खोपड़ी के आर-पार, रोशनी और ध्वनि से दिमाग़ को काम करते देखना

फ़ंक्शनल MRI ने मानव मस्तिष्क को काम करते देखने का हमारा तरीक़ा बदल दिया है। लेकिन यह ऑक्सीजन-कम ख़ून को सिर्फ़ परोक्ष रूप से, पानी के अणुओं पर उसके असर के ज़रिए, महसूस करता है, और इसे एक भारी-भरकम, महँगा, शोरगुल भरा, बंद अतिचालक चुंबक चाहिए। दूसरे उपकरण एक ख़ूबी के बदले दूसरी छोड़ते हैं: विद्युत रिकॉर्डिंग तेज़ होती है पर स्थान के मामले में धुँधली; निकट-अवरक्त रोशनी ख़ून को देखती है पर इतना बिखरती है कि साफ़ छवियाँ नहीं दे पाती।

फ़ोटोअकूस्टिक टोमोग्राफ़ी एक और रास्ता देती है। छोटे लेज़र स्पंद ऊतक में प्रवेश करते हैं; जब हीमोग्लोबिन रोशनी सोखता है, तो वह अल्ट्रासाउंड तरंगें पैदा करता है, जिन्हें सेंसर पकड़कर एक 3D छवि दोबारा बनाते हैं। ऑक्सीजन-समृद्ध और ऑक्सीजन-कम हीमोग्लोबिन अलग-अलग रंग सोखते हैं, इसलिए दो लेज़र उन्हें अलग पहचान सकते हैं। यह मशीन MRI स्कैनर से ज़्यादा कॉम्पैक्ट, सस्ती और शांत है, और इसमें कोई चुंबक है ही नहीं।

दिक़्क़त यह है: वयस्कों में दिमाग़ की फ़ंक्शनल फ़ोटोअकूस्टिक इमेजिंग अब तक सिर्फ़ उन्हीं लोगों में काम कर पाई थी जिनकी सर्जरी के बाद खोपड़ी का कुछ हिस्सा नहीं था। हड्डी रोशनी और ध्वनि दोनों को मंद कर देती है, तरंगों को विकृत करती है, और प्रतिध्वनियाँ पैदा करती है। और किसी मानसिक या गति-संबंधी काम से सिग्नल में होने वाले बदलाव सिर्फ़ कुछ प्रतिशत होते हैं — जो मिलीमीटर के एक अंश जितना हिलने वाले सिर में आसानी से डूब जाते हैं।

3,072 कानों वाला कटोरा

कैलिफ़ोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ़ टेक्नोलॉजी के यिलिन लुओ, रुई काओ, मानशिउ कुई, लिहोंग वांग और उनके सहयोगियों ने, यूनिवर्सिटी ऑफ़ सदर्न कैलिफ़ोर्निया में डैनी वांग की टीम के साथ मिलकर, दोनों समस्याओं से निपटा।

उन्होंने सिर के चारों ओर एक अर्धगोलाकार कटोरे में 3,072 अल्ट्रासाउंड सेंसर भरे — अब तक की सबसे ज़्यादा चैनल संख्या — हर एक का अपना एम्प्लिफ़ायर। वे 1 MHz की कम आवृत्ति पर सुनते हैं, जो हड्डी को ज़्यादा आसानी से पार करती है।
टीम की पिछली प्रणाली की तुलना में, खोपड़ी के आर-पार सिग्नल-टू-नॉइज़ में अनुमानित बढ़त लगभग 273 गुना है, जो उस खोपड़ी की भरपाई के लिए काफ़ी है जो सिग्नल को लगभग सौ गुना मंद कर देती है।
दो लेज़र, 1,064 और 755 नैनोमीटर के, बारी-बारी से चलते हैं। हर स्पंद एक पूरी 3D छवि देता है, हर सेकंड 20 वॉल्यूम, बिना किसी चलते पुर्ज़े के — इसलिए स्कैनिंग से कोई धुँधलापन नहीं।
हर स्वयंसेवक ने एक व्यक्तिगत 3D-प्रिंटेड हेलमेट पहना, जो उसके सिर के 3D स्कैन से डिज़ाइन किया गया था। 7.5 मिनट के सत्र में सिर की हलचल आमतौर पर लगभग 0.1 मिलीमीटर और 0.1 डिग्री के भीतर रही।

