Avaliação simultânea de Cerebral Hemodinâmica e de espalhamento de luz Propriedades do<em> In Vivo</em> Cérebro de Rato Utilizando Imagem de Reflexão Difusa Multispectral
Summary
A avaliação simultânea da hemodinâmica cerebral e das propriedades de dispersão da luz do tecido in vivo do cérebro de rato é demonstrada utilizando um sistema de imagem de reflexão difusa multiespectral convencional.
Abstract
The simultaneous evaluation of cerebral hemodynamics and the light scattering properties of in vivo rat brain tissue is demonstrated using a conventional multispectral diffuse reflectance imaging system. This system is constructed from a broadband white light source, a motorized filter wheel with a set of narrowband interference filters, a light guide, a collecting lens, a video zoom lens, and a monochromatic charged-coupled device (CCD) camera. An ellipsoidal cranial window is made in the skull bone of a rat under isoflurane anesthesia to capture in vivo multispectral diffuse reflectance images of the cortical surface. Regulation of the fraction of inspired oxygen using a gas mixture device enables the induction of different respiratory states such as normoxia, hyperoxia, and anoxia. A Monte Carlo simulation-based multiple regression analysis for the measured multispectral diffuse reflectance images at nine wavelengths (500, 520, 540, 560, 570, 580, 600, 730, and 760 nm) is then performed to visualize the two-dimensional maps of hemodynamics and the light scattering properties of the in vivo rat brain.
Introduction
A técnica de reflexão difusa multicêntrica é a técnica mais comum para obtenção de um mapa espacial de sinais ópticos intrínsecos (IOSs) no tecido cortical. Os IOS observados no cérebro in vivo são atribuídos principalmente a três fenômenos: variações na absorção de luz e propriedades de dispersão devido à hemodinâmica cortical, variação na absorção dependendo da redução ou oxidação de citocromos nas mitocôndrias e variações nas propriedades de dispersão da luz induzidas por alterações morfológicas 1 .
A luz na gama espectral visível (VIS) para infravermelho próximo (NIR) é efetivamente absorvida e dispersa pelo tecido biológico. O espectro de reflectância difusa do cérebro in vivo é caracterizado por espectros de absorção e dispersão. Os coeficientes de dispersão reduzidos μ s ' do tecido cerebral na faixa de comprimento de onda VIS-para-NIR resultam numa exposição de espectro de dispersão monótonaMagnitudes menores em comprimentos de onda mais longos. O espectro do coeficiente de dispersão reduzido μ s '(λ) pode ser aproximado para estar na forma da função de lei de potência 2 , 3 como μ s ' (λ) = a × λ -b . O poder de dispersão b está relacionado com o tamanho dos dispersores biológicos no tecido vivo 2 , 3 . Alterações morfológicas do tecido e redução da viabilidade do tecido cortical vivo podem afetar o tamanho dos dispersores biológicos 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 .
Um sistema ótico para a imagem de reflexão difusa multiespectral pode ser facilmente construído a partir de uma lâmpada incandescenteFonte óptica, componentes ópticos simples e um dispositivo monocromático carregado acoplado (CCD). Portanto, vários algoritmos e sistemas óticos para a imagem de reflexão difusa multiespectral foram utilizados para avaliar a hemodinâmica cortical e / ou a morfologia do tecido 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 .
O método descrito neste artigo é utilizado para visualizar tanto a hemodinâmica como as propriedades de dispersão da luz do tecido cerebral de rato in vivo utilizando um sistema de imagem de reflexão difusa multiespectral convencional. As vantagens deste método em relação às técnicas alternativas são a capacidade de avaliar alterações espaciotemporais tanto na hemodinâmica cerebral como no tecido corticalmorfologia, assim como a sua aplicabilidade para vários modelos animais para a disfunção cerebral. Portanto, o método será adequado para investigações de lesão traumática cerebral, ataque epiléptico, acidente vascular cerebral e isquemia.
Protocol
Representative Results
Discussion
O passo mais importante neste protocolo é a remoção da região do crânio diluído para fazer a janela craniana; esta deve ser realizada com cuidado para evitar hemorragias inesperadas. Este passo é importante para a obtenção de alta qualidade multiespectrais difundir imagens de reflectância com alta precisão. O uso de um microscópio estereoscópico é recomendado para o procedimento cirúrgico, se possível. Pequenos pedaços de esponja de gelatina são úteis para hemostasia.
O si…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Part of this work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research (C) from the Japanese Society for the Promotion of Science (25350520, 22500401, 15K06105) and the US-ARMY ITC-PAC Research and Development Project (FA5209-15-P-0175).
Materials
| 150-W halogen-lamp light source | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LA-150SAE | |
| Light guide | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | LGC1-5L1000 | |
| Collecting lens | Hayashi Watch Works Co., Ltd, Tokyo, Japan | SH-F16 | |
| Interference filters l@500nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65088 | |
| Interference filters l@520nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65093 | |
| Interference filters l@540nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65096 | |
| Interference filters l@560nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67766 | |
| Interference filters l@570nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67767 | |
| Interference filters l@580nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65646 | |
| Interference filters l@600nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65102 | |
| Interference filters l@730nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #65115 | |
| Interference filters l@760nm | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | #67777 | |
| Motorized filter wheel | Andover Corporation, NH, USA | FW-MOT-12.5 | |
| 16-bit cooled CCD camera | Bitran, Japan | BS-40 | |
| Video zoom lens | Edmund Optics Japan Ltd, Tokyo, Japan | VZMTM300i | |
| Spectralon white standard with 99% diffuse reflectance | Labsphere Incorporated, North Sutton, NH, USA | SRS-99-020 |
References
- Bonhoeffer, T., Grinvald, A., Toga, A. W., Mazziotta, J. C. Optical Imaging based on intrinsic signals: the methodology. Brain mapping; the methods. , 55-97 (1996).
