Method Article
פרוטוקול זה מדגים כיצד למדוד במנוחה קישוריות המצב התפקודי בקליפה הקדם חזיתית האנושית באמצעות מותאם אישית מעשה לפזר מתאם ספקטרוסקופיה. הדוח גם דן בהיבטים מעשיים של הניסוי, כמו גם בשלבים מפורטים לניתוח הנתונים.
כדי להשיג הבנה מקיפה של המוח האנושי, הניצול של זרימת הדם המוחית (CBF) כמקור של ניגודיות רצוי משום שהוא פרמטר הומודינמי מפתח הקשור לאספקת חמצן מוחין. מצב מנוחה של תנודות בתדר נמוך המבוסס על ניגודיות חמצון הוכחו לספק מערכת יחסים בין אזורים המחוברים באופן פונקציונלי. הפרוטוקול המוצג משתמש בספקטרוסקופיית מתאם אופטי מפוזר (DCS) כדי להעריך את הקישוריות הפונקציונלית המבוססת על זרימת הדם (RSFC) במוח האנושי. תוצאות RSFC המבוסס על הקליפה הקדמית האנושית עולה כי RSFC הפנים-אזוריות הוא גבוה יותר באופן משמעותי בתוך שמאל וימין לעומת RSFC הבין אזורי בשתי מערבולות. פרוטוקול זה צריך להיות עניין של חוקרים אשר מעסיקים טכניקות הדמיה רב מודאליות כדי ללמוד את תפקוד המוח האנושי, במיוחד בקרב ילדים.
כאשר המוח נמצא במצב מנוחה, הוא ממחיש סנכרון גבוה של פעילות ספונטנית באזורים הקשורים פונקציונלית, אשר ניתן למקם קרוב בסמיכות או ממרחק. אזורי הסינכרון האלה ידועים כרשתות פונקציונליות1,2,3,4,5,6,7,8,9. תופעה זו נחשפה לראשונה על ידי דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) מחקר באמצעות האותות התלויים ברמת חמצן בדם (מודגש) המציינים רמות חמצן של דם מוחין5,10, ידוע גם בשם המצב מנוחה קישוריות פונקציונלית (rsfc). חריגות RSFC היו שייכות עם הפרעות במוח כגון אוטיזם11, אלצהיימר12, ודיכאון13. לכן, RSFC הוא כלי רב ערך עבור לימוד חולים עם הפרעות שיש להם בעיות performaning הערכות מבוססות משימה. עם זאת, חולים רבים, כגון ילדים אוטיסטים צעירים, הם מועמדים עניים להערכה על ידי fMRI, כפי שהוא מחייב נותר עדיין בתוך שטח סגור לתקופות ממושכות של זמן14,15. הדמיה אופטית היא מהירה ולביש; לפיכך, הוא מתאים לרוב המטופלים, במיוחד האוכלוסייה ילדים16,17,18,19,20,21,22,23,24. ניצול יתרונות אלה, ספקטרוסקופיית כמעט אינפרא אדום פונקציונלי (fnirs), אשר יכול לכמת ריכוז המוגלובין והפרמטרים של רוויית החמצן במוח, משמש למדוד rsfc בבני אדם (כולל אוכלוסיית ילדים4,8,25 וחולים עם אוטיזם11).
אופטי מתאם ספקטרוסקופיית (DCS), טכניקה אופטית חדשה יחסית, יכול לכמת זרימת דם מוחין, שהוא פרמטר חשוב המשייך אספקת חמצן עם חילוף חומרים6,17,26,27,28,29. חדות הזרימה האופטית בכמת על ידי DCS הוכח שיש רגישות גבוהה יותר במוח בהשוואה לניגודיות חמצון30. כך, ניצול פרמטרים הנגזר DCS CBF להערכת RSFC הוא יתרון.