एक शव से निकाली गई और जेल से भरी मानव खोपड़ी पर, यह प्रणाली भीतर रखी ख़ून से भरी एक नली को तब भी देख सकी, जबकि उसका सिग्नल बाहर की तुलना में लगभग 300 गुना कमज़ोर था।

उँगलियाँ, होंठ और 7-टेस्ला से जाँच

24 से 56 साल के चार स्वस्थ पुरुषों ने एक हाथ की उँगलियाँ थपथपाईं या होंठ सिकोड़े, 30 सेकंड करना, 30 सेकंड रुकना। संदर्भ के लिए हर एक का एक हाई-फ़ील्ड 7-टेस्ला MRI में भी स्कैन हुआ।

इस विधि ने उँगलियाँ थपथपाने की प्रतिक्रियाओं को दिमाग़ के अपेक्षित गति-और-स्पर्श क्षेत्र में, हिलते हाथ के विपरीत ओर, रखा — MRI से मेल खाते हुए।
इसने हाथ और मुँह में भेद किया: व्यक्ति, दिमाग़ के पक्ष और काम के सभी 16 संयोजनों में, फ़ोटोअकूस्टिक नक़्शा उसी काम के MRI नक़्शे के ज़्यादा क़रीब था, दूसरे काम वाले के नहीं।
इसने ख़ुद को दोहराया: एक स्वयंसेवक में, तीन महीने के अंतर पर हुई दो मुलाक़ातों के पाँच सत्र सब एक ही क्षेत्र में पड़े।
काम के दौरान दोनों लेज़र रंग उलटी दिशाओं में बदले, जैसा कि ऑक्सीजन-समृद्ध और ऑक्सीजन-कम ख़ून के प्रति उनकी अलग संवेदनशीलता से अपेक्षित था। 1,064 nm पर रोशनी-और-ध्वनि का सिग्नल MRI सिग्नल के बहुत क़रीब चला, 0.92 के सहसंबंध के साथ।

बारीक़ शर्तें

फ़ोटोअकूस्टिक नक़्शे MRI वालों से औसतन 11.4 मिलीमीटर दूर थे, और व्यवस्थित रूप से दिमाग़ की सतह की ओर खिसके हुए। लेखक कई संभावित कारण गिनाते हैं जिन्हें वे अभी अलग नहीं कर सकते: खोपड़ी से होने वाली विकृति, मशीनों के बीच मिलान (रजिस्ट्रेशन) की त्रुटियाँ, मुद्रा के साथ दिमाग़ का खिसकना, और सत्र-दर-सत्र अंतर। सिर्फ़ चार प्रतिभागियों पर परीक्षण हुआ, सभी पुरुष, सरल गति-संबंधी कामों पर, और जिस हिस्से की इमेजिंग हुई वहाँ के बाल मूँड़े गए थे।

लिहोंग वांग तीन फ़ोटोअकूस्टिक इमेजिंग कंपनियों में वित्तीय हित घोषित करते हैं; लेखकों के अनुसार इन कंपनियों ने इस काम में सहयोग नहीं दिया।

टीम एक ऐसा मंच देखती है जो उन दूसरे उपकरणों के साथ काम कर सके — विद्युत रिकॉर्डिंग, मस्तिष्क उत्तेजना, ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफ़ेस — जिन्हें MRI चुंबक के साथ जोड़ना कठिन है। ज़्यादा कॉम्पैक्ट लेज़रों के साथ, वे दिमाग़ का अध्ययन ज़्यादा स्वाभाविक परिवेश में करने की उम्मीद रखते हैं।