Abstract Speckle contrast optical spectroscopy (SCOS) is an emerging camera-based technique that can measure human cerebral blood flow (CBF) with high signal-to-noise ratio (SNR). At low photon flux levels typically encountered in human CBF measurements, camera noise and nonidealities could significantly impact SCOS measurement SNR and accuracy. Thus, a guide for characterizing, selecting, and optimizing a camera for SCOS measurements is crucial for the development of next-generation optical devices for monitoring human CBF and brain function. Here, we provide such a guide and illustrate it by evaluating three commercially available complementary metal–oxide–semiconductor cameras, considering a variety of factors including linearity, read noise, and quantization distortion. We show that some cameras that are well-suited for general intensity imaging could be challenged in accurately quantifying spatial contrast for SCOS. We then determine the optimal operating parameters for the preferred camera among the three and demonstrate measurement of human CBF with this selected low-cost camera. This work establishes a guideline for characterizing and selecting cameras as well as for determining optimal parameters for SCOS systems.

Abstract Normal aging is associated with a variety of neurologic changes including declines in cognition, memory, and motor activity. These declines correlate with neuronal changes in synaptic structure and function. Degradation of brain network activity and connectivity represents a likely mediator of age-related functional deterioration resulting from these neuronal changes. Human studies have demonstrated both general decreases in spontaneous cortical activity and disruption of cortical networks with aging. Current techniques used to study cerebral network activity are hampered either by limited spatial resolution (e.g. electroencephalography, EEG) or limited temporal resolution (e.g., functional magnetic resonance imaging, fMRI). Here we utilize mesoscale imaging of neuronal activity in Thy1- GCaMP6f mice to characterize neuronal network changes in aging with high spatial resolution across a wide frequency range. We show that while evoked activity is unchanged with aging, spontaneous neuronal activity decreases across a wide frequency range (0.01-4Hz) involving all regions of the cortex. In contrast to this global reduction in cortical power, we found that aging is associated with functional connectivity (FC) deterioration of select networks including somatomotor, cingulate, and retrosplenial nodes. These changes are corroborated by reductions in homotopic FC and node degree within somatomotor and visual cortices. Finally, we found that whole cortex delta power and delta band node degree correlate with exploratory activity in young but not aged animals. Together these data suggest that aging is associated with global declines in spontaneous cortical activity and focal deterioration of network connectivity, and that these reductions may be associated with age-related behavioral declines.

Abstract Cerebral blood flow (CBF) is an important indicator of brain health and function. Diffuse correlation spectroscopy (DCS) is an optical technique that enables non-invasive and continuous bedside monitoring of human CBF. However, traditional DCS consisting of a few channels has relatively low signal-to-noise ratio (SNR), preventing measurements at long source detector separations (SDS) with increased sensitivity to cerebral rather than extracerebral blood flow. Here we developed a fiber-based speckle contrast optical spectroscopy (SCOS) system and the corresponding data analysis pipeline to measure CBF variations. We show that SCOS outperforms traditional DCS by more than an order of magnitude in SNR with comparable financial cost. We also demonstrated human brain function measurements during a cognitive task at an SDS of 33 mm . This technology will establish the foundation for devices that use spatial speckle statistics to non-invasively monitor human CBF, leading to a new functional neuroimaging approach for cognitive neuroscience.

We have developed the fiber-based speckle contrast optical spectroscopy (SCOS) system to measure human cerebral blood flow (CBF) and brain functions, and demonstrated that SCOS outperforms traditional diffuse correlation spectroscopy (DCS) systems.

Neurovascular coupling (NVC) and neurometabolic coupling (NMC) provide the basis for functional magnetic resonance imaging and positron emission tomography to map brain neurophysiology. While increases in neuronal activity are often accompanied by increases in blood oxygen delivery and oxidative metabolism, these observations are not the rule. This decoupling is important when interpreting brain network organization (e.g., resting-state functional connectivity [RSFC]) because it is unclear whether changes in NMC/NVC affect RSFC measures. We leverage wide-field optical imaging in Thy1-jRGECO1a mice to map cortical calcium activity in pyramidal neurons, flavoprotein autofluorescence (representing oxidative metabolism), and hemodynamic activity during wake and ketamine/xylazine anesthesia. Spontaneous dynamics of all contrasts exhibit patterns consistent with RSFC. NMC/NVC relative to excitatory activity varies over the cortex. Ketamine/xylazine profoundly alters NVC but not NMC. Compared to awake RSFC, ketamine/xylazine affects metabolic-based connectomes moreso than hemodynamic-based measures of RSFC. Anesthesia-related differences in NMC/NVC timing do not appreciably alter RSFC structure.

Continuous and non-invasive blood pressure (BP) monitoring has the potential to greatly improve hypertension diagnosis and management, along with enabling valuable personal health monitoring in the population at large. Existing methods rely on cuff-based sphygmomanometers, which are cumbersome and disrupt sleep. Despite extensive research utilizing photoplethysmography (PPG), which is integrated into many consumer wearables, errors in continuous BP estimation are generally considered unacceptable for general use. We developed a high-speed (390 Hz) Speckle Contrast Optical Spectroscopy (SCOS) system to measure the cardiac blood flow waveform simultaneously with the PPG signal at high temporal resolution. The system utilized high speed multiplexed detection of optical speckle patterns on the wrist and finger, enabling the extraction of novel features related to BP. In comparison to PPG alone, SCOS demonstrated a notable 31% improvement (p = 3.45 * 10 -7 ) in systolic BP estimation when integrated into subject-specific machine-learning models. The resulting errors were remarkably low (systolic BP: 0.06+/- 2.88 mmHg, diastolic BP: 0.09 +/-2.14 mmHg) across a wide range of BP variations (range SBP: 89-284 mmHg). Importantly, this improvement was sustained several weeks later within a re-measured cohort, indicating highly robust BP predictions. Looking ahead, the use of SCOS for blood flow measurements holds the potential to substantially enhance BP estimations compared to conventional PPG-based methods.