تقدم تصوير الدماغ البصري بأسعار معقولة

بالنسبة للجزء الأكبر ، يجب على أي شخص يريد أن يرى ما يجري داخل دماغ شخص آخر أن يصنع مفاضلة عندما يتعلق الأمر بالأدوات اللازمة للاستخدام. إن الخلاف الكهربائي (EEG) رخيص ومحمول ، لكن لا يمكنه قراءة الطبقات الخارجية للدماغ ، في حين أن التصوير البديل الرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) ، مكلف وحجم الغرفة ، ولكن يمكن أن يعمق. الآن ، توصلت مجموعة أبحاث في غلاسكو إلى آلية يمكن أن توفر ذات يوم عمق الرنين المغناطيسي الوظيفي باستخدام المعدات بأسعار معقولة ومحمولة مثل EEG. ستعتمد هذه التكنولوجيا على شيء بدا مستحيلًا في السابق ، حيث كان هناك ضوء على طول رأس الشخص.

من الواضح أن الرأس البشري لا يترك الكثير من الضوء من خلاله. لسنوات ، كافحت تقنيات تصوير الدماغ باستخدام الضوء ، والتي تسمى التصوير البصري للدماغ ، ضد هذا الحاجز إلى أن تصبح على نطاق واسع في الأبحاث والممارسة السريرية. يستخدم التصوير البصري للدماغ في المقام الأول الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء ، والذي يكون فيه الأنسجة البشرية شفافة نسبيًا. لكن الرؤوس البشرية جيدة جدًا في منع تلك الأطوال الموجية التي وجدت فيها مجموعة أبحاث غلاسكو أن مليار من المليارات من جميع الفوتونات القريبة من الأشعة تحت الحمراء تجعلها من خلال رأس بشري بالغ كامل من جانب إلى آخر. كانت إحصائيات كهذه قد دفعت الكثيرين في هذا المجال إلى استنتاج أن نقل الضوء عبر الدماغ العميق كان مستحيلًا ، حتى قامت مجموعة دانييلي Faccio بجامعة غلاسكو مؤخرًا.

“في بعض الأحيان مررنا بمراحل التفكير ، حسنًا ، ربما يكون هذا مستحيلًا لأننا لم نر إشارة لسنوات عديدة.” – جاك رادفورد ، جامعة غلاسكو

“هناك الكثير من التقنيات البصرية لمراقبة نشاط الدماغ الذي يحتوي على كاشفات بالليزر التي يتم وضعها ربما ثلاثة سنتيمترات ، وربما على بعد خمس سنتيمتر علم الخلايا العصبيةيشرح. بدأ الفريق مع لوحة من المواد السميكة التي تنقش الضوء ، ووجد أن الضوء يمكن أن يمر عبر عرض رأس بشري للمواد للوصول إلى كاشف ضوئي. ثم صمموا تجربة لاختبار حدود نقل الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء من خلال رأس المتطوع.

قامت المجموعة بقياس الأوقات التي استغرقها ملايين الفوتونات للسفر من ليزر 1.2 واط ينبعث من ضوء طول الموجة 800 نانومتر إلى جانب واحد من الرأس إلى كاشف على الجانب الآخر. في كل مرة تمثل المسارات المحتملة التي يمكن أن تأخذها الفوتونات الفردية من خلال رأس الموضوع. كما قاموا بمحاكاة مسارات سفر الفوتونات ، وقاموا بإنشاء توزيعات لكل من الأوقات التجريبية والمحاكاة. نظرًا لأن التوزيعات كانت متشابهة للغاية ، فقد تمكنوا من استنتاج أنها لم تكن مجرد اكتشاف فوتونات عشوائية تمر عبر الغرفة. لكنها لم تكن مجرد الإبحار السلس.

لقد استغرق الأمر العديد من التكرارات للإعدادات التجريبية للعثور على واحد في مليار الفوتونات التي تجعلها من خلال الرأس.مجموعة الضوء المتطرفة/جامعة غلاسكو

يقول رادفورد: “ما ليس في الورقة هو السنوات الخمس من التجارب التي لم تنجح حقًا”. كان أحد التحسينات الرئيسية التي أجراها الفريق للتجربة هو تقليل ضوضاء الخلفية. نظرًا لأن عدد قليل جدًا من الفوتونات تمررها على طول الطريق ، فمن الأرجح أن يتراجع الفوتونات في جميع أنحاء الغرفة من الكاشف من الفوتونات التي مررت بالفعل من خلال الرأس إليها. لقد أجروا تعديلات مثل لفت القماش الأسود على رأس الموضوع ، وإجراء التجربة بأكملها في صندوق أسود ، ووضع الموضوع بترتيب-إيسك النائم ، وتركيب غطاء أسود آخر فوق كل ذلك ، قبل رؤية نتائج جيدة. كما أمضوا وقتًا في تجربة أشعة الليزر المختلفة ، وضبط حجم الشعاع وطول الموجة ، واختراع إعدادات جديدة لتحسين إشارةهم ، والتي تضمنت بعضها خوذات الدراجات والتعقيد.

