Forskere demonstrerer en ny tilgang til måling af hjernefunktionsforbindelse

Måling af optisk blodgennemstrømning i den hvilende menneskelige hjerne for at detektere spontan aktivitet er for første gang blevet demonstreret af billedbehandlingsforskere fra Wright State University, løfter om en bedre måde at studere mennesker med autisme på, Alzheimers og depression.

Ulas Sunar, lektor i biomedicin, industrielle og menneskelige faktorer teknik, og hans team af forskere har vist, at optisk blodgennemstrømningskontrast målt ved diffus korrelationsspektroskopi kan bruges til at detektere Resting State Functional Connectivity (RSFC) i hjernen.

Forskerholdet omfatter Sunar, der har den begavede stilling som Ohio Research Scholar for Medical Imaging ved Wright State, og hans forskere Chien Poon, juni Li, Jeremy Kress og Dan Rohrbach.

Holdets resultater blev for nylig offentliggjort i et af de bedste optiske tidsskrifter, Journal of Biophotonics, dækker forskning i samspillet mellem lys og biologiske materialer. Værket har også været omtalt i Biophotonics.World, som tjener det verdensomspændende biofotonik-samfund som et centralt adgangspunkt for de seneste nyheder og artikler om den seneste videnskabelige udvikling i den akademiske verden og industrien.

Holdets nye optiske tilgang er baseret på at detektere lysspredning fra bevægelige blodceller og kan kvantificere absolut cerebral blodstrøm-relateret kontrast. Det er en komplementær teknik til almindeligt kendt funktionel nær infrarød spektroskopi, der måler blodets iltning.

"Vi ser, at blodgennemstrømningen viser højere kontrast end iltning i vores neuroimaging-eksperimenter, " sagde Sunar. "Under neuronal affyring kan hjernen bede om mere blodgennemstrømning. Det er derfor, blodgennemstrømning er en vigtig parameter til vurdering af menneskelig hjernes hviletilstands funktionelle forbindelse. Og også blodgennemstrømningsbilledteknikken er relativt ny. Det brugerdefinerede system blev bygget her, af min ph.d. studerende Chien Poon, og vi demonstrerede hviletilstandstilgangen for første gang i vores felt."

Forskerne brugte blodgennemstrømningsparameter til at kvantificere RSFC i ni raske voksne mænd som en proof-of-concept undersøgelse. Teknikken viste høj forbindelse mellem visse områder af hjernen og lav forbindelse mellem andre områder. Resultaterne matcher lignende undersøgelser udført tidligere med andre metoder såsom funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI).

"Dette er spændende resultater inden for vores felt, da undersøgelsen har bevist potentialet ved optisk blodgennemstrømningsmetode som et ikke-invasivt middel til at vurdere RSFC hos mennesker, "Sunar fortalte Biophotonics.World. "Cerebral blodgennemstrømning er en meget vigtig parameter for neuronal sygdomskarakterisering på grund af dens høje kontrast."

RSFC-studier er et værdifuldt værktøj til at studere mennesker med lidelser, der kan gøre det vanskeligt at udføre opgaver. Men mange mennesker, såsom små autistiske børn, er dårlige kandidater til RSFC-vurdering ved fMRI, hvilket kræver, at de holder stille i lange intervaller inde i et begrænset billedrum med høj støj fra magneten.

Optisk billeddannelse er yderst velegnet til sådanne mennesker, fordi det er hurtigt og kan udføres af optiske prober, som kan bæres af patienten. Forskerne forventer, at dette i sidste ende vil blive et yderst nyttigt værktøj til non-invasiv vurdering af hjernefunktionen hos unge og handicappede patienter.

Sunar sagde, at teknologien også kunne bruges til at vurdere menneskelig præstation for at forstå, om en opgave øger cerebral blodgennemstrømning og neural aktivitet.

"Når en opgave udføres, hvad sker der med blodgennemstrømningen i hjernen?" sagde han. "Er der et forhold? Er hjernenetværket mere forbundet i hviletilstand og præstationstilstand? Det er interessante spørgsmål at undersøge."

Det næste skridt for forskerholdet bliver at modificere det optiske system, så det kan vise både blodgennemstrømning og iltning.

"Vi arbejder på at kombinere flere billedkontraster for at få et mere komplet billede af hjernens funktion, " sagde Sunar. "F.eks. vi kan kvantificere cerebral metabolisk hastighed af iltforbrug ved at kombinere blodgennemstrømning og iltningsmålinger. Denne tilgang vil have stor effekt på mange områder, fra karakterisering af neurologiske sygdomme i kliniske omgivelser til vurdering af den menneskelige ydeevne, der er relevant for militær forskning."