تماشای کار مغز از پشت جمجمه، با نور و صدا
ام‌آرآی کارکردی (functional MRI) شیوهٔ تماشای کار مغز انسان را دگرگون کرده است. اما این روش خونِ کم‌اکسیژن را فقط به‌طور غیرمستقیم، از راه اثرش بر مولکول‌های آب، حس می‌کند و به آهنربای ابررسانای حجیم، گران، پرسروصدا و بسته نیاز دارد. ابزارهای دیگر یک توانایی را با دیگری عوض می‌کنند: ثبت‌های الکتریکی سریع‌اند اما در مکان‌یابی تار؛ نور فروسرخ نزدیک خون را می‌بیند اما آن‌قدر پراکنده می‌شود که نمی‌تواند تصویر واضح بدهد.
توموگرافی فوتوآکوستیک (photoacoustic tomography) راه دیگری پیش می‌گذارد. تپ‌های کوتاه لیزر وارد بافت می‌شوند؛ وقتی هموگلوبین نور را جذب می‌کند، امواج فراصوت تولید می‌کند که حسگرها آن‌ها را دریافت می‌کنند تا تصویری سه‌بعدی بازسازی کنند. هموگلوبین پراکسیژن و کم‌اکسیژن رنگ‌های متفاوتی جذب می‌کنند، پس دو لیزر می‌توانند آن‌ها را از هم تشخیص دهند. این دستگاه از دستگاه ام‌آرآی جمع‌وجورتر، ارزان‌تر و بی‌صداتر است و اصلاً آهنربا ندارد.
مشکل این بود: در بزرگسالان، تصویربرداری فوتوآکوستیک کارکردی از مغز فقط در افرادی جواب داده بود که پس از جراحی بخشی از جمجمه‌شان را نداشتند. استخوان هم نور و هم صدا را تضعیف می‌کند، امواج را واپیچیده می‌کند و پژواک می‌سازد. و تغییرات سیگنال ناشی از یک تکلیف ذهنی یا حرکتی فقط چند درصد است — که سری که کسری از میلی‌متر جابه‌جا شود به‌آسانی آن را در خود غرق می‌کند.
کاسه‌ای با 3,072 گوش
Yilin Luo، Rui Cao، Manxiu Cui، Lihong Wang و همکارانشان در California Institute of Technology، همراه با گروه Danny Wang در University of Southern California، به هر دو مشکل حمله کردند.
- آن‌ها 3,072 حسگر فراصوت را در کاسه‌ای نیم‌کره‌ای پیرامون سر جای دادند — بیشترین شمار کانال تا امروز — و هر کدام تقویت‌کنندهٔ خودش را دارد. این حسگرها در بسامدی پایین، 1 مگاهرتز، گوش می‌دهند که راحت‌تر از استخوان می‌گذرد.
- در مقایسه با سامانهٔ پیشین این گروه، بهرهٔ برآوردشدهٔ نسبت سیگنال به نوفه از پشت جمجمه حدود 273 برابر است؛ آن‌قدر که جمجمه‌ای را که سیگنال را تقریباً صد برابر تضعیف می‌کند جبران کند.
- دو لیزر، در 1,064 و 755 نانومتر، به نوبت شلیک می‌کنند. هر تپ یک تصویر سه‌بعدی کامل می‌دهد، 20 حجم در ثانیه، بی هیچ قطعهٔ متحرک — پس تاری ناشی از روبش در کار نیست.
- هر داوطلب کلاهی اختصاصی ساخته‌شده با چاپ سه‌بعدی بر سر داشت که از روی اسکن سه‌بعدی سرش طراحی شده بود. جابه‌جایی سر معمولاً در یک جلسهٔ 7.5 دقیقه‌ای در حد حدود 0.1 میلی‌متر و 0.1 درجه ماند.
روی جمجمهٔ انسانی که از یک جسد برداشته و با ژل پر شده بود، سامانه همچنان می‌توانست لوله‌ای پر از خون را که درون آن گذاشته شده بود ببیند، هرچند سیگنالش حدود 300 برابر ضعیف‌تر از بیرون بود.
انگشت‌ها، لب‌ها و یک آزمون 7 تسلا
چهار مرد سالم 24 تا 56 ساله با انگشتان یک دست ضربه زدند یا لب‌هایشان را غنچه کردند، 30 ثانیه کار و 30 ثانیه استراحت. از هر کدام برای مرجع یک اسکن در ام‌آرآی 7 تسلای میدان‌بالا هم گرفته شد.
- این روش پاسخ‌های ضربهٔ انگشت را در ناحیهٔ مورد انتظار حرکت و لمس مغز، در سمت مخالف دستِ در حال حرکت، و هم‌خوان با ام‌آرآی جای داد.
- دست را از دهان تشخیص داد: در هر 16 ترکیب فرد، نیمکرهٔ مغز و تکلیف، نقشهٔ فوتوآکوستیک به نقشهٔ ام‌آرآی همان تکلیف نزدیک‌تر بود تا به نقشهٔ تکلیف دیگر.
- خودش را تکرار کرد: در یک داوطلب، پنج جلسه در دو نوبت مراجعه با سه ماه فاصله، همگی در یک ناحیه افتادند.
- دو رنگ لیزر در طول تکلیف در جهت‌های مخالف تغییر کردند، همان‌طور که از حساسیت متفاوتشان به خون پراکسیژن و کم‌اکسیژن انتظار می‌رفت. سیگنال نور و صدا در 1,064 نانومتر از نزدیک با سیگنال ام‌آرآی همراه بود، با همبستگی 0.92.
ریزه‌کاری‌ها
نقشه‌های فوتوآکوستیک به‌طور میانگین 11.4 میلی‌متر با نقشه‌های ام‌آرآی فاصله داشتند و به‌طور نظام‌مند به سمت سطح مغز جابه‌جا شده بودند. نویسندگان چند علت احتمالی را برمی‌شمارند که هنوز نمی‌توانند از هم جدا کنند: واپیچش ناشی از جمجمه، خطای هم‌ثبت‌سازی (registration) میان دستگاه‌ها، جابه‌جایی مغز با تغییر وضعیت بدن و تفاوت‌های جلسه به جلسه. فقط چهار شرکت‌کننده آزموده شدند، همه مرد، با تکلیف‌های حرکتی ساده، و موی روی ناحیهٔ تصویربرداری‌شده تراشیده شده بود.
Lihong Wang اعلام می‌کند که در سه شرکت تصویربرداری فوتوآکوستیک منافع مالی دارد؛ نویسندگان تصریح می‌کنند که این شرکت‌ها از این پژوهش پشتیبانی نکرده‌اند.
این گروه سکویی را می‌بیند که می‌تواند کنار ابزارهای دیگری قرار گیرد — ثبت‌های الکتریکی، تحریک مغز، رابط‌های مغز و رایانه — که ترکیبشان با آهنربای ام‌آرآی دشوار است. آن‌ها امیدوارند با لیزرهای جمع‌وجورتر، مغز را در موقعیت‌های طبیعی‌تر مطالعه کنند.