DCS הוא רגיש להעברת כדוריות הדם. כאשר מפזרים פוטונים פיזור של כדוריות הדם הנעות, זה גורם לעוצמת האור המזוהה להשתנות לאורך זמן. DCS מודד מתאם זמן מבוסס על תפקוד אוטומטי ושיעור הדעיכה שלה תלויים בפרמטרים האופטיים ובזרימת הדם. ערכים אלה משמשים בסופו של דבר להשגת מדד זרימת הדם המוחית (CBFi). עם כדוריות דם נעות מהיר יותר, הפונקציה מיתאם אוטומטית מהירה יותר. לכן, מידע על תנועה עמוק מתחת למשטח הרקמה יכול להיות נגזר (למשל, במוח) ממדידות של תנודות אור לאורך זמן27,31,32,33,34,35. DCS היא טכניקה המשלימה את ה-fnirs הידוע באופן נרחב המודד חמצן17,36. מאז השני fNIRS ו DCS הם אופטי המוח טכניקות הדמיה עם רזולוציה הרקתית הגבוהה בטווח של אלפיות שניה, הדמיה אופטית מערכת ההדמיה הם הרבה פחות רגיש לפריטים התנועה מאשר fMRI. הם גם השתמשו בהצלחה לדימות מוחי פונקציונלי באוכלוסיות ילדים, כולל תינוקות צעירים מאוד16. בעבר, מדידות זרימת דם שטחית שימשו להערכת RSFC במחקרים טרום קליניים בעכברים37. כאן, הפרמטרים של זרימת הדם משמשים לכמת rsfc בתשעה מבוגרים בריאים כהוכחה של קונספט מחקר38,39.
במחקר זה, מערכת מסחרית FD-fNIRS ומערכת DCS מותאמת אישית משמש (ראה טבלת חומרים). בקרי התחום שנבנו בתוך הבית מורכב 2 785 ננומטר, 100 mW, אורך קוהרנטיות ארוך לייזרים גל הנמצאים ביחד למחבר FC ושמונה מכונות ספירה יחיד פוטון (SPCM) מחובר אוטומטי-correlator. ממשק משתמש גרפי של תוכנה מותאמת אישית (GUI) נעשה גם במיוחד עבור מערכת זו כדי להציג ולשמור את ספירות פוטון, מתאם אוטומטי עקומות, זרימת הדם למחצה כמותי של כל ערוץ SPCM בזמן אמת. החלקים במערכת זו משמשים בדרך כלל עבור DCS16,17,31,32,40,42,43,44, ואת התוצאות שהתקבלו גם אומתו ב-house ומשמש במחקר האחרונות39.
הפרוטוקול אושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית באוניברסיטת רייט סטייט, והסכמה מושכלת הושגה מכל משתתף לפני הניסוי.
1. הכנה לנושא
p class = "jove_title" > 2. הגדרות וכיול של FD-fNIRS
3. הגדרות DCS
התראה: כאמצעי זהירות כללי, אל תביטו במקורות האור וביציאות הסיבים ישירות כדי למנוע פגיעה פוטנציאלית בעין. השתמש בכרטיס החיישן של IR (ראה טבלת חומרים).
4. איסוף נתונים
5. ניתוח נתונים
הכדאיות של שימוש ב-DCS למדידת קישוריות פונקציונלית בוצעה בהצלחה39. הקישוריות הפונקציונלית של מצב המנוחה במצבה הקדמי של תשעה נושאים נמדדה. התוצאות (ממוצע ± SD) הצביעו על מתאם גבוה יותר באזור הפנים-אזורי של שמאל (0.64 ± 0.25) וזכות (0.62 ± 0.23) מערבולות, לעומת האזור הבין-אזורי של שמאל (0.32 ± 0.32), (0.34 ± 0.27) וזכות (0.34 ± 0.29), (0.34 ± 0.26) מסדר. (איור 5). ניתוח כוח עם כוח של 0.8 ורמת המובהקות של 0.05 בוצע גם, אשר הביא כוח של 0.82 עם גודל מדגם של שמונה (מתחת למספר הנושאים שנותחו במחקר זה).
כדי לבדוק אם היה הבדל משמעותי בין ה-rsfc הבין-אזורי לבין RSFC, ערך המתאם הפך לערך z באמצעות טרנספורמציה של פישר ז, אז בוצעה מבחן t כדי להשוות את ה-RSFC הבין-אזורי של שתי הקורדימות. זה הביא פי ערכים של ≤ 0.0002, המסמלת הבדל משמעותי כי כבר הפגינו במחקרים fnirs הקודם8,25 (איור 5). כדי לקבוע אם היה הבדל בין אזורי מוח סימטריים (שמאל וימין), בוצע מבחן t. זה הביא לערכי p של > 0.8, המציין כי לא היה הבדל משמעותי בין אזורי מוח דומים משני צדי הקליפה.