- Mourant, J. R., et al. Mechanisms of light scattering from biological cells relevant to noninvasive optical-tissue diagnostics. Appl. Opt. 37 (16), 3586-3593 (1998).
- Abookasis, D., et al. Imaging cortical absorption, scattering, and hemodynamic response during ischemic stroke using spatially modulated near-infrared illumination. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024033 (2009).
- Lipton, P. Ischemic cell death in brain neuron. Physiol. Rev. 79 (4), 1432-1568 (1999).
- Jarvis, C. R., Anderson, T. R., Andrew, R. D. Anoxic depolarization mediates acute damage independent of glutamate in neocortical brain slices. Cereb. Cortex. 11 (3), 249-259 (2001).
- Joshi, I., Andrew, R. D. Imaging anoxic depolarization during ischemia-like conditions in the mouse hemi-brain slice. J. Neurophysiol. 85 (1), 414-424 (2001).
- Polischuk, T. M., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Intrinsic optical signaling denoting neuronal damage in response to acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. Neurobiol. Dis. 4 (6), 423-437 (1998).
- Jarvis, C. R., Lilge, L., Vipond, G. J., Andrew, R. D. Interpretation of intrinsic optical signals and calcein fluorescence during acute excitotoxic insult in the hippocampal slice. NeuroImage. 10 (4), 357-372 (1999).
- Obeidat, A. S., Jarvis, C. R., Andrew, R. D. Glutamate does not mediate acute neuronal damage after spreading depression induced by O2/glucose deprivation in the hippocampal slice. J. Cereb. Blood Flow Metab. 20 (2), 412-422 (2000).
- Dunn, A. K., Devor, A., Dale, A. M., Boas, D. A. Spatial extent of oxygen metabolism and hemodynamic changes during functional activation of the rat somatosensory cortex. Neuroimage. 27 (2), 279-290 (2005).
- Jones, M., Berwick, J., Johnston, D., Mayhew, J. Concurrent optical imaging spectroscopy and laser-Doppler flowmetry: the relationship between blood flow, oxygenation, and volume in rodent barrel cortex. Neuroimage. 13 (6), 1002-1015 (2001).
- Jones, M., Berwick, J., Mayhew, J. Changes in blood flow, oxygenation, and volume following extended stimulation of rodent barrel cortex. Neuroimage. 15 (3), 474-487 (2002).
- Zhou, C., et al. Diffuse optical correlation tomography of cerebral blood flow during cortical spreading depression in rat brain. Opt. Express. 14 (3), 1125-1144 (2006).
- Bouchard, M. B., Chen, B. R., Burgess, S. A., Hillman, E. M. C. Ultra-fast multispectral optical imaging of cortical oxygenation, blood flow, and intracellular calcium dynamics. Opt. Express. 17 (18), 15670-15678 (2009).
- Jones, P. B., et al. Simultaneous multispectral reflectance imaging and laser speckle flowmetry of cerebral blood flow and oxygen metabolism in focal cerebral ischemia. J. Biomed. Opt. 13 (4), 044007 (2008).
- Kawauchi, S., et al. Diffuse light reflectance signals as potential indicators of loss of viability in brain tissue due to hypoxia: charge-coupled-device-based imaging and fiber-based measurement. J. Biomed. Opt. 18 (1), 015003 (2013).
- Yoshida, K., et al. Multispectral imaging of absorption and scattering properties of in vivo exposed rat brain using a digital red-green-blue camera. J. Biomed. Opt. 20 (5), 051026 (2015).
- Nishidate, I., et al. Evaluation of Cerebral Hemodynamics and Tissue Morphology of In Vivo Rat Brain Using Spectral Diffuse Reflectance Imaging. Appl. Spectrosc. , (2016).
- Wang, L. -. H., Jacques, S. L., Zheng, L. -. Q. MCML-Monte Carlo modeling of photon transport in multi-layered tissues. Comput. Methods Programs Biomed. 47 (2), 131-146 (1995).
- Tsytsarev, V., Premachandra, K., Takeshita, D., Bahar, S. Imaging cortical electrical stimulation in vivo: Fast intrinsic optical signal versus voltage-sensitive dyes. Opt. Lett. 33 (9), 1032-1034 (2008).
- Arnold, T., Biasio, M. D., Leitner, R. Hyper-spectral video endoscope for intra-surgery tissue classification using auto-fluorescence and reflectance spectroscopy. Proc. SPIE. 8087, 808711 (2011).
- Basiri, A., et al. Use of a multi-spectral camera in the characterization of skin wounds. Opt. Express. 18 (4), 3244-3257 (2010).
- Nishidate, I., Maeda, T., Niizeki, K., Aizu, Y. Estimation of melanin and hemoglobin using spectral reflectance images reconstructed from a digital RGB image by the Wiener estimation method. Sensors. 13 (6), 7902-7915 (2013).
