Nauji horizontai neinvazinėse smegenų vaizdinimo technologijose

Naujas proveržis neinvazinėje smegenų vaizdinimo srityje

Glazgo universiteto mokslininkai pasiekė išskirtinį laimėjimą – jiems pavyko perduoti šviesą per gyvo žmogaus galvą. Šis pasiekimas žymi svarbų žingsnį į priekį neinvazinės smegenų vaizdinimo technologijos srityje. Priešingai nei įprasti metodai, kuriems reikalinga didelė, brangi įranga, ši inovatyvi technologija žada padaryti giluminį smegenų vaizdavimą prieinamesnį, mobilesnį ir ekonomiškai palankesnį ateityje.

Mokslinis kontekstas: Esamų smegenų vaizdinimo technologijų ribotumai

Dabartiniai smegenų aktyvumo vaizdinimo metodai, tokie kaip funkcinis magnetinio rezonanso vaizdinimas (fMRI), suteikia aukštos raiškos informacijos, tačiau yra brangūs, stacionarūs ir dažnai sunkiai prieinami medicinos įstaigose kasdienėje praktikoje. Tuo tarpu nešiojamieji metodai, tokie kaip elektroencefalografija (EEG) bei tradicinė funkcinė artimojo infraraudonųjų spindulių spektroskopija (fNIRS), yra kompaktiški ir prieinami, tačiau jų galimybės ribotos – jais neįmanoma vizualizuoti giliau esančių smegenų struktūrų. Pavyzdžiui, įprastinė fNIRS technologija gali prasiskverbti tik keletą centimetrų, todėl jos taikymas gilesnių neuronių signalų ar bižymenų tyrimams – ribotas.

Eksperimento aprašymas: fNIRS tobulinimas viso kaukolės storio prasiskverbimui

Norėdama įveikti šiuos apribojimus, Glazgo universiteto komanda patobulino fNIRS metodą. Kruopščiai padidindami arti infraraudonųjų spindulių lazerių intensyvumą (užtikrindami, kad jis neviršytų saugių biologinių ribų) ir panaudodami pažangią fotonų surinkimo sistemą, mokslininkai maksimaliai padidino per galvą praeinančios šviesos kiekį. Atliekant eksperimentą, vos labai maža fotonų dalis pasiekė kitą galvos pusę. Nepaisant to, šis srautas pakako įrodyti, kad metodas yra įmanomas ir turi potencialą iš esmės pakeisti smegenų vaizdinimo ateitį.

Iššūkiai ir ribotumai

Sėkmingas šviesos perdavimas buvo užfiksuotas tik vienam iš aštuonių dalyvių – vyrui, turinčiam šviesią odą ir beplaukę galvos odą, dėl ko šviesos sugertis ir išsisklaidymas buvo mažesni. Procesui taip pat reikėjo specifinės eksperimentinės aplinkos ir ilgo skenavimo laiko – apie 30 minučių. Tyrėjai atvirai pripažįsta šiuos ribotumus ir pabrėžia, kad pagrindinis tikslas buvo parodyti esminę giluminio smegenų vaizdinimo galimybę. Ankstyvieji rezultatai sudaro pagrindą tolimesniems patobulinimams, siekiant greitesnio, universalesnio ir platesnio šios technologijos pritaikymo.

Pagrindiniai atradimai ir reikšmė smegenų mokslui

Vienas iš įdomiausių tyrimo rezultatų susijęs su fotonų judėjimu kaukolėje. Kompiuteriniai modeliai, sukurti remiantis 3D galvos skenavimu, tiksliai atspindėjo realius fotonų judėjimo kelius. Svarbu pažymėti, kad tyrimas parodė – šviesa galvos viduje nesisklaido atsitiktinai, o juda per tam tikras „labiau skaidrias“ galvos sritis, ypač pripildytas smegenų skysčio. Ši nauja įžvalga rodo, kad ateityje neinvaziniai smegenų tyrimai gali būti tiksliai nukreipiami į pasirinktas smegenų vietas, leidžiant giliau ir tiksliau analizuoti neuroninę veiklą.

Pasak tyrėjų, „šių rezultatų pagrindu galima išplėsti neinvazinių, šviesa paremtų smegenų vaizdinimo technologijų naudojimą iki giluminių svarbių biomarkerių tomografijos suaugusiųjų galvos viduje“.

Plačios reikšmės ir ateities perspektyvos

Patobulinta fNIRS technologija turi keletą pranašumų prieš kitus neurovaizdinimo įrankius. Jos ekonomiškumas ir mobilumas gali atverti kelią plačiam diagnostikos pritaikymui, pavyzdžiui, stebint insultus, galvos traumas ar galvos auglius net už ligoninių ribų. Galimybė neinvaziškai tirti giliau esančius smegenų regionus gali taip pat paspartinti kognityvinės raidos, neurologinių ligų ir psichikos sveikatos tyrimus įvairiais žmonių gyvenimo etapais.

Ateities tyrimų kryptys apims skenavimo trukmės mažinimą, pritaikomumo plėtrą žmonėms su įvairiomis galvos ir plaukų savybėmis bei naujos kartos neinvazinių smegenų vaizdinimo prietaisų kūrimą. Nors masinis ir greitas giliųjų smegenų vaizdinimas kasdienėje praktikoje dar nėra pasiekiamas, šis pasiekimas žymi reikšmingą žingsnį, jungiantį paprastus nešiojamus prietaisus su sudėtingais, aukštos raiškos skeneriais.

Tyrėjų teigimu, „optiškai pagrįsti neinvazinių žmogaus smegenų vaizdinimo metodai turi potencialą užpildyti technologinę spragą tarp pigių, mobilių prietaisų (kaip EEG) ir brangių, aukštos raiškos fMRI instrumentų“.

Išvada

Šis reikšmingas tyrimas pirmą kartą parodė, kad galima perduoti šviesą per visą žmogaus galvą, naudojant optimizuotą fNIRS sistemą. Nors metodas dar tik ankstyvosiose stadijose, ši inovacija rodo kelią į ateitį, kur giluminis smegenų vaizdinimas bus saugesnis, pigesnis ir plačiai prieinamas – tai galėtų iš esmės pakeisti neuromokslų ir neurologijos tyrimus bei klinikinę praktiką.