されています。カスタムソフトウェアグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)も、このシステムのために、各SPCMチャンネルのフォトン数、自己相関曲線、半定量的血流をリアルタイムで表示および保存するために特別に作られました。このシステムの,部品はDCS16、17、31、32、40、42、43、4417,31,32,40,42に一般的に使用され、43得られた結果は、社内で検証され、最近の研究で使用されています39.1644

Protocol

この議定書はライト州立大学の制度審査委員会によって承認され、実験の前に各参加者からインフォームド・コンセントが得られた。 1. 対象準備 FD-fNIRSおよびDCSシステムの電源を入れ、被験者の測定を開始する前に、少なくとも10分間ウォームアップします(詳細はセクション2と3を参照)。コンパクトなDCS計測器による被験者測定の例を図1に…

Representative Results

DCS を使用して機能接続を測定する可能性は、正常に39.9人の被験者の前頭前野における安静状態機能接続性を測定した。結果(平均±SD)は、左(0.64±0.25)および右(0.62±0.23)の皮質の領域内で高い相関を示し、 左の地域間領域(0.32 ±0.32)(0.34±0.27)および右(0.34±0.29)、(0.34±0.26)皮質と比較した。(図5)0.8の力と有意水準0.05のパワー分析も行われ、サンプルサイズ?…

Discussion

CBFを正確に検出したRSFCをDCSで測定したかどうかを判断するために、既知のRSFC特性を有する脳の2つの領域を調べた。DLFC 領域間および DLFC と IFC 間の機能的な接続は,、57、58、59が存在すると想定されます。58地域内接続が通常高いため、左右の DLFC 内の 2 つのサイト間の接続性が選択されました。また、地域間の接続性が?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、オハイオ第三フロンティアからオハイオイメージング研究イノベーションネットワーク(OIRAIN、667750)、中国国立自然科学財団(No. 81771876)への財政的支援を認めたい。

Materials

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)
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Poon, C., Rinehart, B., Li, J., Sunar, U. Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy. J. Vis. Exp. (159), e60765, doi:10.3791/60765 (2020).
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