New multi-modal neuroimaging approaches combining photonics and electrophysiology to study the basics of neurovascular coupling
Authors:   , Chetia Sumana 
Published: January 2025

(English) Brain is a crucial organ that controls all body functions. Its health is influenced by multiple factors, and any abnormality in them can negatively impact its smooth and seamless functioning, causing pathological conditions. So, tools and techniques have also been developed in order to explore its structure and functions. Due to the complexity of the brain, its study comprises of a highly diverse field of research. This doctoral work is based on a particular category of this field that focuses on development and usage of neuromonitoring tools to visualize its activity and status.
Optical imaging is an ever growing and robust neuromonitoring methodology that includes a range of techniques, which monitor brain activity by tracking cerebral hemodynamics, which is known to form a close relationship with neural activity due to 'neurovascular coupling’. The primary focus of this doctoral study is to develop new multi-modal neuroimaging modalities to explore the complex activities that occur within the brain. Undoubtedly, 'neurovascular coupling’ is a fundamental concept that depicts the link relating neural activity and hemodynamics, and this link needs to be fully understood in order to interpret on brain status or function during health or pathology. This coupling has always been a crucial aspect for exploration by the neuroscientists. In this doctoral study, investigation of the neurovascular coupling was carried out during a specific brain state when slow wave activity prevails in the cerebral cortex, which is observed during non-repetitive eye movement sleep or deep anesthesia. This cortical activity is related to vital functions of the brain to maintain its health, and its disruption leads to pathologies related to sleep and cognition.
In this doctoral study, cortical slow wave activity was investigated by simultaneously monitoring neural activity and hemodynamics, by building a platform that consists of synchronized electrophysiology and optical imaging systems for experiments on rodents. Spatial and temporal assessment of neurovascular relationship was carried out during both spontaneous unperturbed cortical state during slow wave activity and during externally perturbed state. It was observed that the neuronal firing periods of this cortical activity lead to a hike in the cerebral blood flow during both spontaneous and evoked states, and this response was quantified in detail. In addition, hemodynamic response function was plotted for further understanding. Note that both electrophysiology and optical imaging were able to continuously and simultaneously monitor brain activity at multiple cortical locations over a large region of the rodent brain, and so, helped in carrying out spatial comparisons.
In addition to this project, this doctoral study also involved development of a hybrid diffuse optics-based tomographic system that can simultaneously monitor both cerebral blood flow and cerebral blood oxygenation. It can execute tomographic monitoring as both high density-speckle contrast optical tomography (HD-SCOT) and high density- diffuse optical tomography (HD-DOT) systems in parallel. This The high density-speckle contrast optical tomography and diffuse optical tomography (HD-SCOT/DOT) device was developed to explore brain activity and address complex brain functions related to the neurovascular unit during preclinical experimental studies in small animal models. It is a novel hybrid diffuse optics-based device, and its development during this doctoral study included all related tasks ranging from building the device instrumentation to developing its control system and user-device interface. The functionality of this device was also tested through experiments on tunable tissue-mimicking liquid phantoms and through in-vivo experiments on rodents. This device has the potential for usage in studies focused on investigation of oxygen metabolism in the brain in future.

(Català) El cervell és un òrgan crucial que controla totes les funcions del cos. La teva salut està influenciada per múltiples factors, i qualsevol anormalitat pot afectar negativament el seu bon funcionament, provocant condicions patològiques. Així, s'han desenvolupat eines i tècniques per explorar la seva estructura i funcions. A causa de la complexitat del cervell, el seu estudi comprèn un camp divers d'investigació. Aquest treball doctoral es basa en una categoria particular que se centra en el desenvolupament i l'ús d'eines de neuromonitorització per visualitzar la seva activitat i estat.
La imatge òptica és una metodologia de neuromonitorització robusta i en creixement que inclou una sèrie de tècniques que controlen l'activitat cerebral mitjançant el seguiment de l'hemodinàmica cerebral, que se sap que forma una estreta relació amb l'activitat neuronal a causa de l'"acoblament neurovascular". L'objectiu principal d'aquest estudi doctoral és desenvolupar noves modalitats de neuroimatge multimodal per explorar les activitats complexes que es produeixen dins del cervell. L'acoblament neurovascular és un concepte fonamental en neurociència, i aquest vincle s'ha d'entendre completament per interpretar l'estat del cervell durant la salut o la patologia. En aquest estudi doctoral, la investigació de l'acoblament neurovascular es va dur a terme durant un estat cerebral específic en el qual predomina l'activitat d'ona lenta a l'escorça cerebral, que s'observa durant el son de moviment ocular no repetitiu o l'anestèsia profunda. Aquesta activitat cortical està relacionada amb les funcions vitals del cervell per mantenir la seva salut, i la seva interrupció porta a patologies relacionades amb el son i la cognició.
En aquest estudi doctoral, es va investigar l'activitat cortical d'ones lentes monitoritzant simultàniament l'activitat neuronal i l'hemodinàmica, mitjançant la construcció d'una plataforma formada per electrofisiologia sincronitzada i sistemes d'imatge òptica per a experiments amb rosegadors. L'avaluació espacial i temporal de la relació neurovascular es va dur a terme durant l'estat cortical espontani no alterat durant l'activitat d'ona lenta i durant l'estat pertorbat externament. Durant ambdós estats es van observar períodes d'activació neuronal d'aquesta activitat que van donar lloc a un augment del flux sanguini cerebral, i aquesta resposta es va quantificar amb detall. A més, es va representar la funció de resposta hemodinàmica per a una millor comprensió. Tingueu en compte que tant l'electrofisiologia com la imatge òptica van poder controlar simultàniament l'activitat cerebral en múltiples ubicacions corticals a través d'una gran regió cerebral que va ajudar a les comparacions espacials.
A més d'aquest projecte, aquest estudi doctoral també ha implicat el desenvolupament d'un sistema tomogràfic híbrid que permet la monitorització simultània tant del flux sanguini cerebral com de l'oxigenació sanguínia cerebral com una combinació de tomografia òptica de contrast de speckle d'alta densitat (HD-SCOT) i d'alta densitat sistemes de tomografia òptica difusa (HD-DOT). Aquest dispositiu de tomografia òptica i tomografia d'òptica difusa de contrast de speckle d'alta densitat (HD-SCOT/DOT) es va desenvolupar per explorar l'activitat cerebral i abordar funcions cerebrals complexes relacionades amb la unitat neurovascular en estudis preclínics en rosegadors. Es tracta d'un dispositiu nou, i el seu desenvolupament durant aquest estudi doctoral va incloure totes les tasques relacionades que van des de la construcció de la seva instrumentació fins al desenvolupament de la interfície usuari-dispositiu, així com la prova de la seva funcionalitat mitjançant experiments amb fantasmes líquids que imiten teixits i experiments amb rosegadors. Aquest dispositiu té el potencial de ser utilitzat en futurs estudis centrats en la investigació del metabolisme de l'oxigen al cervell.