Detta protokoll visar hur man mäter vilande tillstånd funktionell anslutning i den mänskliga prefrontala cortex med hjälp av en skräddarsydd diffus korrelation spektroskopi instrument. Rapporten diskuterar också praktiska aspekter av experimentet samt detaljerade steg för att analysera data.
För att få en omfattande förståelse av den mänskliga hjärnan, utnyttjande av cerebralt blodflöde (CBF) som en källa till kontrast önskas eftersom det är en viktig hemodynamisk parameter relaterad till cerebral syretillförsel. Vilande tillstånd lågfrekventa fluktuationer baserat på syresättning kontrast har visat sig ge korrelationer mellan funktionellt anslutna regioner. Det presenterade protokollet använder optisk diffus korrelationsspektroskopi (DCS) för att bedöma blodflödet-baserade vilande tillstånd funktionell anslutning (RSFC) i den mänskliga hjärnan. Resultaten av CBF-baserade RSFC i mänskliga främre hjärnbarken visar att intraregionala RSFC är betydligt högre i vänster och höger cortices jämfört med interregionala RSFC i båda cortices. Detta protokoll bör vara av intresse för forskare som använder multimodala bildframställning tekniker för att studera mänskliga hjärnans funktion, särskilt i pediatrisk befolkningen.
När hjärnan är i viloläge, det visar en hög synkronisering av spontan aktivitet i funktionellt relaterade regioner, som kan placeras nära i närheten eller på avstånd. Dessa områden i synk kallas funktionella nätverk1,,2,,3,,4,,5,,6,,7,,8,9. Detta fenomen upptäcktes först av en funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) studie med hjälp av blod syre nivåberoende (FET) signaler som indikerar syresättning nivåer av cerebrala blod5,10, även känd som vilande tillstånd funktionell anslutning (RSFC). Avvikelser i RSFC har associerats med hjärnsjukdomar såsom autism11, Alzheimers12, och depression13. Därför är RSFC ett värdefullt verktyg för att studera patienter med sjukdomar som har svårt att utföra uppgiftsbaserade bedömningar. Men många patienter, såsom unga autistiska barn, är fattiga kandidater för bedömning av fMRI, eftersom det kräver att fortfarande inne i ett begränsat utrymme under längre tidsperioder14,15. Optisk avbildning är snabb och bärbar; således är det lämpligt för en majoritet av patienterna, särskilt den pediatriska befolkningen16,17,18,19,20,21,22,23,24. Utnyttja dessa fördelar, funktionell nära infraröd spektroskopi (fNIRS), som kan kvantifiera hemoglobinkoncentration och syremättnad parametrar i hjärnan, används för att mäta RSFC hos människor (inklusive pediatrisk population4,8,,25 och patienter med autism11).
Optisk diffus korrelationsspektroskopi (DCS), en relativt ny optisk teknik, kan kvantifiera cerebralt blodflöde, vilket är en viktig parameter som associerar syretillförsel medmetabolismen 6,17,26,27,28,29. Optisk flödeskontrast som kvantifieras av DCS har visat sig ha högre känslighet i hjärnan jämfört med syresättningskontrasten30. Således är det fördelaktigt att använda DCS-härledda CBF-parametrar för att bedöma RSFC.
DCS är känslig för rörliga blodkroppar. När sprida fotoner sprids från rörliga blodkroppar, detta orsakar intensiteten av detekterat ljus att fluktuera över tiden. DCS mäter en tidsbaserad autokorrelationsfunktion för intensitet och dess sönderfallshastighet är beroende av de optiska parametrarna och blodflödet. Dessa värden används i slutändan för att erhålla cerebralt blodflödesindex (CBFi). Med snabbare rörliga blodkroppar, intensitet autokorrelationsfunktionen sönderfaller snabbare. Därför kan information om rörelse djupt under vävnadsytan härledas (t.ex. i hjärnan) från mätningar av diffusa ljusfluktuationer över tiden27,,31,,32,33,34,35. DCS är en teknik som kompletterar den allmänt kända fNIRS som mäter blodsyrering17,36. Eftersom både fNIRS och DCS är optiska hjärnavbildningstekniker med hög tidsmässig upplösning i intervallet millisekunder, är de optiska bilduppläggen mycket mindre känsliga för rörelseartefakter än fMRI. De har också framgångsrikt använts för funktionell hjärnavbildning i pediatriska populationer, inklusive mycket unga spädbarn16. Tidigare har ytliga blodflödesmätningar använts för att bedöma RSFC i prekliniska studier på möss37. Här används blodflödesparametrar för att kvantifiera RSFC hos nio friska vuxna som en proof-of-concept studie38,39.
I denna studie används ett kommersiellt FD-fNIRS-system och anpassat DCS-system(se Tabell över material). DCS som byggdes internt består av två 785 nm, 100 mW, lång koherens längd kontinuerlig våg lasrar som är kopplade till en FC-kontakt och åtta single-photon räkna maskiner (SPCM) ansluten till en auto-korrelator. Ett anpassat grafiskt användargränssnitt (GUI) gjordes också specifikt för att det här systemet ska visa och spara fotonantal, autokorrelationskurvor och semikvantitativt blodflöde för varje SPCM-kanal i realtid. Delarna i detta system används ofta för DCS16,17,31,,32,,40,,42,,43,44, och de erhållna resultaten har också verifierats internt och använts i en nyligen genomförd studie39.
För att avgöra om CBF mätt med DCS noggrant upptäckt RSFC undersöktes två områden i hjärnan med kända RSFC-egenskaper. Funktionell anslutning mellan DLFC-regioner och mellan DLFC och IFC antas finnas57,,58,59. Anslutning mellan två platser inom vänster och höger DLFC valdes, eftersom den intraregionala anslutningen vanligtvis är högre. Dessutom valdes anslutning mellan IFC och DLFC, eftersom den interregionala ansl…
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill erkänna ekonomiskt stöd från Ohio Third Frontier till Ohio Imaging Research and Innovation Network (OIRAIN, 667750), och 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) |