يقول رادفورد: “في بعض الأحيان مررنا بمراحل التفكير ، حسنًا ، ربما يكون هذا مستحيلًا لأننا لم نر إشارة لسنوات عديدة”. “لكن كان هناك دائمًا نوع من الميل إلى أننا قد نكون قادرين على فعل شيء ما. وهذا نوع من ما أبقى الزخم في المشروع البحثي.”

يقترح الآن أن إمكانية قياس الفوتونات التي مرت عبر الدماغ العميق تفتح مجموعة من الإمكانيات الجديدة لتكنولوجيا تصوير الدماغ الأرخص ، التي يمكن الوصول إليها ، وأعمق اختراق.

نحو تصوير الدماغ البصري الأعمق

يقول Roarke Horstmeyer ، الأستاذ في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة ديوك ، الذي لم يشارك في أبحاث غلاسكو: “تركز التطبيقات التي تواعدها إلى حد كبير على سطح الدماغ – وهذا ما يمكن أن تفعله التكنولوجيا الحالية”. يساعد البحث “على تقييم وتحديد ما إذا كانت هذه التكنولوجيا البصرية يمكن أن تبدأ في الوصول إلى تلك المناطق الأعمق.”

يستكشف Radford الطرق التي يمكن بها تطبيق التصوير العميق في المستقبل على الدماغ البصري في الأماكن السريرية والطبية ، لا سيما للمساعدة في قياس صحة الدماغ. بالنسبة لمجموعة من الحالات الواسعة النطاق ، التي يصعب تحفيزها مثل التراجع المعرفي ، والأمراض التنكسية العصبية ، وضباب الدماغ ، والارتجاج ، عادة ما تستخدم المستشفيات استبيانات لتحديد وظيفة الدماغ. لكن “[there are] يقول رادفورد: “لا توجد مؤشرات حيوية حقيقية لكيفية صحة الدماغ وكيف تتطور مع مرور الوقت.

تطبيق آخر يهتم Radford به هو التشخيص السريع للسكتات الدماغية. يعتمد تحديد وعلاج السكتات الدماغية بشكل صحيح قبل حدوث تلف عصبي خطير حاليًا على القدرة على الحصول على فحص بالأشعة المقطعية والتصوير بالرنين المغناطيسي في غضون عدة ساعات من أجل تحديد السبب الدقيق للسكتة الدماغية. لكن مثل هذه عمليات المسح مكلفة ، مما يجعل هذا العلاج أقل سهولة. وصف علاج السكتة الدماغية دون معرفة السبب ، على الرغم من ذلك ، يمكن أن يؤدي إلى عواقب وخيمة. يمكن أن يحدد ماسح الدماغ بجانب السرير الذي يستخدم طرق تصوير الدماغ الضوئية بسرعة وأكثر بسعر أرخص سبب السكتة الدماغية ، مما يؤدي إلى التشخيص السريع والعلاج.

يسر Radford أن المفاضلة الصعبة المتمثلة في معدات التصوير الباهظة الثمن والأعمق مقابل أرخص ولكن أجهزة الاستشعار الضحلة بدأت في الانهيار. الأطباء والباحثون “لا يدركون أنهم يمكن أن يستخدموا [brain imaging] لأنهم ظنوا دائمًا أن استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي أمر غير وارد … الآن [MRI] ليس السؤال ، من المثير التحدث إلى الأطباء و … استكشاف الاستخدامات المحتملة المختلفة له لمساعدتهم في تشخيصاتهم وعلاجهم “.

ومع ذلك ، هناك عقبات لا تزال التكنولوجيا بحاجة إلى التغلب عليها من أجل أن تكون ناجحة في بيئة سريرية. لأحد ، فإن الدراسة نفسها لم تصور أيًا من الدماغ العميق ؛ أرسلت للتو فوتونات من خلال. يقول هورستماير: “لا يزال أمام التكنولوجيا طريق طويل ، لا يزال في مهدها”. ستكون هناك عقبة أخرى هي الاختلافات في تشريح الرأس للموضوعات – من المتطوعين الثمانية التي أجرتها التجربة على التجارب ، لم تتمكن مجموعة رادفورد من اكتشاف إشارة للمشارك مع بشرة عادلة وعدم وجود شعر.

يقول هورستمير: “عندما تسير على طول الطريق عبر الرأس ، فأنت في مستويات الإضاءة المنخفضة بحيث تكون ببساطة لون بشرتك أو سماكة جمجمتك أو تصفيفة الشعر التي يمكن أن تحدث هذا الاختلاف في الكشف عنه أم لا”.

يعتقد رادفورد أنه قد يكون هناك طريقة للتغلب على الاختلافات في التشريح البشري عن طريق تغيير قوة وحجم الشعاع للليزر ، لكنه يعترف بأن هذه التغييرات قد تسبب مشاكل في الدقة المكانية. يقول: “لا تزال مشكلة لم تحل ، في ذهني”.

على الرغم من هذه التحديات ، يؤكد رادفورد على أن الغرض من الدراسة كان فقط لإظهار أنه من الممكن من الناحية البدنية نقل الفوتونات عبر الرأس البشري بأكمله. يقول: “الهدف من القياس هو إظهار أن ما كان يُعتقد أنه مستحيل ، لقد أظهرنا أنه ممكن. ونأمل أن يلهم ذلك الجيل القادم من هذه الأجهزة”.