Новый оптический подход к сканированию мозга идеально подходит для детей и пациентов с электронными имплантатами, такими как кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты и глубокие стимуляторы головного мозга (используемые для лечения болезни Паркинсона). Магнитные поля при магнитно-резонансной томографии (МРТ) часто нарушают работу или безопасность имплантированных электрических устройств, в то время как оптическая техника не мешает работе.
Новая технология называется диффузной оптической томографией (DOT). Хотя исследователи разрабатывали его более 10 лет, метод был ограничен небольшими областями мозга.
Новый инструмент DOT покрывает две трети головы и впервые может отображать мозговые процессы, происходящие в нескольких областях и сетях мозга, например, те, которые участвуют в обработке речи и саморефлексии (мечтание).
Результаты теперь доступны онлайн в Nature Photonics.
«Когда нейронная активность в определенной области мозга увеличивается, насыщенная кислородом кровь течет к тем частям мозга, которые выполняют больше работы, и мы можем это обнаружить», — сказал старший автор Джозеф Калвер, доктор философии, доцент радиологии. "Это примерно похоже на прилив крови к щекам, когда они краснеют."
Этот метод работает, обнаруживая свет, проходящий через голову, и фиксирует динамические изменения цвета ткани головного мозга.
Хотя технология DOT в настоящее время используется в исследовательских учреждениях, она потенциально может быть полезна во многих медицинских сценариях в качестве суррогата функциональной МРТ, наиболее часто используемого метода визуализации для картирования функций человеческого мозга. Функциональная МРТ также отслеживает активность мозга через изменения кровотока.
Помимо того, что фМРТ значительно расширяет наше понимание человеческого мозга, она используется для диагностики и мониторинга заболеваний мозга и лечения.
Еще один широко используемый метод картирования функций мозга — позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которая включает радиационное облучение. Поскольку технология DOT не использует излучение, можно использовать несколько сканирований, выполняемых с течением времени, для отслеживания прогресса пациентов, получающих лечение от травм головного мозга, нарушений развития, таких как аутизм, нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, и других заболеваний.
В отличие от фМРТ и ПЭТ, технология DOT предназначена для портативности, поэтому ее можно использовать рядом с пациентом или в операционной.
«Благодаря новым улучшениям качества изображения DOT значительно приближается к разрешению и позиционной точности фМРТ», — сказал первый автор Адам Т. Эггебрехт, доктор философии, научный сотрудник постдокторантуры. "Это означает, что DOT можно использовать в качестве более сильного суррогата в ситуациях, когда нельзя использовать фМРТ."
У исследователей есть много идей по применению DOT, в том числе узнать больше о том, как глубокая стимуляция мозга помогает пациентам с болезнью Паркинсона, визуализировать мозг во время социальных взаимодействий и изучить, что происходит с мозгом во время общей анестезии и когда сердце временно останавливается во время кардиохирургии.
В текущем исследовании исследователи подтвердили эффективность DOT, сравнив его результаты с результатами сканирования фМРТ. Данные были собраны с использованием одних и тех же субъектов, а изображения DOT и fMRI были совмещены.
Они искали область Брока, ключевую область лобной доли, используемую для речи и производства речи. Перекрытие между областью мозга, идентифицированной как область Брока по данным DOT и фМРТ, составляло около 75 процентов.
Во втором наборе тестов исследователи использовали DOT и фМРТ для обнаружения сетей мозга, которые активны, когда субъекты отдыхают или мечтают. Интерес исследователей к этим сетям значительно вырос за последнее десятилетие, поскольку сети были связаны со многими различными аспектами здоровья и болезней мозга, такими как шизофрения, аутизм и болезнь Альцгеймера.
В этих исследованиях данные DOT также показали поразительное сходство с фМРТ — выделение одного и того же кластера из трех регионов в обоих полушариях.
«Благодаря улучшенному качеству изображения новой системы DOT мы приближаемся к точности фМРТ», — сказал Калвер. «Мы достигли такого уровня детализации, который в будущем может сделать оптическую нейровизуализацию более полезной в исследованиях и в клинике."
Хотя DOT не позволяет ученым очень глубоко заглядывать в мозг, исследователи могут получить надежные данные на глубине около одного сантиметра ткани. Этот сантиметр содержит некоторые из наиболее важных и интересных областей мозга со многими высшими функциями мозга, такими как память, язык и самосознание.
Во время DOT-сканирования субъект носит колпачок, состоящий из множества источников света и датчиков, подключенных к кабелям. Полномасштабное устройство DOT занимает площадь немного больше, чем старомодная телефонная будка, но Калвер и его коллеги создали версии сканера, установленного на колесных тележках.
Они продолжают работать над тем, чтобы сделать технологию более портативной.