איור 1: הגדרת ניסיוני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: בדיקה סכמטית ומיקום. (א) הצבת הגששים כפי שמוצג על מפת EEG 80-20 מערכת. (ב) דוגמה של בדיקה להדפסת תלת-ממד עם סיבים אופטיים שלבשו הנושא. (ג) מודל ה-CAD של המיקום של הגלאים (D) ומקורות (S) בקליפת המוח הקדמית של דורסולר (dlfc) וקליפת המצח הנחותה (IFC). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: דוגמה ייצוגית של נתונים באמצעות גלאים באותו אזור באותה הפרדה של גלאי מקור. המוצג הוא עקומת מתאם אוטומטי (g2) ביחס לזמן ההשהיה (τ). (א) נתונים כאשר לגשוש יש קשר מספיק, מראה ספירות גבוהות והתאמה טובה למודל האנליטי. (ב) נתונים (מוגזמים) עם אור סביבתי דולף לתוך החללית כפי שנצפתה על ידי חיתוך y נמוך (בטא). זה בדרך כלל בגלל שילוב של מגע עני ואור רקע חזק, המחייב התאמות להתבצע. (ג) נתונים (מוגזם) עם חפץ תנועה בעוד עקומת g2 מתבצע בממוצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: ניתוח נתונים מייצגים שהתקבלו מנושא אחד. (א) מגרש של ספקטרום הכוח אחרי כל אחד משלבי העיבוד. (ב) דוגמה המציגה את סידרת הזמן של אות זרימת הדם המנורמלת באחד הערוצים לפני ואחרי הרגרסיה של ערוץ המרחק הקצר (אות הקרקפת). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: המצב של מנוחה בקישוריות תפקודית בתוך ממדי הקדם של כל הנושאים. ממוצע הקבוצה עבור אזור בין אזורי (DLFC1-IFC ו-dlfc2-IFC) של קליפת המוח השמאלית (0.32 ± 0.32), (0.34 ± 0.27) וקליפת הימין (0.34 ± 0.29), (0.34 ± 0.26). ממוצע קבוצתי לאזור פנים-אזורי של קליפת המוח השמאלית (0.64 ± 0.25) וקליפת הימין (0.62 ± 0.23). סרגל השגיאות מציין SD בכל הנושאים. T-test מראה את ההבדל בין הפנים והחוץ האזורית RSFC של שתי הקורדימות הוא משמעותי עם p ≤ 0.0002, בעוד לא היה הבדל משמעותי בין קליפת שמאל וימין (t-test = p > 0.8). שיעור גילוי שווא (רוזוולט) שימש עבור תיקון השוואות מרובות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
כדי לקבוע אם CBF כפי שנמדד על-ידי DCS זיהה במדויק את RSFC, שני אזורים של המוח עם מאפייני RSFC ידועים נבדקו. קישוריות פונקציונלית בין אזורי dlfc ובין dlfc ו-IFC מניחים שקיימים57,58,59. קישוריות בין שני אתרים בתוך DLFC שמאל וימין נבחרה, מכיוון שהקישוריות הפנים-אזורית גבוהה בדרך כלל. כמו כן, הקישוריות בין ה-IFC ל-DLFC נבחרה, כאשר הקישוריות הבין-אזורית ידועה כחלשה יותר.
טכניקת DCS הראתה קישוריות גבוהה בתוך אזורי DLFC אך קישוריות נמוכה יותר בין האזורים IFC ו-DLFC, התואמת למחקרים דומים שבוצעו בשיטות אחרות כגון fMRI. תוצאות אלה מדגימות את הפוטנציאל של DCS כאמצעי לא פולשני כדי להעריך RSFC בבני אדם. בשילוב עם שיטות דימות אחרות כגון fNIRS, אפיון מדויק של מחלות עצבים כגון אוטיזם הופך להיות בר קיימא. למרות מדידות בו של fnirs ו DCS להישאר אתגר, כמה גישות לבעיה זו נחקרו19,20,21,23,27,28,60,61,62,63,64,65. במחקר פיילוט, מבודד, בקרי DC הבדיקות נבחרו ליצירת קשר טוב יותר. בעתיד, את העיצוב החללית ניתן לשפר, סיבי fNIRS ניתן להוסיף לצד סיבי DCS, ומקורות אור יכול להיות מואר באופן רציף כפי שהראו בעבר. לסיכום, DCS ישמש כהשלמה לטכניקות אחרות ולהיות כלי שימושי עבור הערכה לא פולשנית של תפקוד המוח בחולים צעירים נכים.
המחברים לא מצהירים על אינטרסים פיננסיים מתחרים.
המחברים רוצים להכיר בתמיכה הפיננסית מ אוהיו הגבול השלישי לרשת מחקר וחדשנות של אוהיו (אויבריין, 667750), והקרן הלאומית למדע הטבע של סין (No. 81771876).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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-1x2-FC | DCS component (detector) |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved