MENYAKSIKAN OTAK BEKERJA MENEMBUS TENGKORAK, DENGAN CAHAYA DAN SUARA

MRI fungsional telah mengubah cara kita menyaksikan otak manusia bekerja. Tetapi alat ini hanya mendeteksi darah miskin oksigen secara tidak langsung, melalui pengaruhnya pada molekul air, dan memerlukan magnet superkonduktor yang besar, mahal, bising, dan tertutup. Alat-alat lain menukar satu keunggulan dengan keunggulan lain: rekaman listrik cepat tetapi kabur secara spasial; cahaya inframerah dekat dapat melihat darah, tetapi terlalu banyak terhambur untuk menghasilkan citra yang tajam.

Tomografi fotoakustik menawarkan jalan lain. Pulsa laser pendek masuk ke jaringan; ketika hemoglobin menyerap cahaya, ia menghasilkan gelombang ultrasonik, yang ditangkap sensor untuk menyusun ulang citra 3D. Hemoglobin kaya oksigen dan miskin oksigen menyerap warna yang berbeda, sehingga dua laser dapat membedakannya. Mesinnya lebih ringkas, lebih murah, dan lebih senyap daripada pemindai MRI, tanpa magnet sama sekali.

Masalahnya: pada orang dewasa, pencitraan fotoakustik fungsional otak sejauh ini hanya berhasil pada orang yang kehilangan sebagian tengkoraknya setelah operasi. Tulang meredam cahaya maupun suara, mendistorsi gelombang, dan menimbulkan gema. Selain itu, perubahan sinyal akibat tugas mental atau motorik hanya beberapa persen — mudah tertutup oleh kepala yang bergerak sepersekian milimeter.

Mangkuk dengan 3.072 telinga

Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang, dan rekan-rekan di California Institute of Technology, bersama tim Danny Wang di University of Southern California, menangani kedua masalah itu.

Mereka memasang 3.072 sensor ultrasonik dalam mangkuk berbentuk setengah bola di sekeliling kepala — jumlah kanal tertinggi sejauh ini — masing-masing dengan penguatnya sendiri. Sensor-sensor itu mendengarkan pada frekuensi rendah, 1 MHz, yang lebih mudah menembus tulang.
Dibandingkan sistem tim sebelumnya, perkiraan peningkatan rasio sinyal terhadap derau (signal-to-noise) yang menembus tengkorak sekitar 273 kali lipat, cukup untuk mengimbangi tengkorak yang meredam sinyal sekitar seratus kali.
Dua laser, pada 1.064 dan 755 nanometer, menembak bergantian. Setiap pulsa menghasilkan satu citra 3D lengkap, 20 volume per detik, tanpa bagian yang bergerak — jadi tanpa kekaburan akibat pemindaian.
Setiap sukarelawan memakai helm cetak 3D yang dipersonalisasi, dirancang dari pindaian 3D kepalanya. Gerakan kepala biasanya tetap dalam kisaran sekitar 0,1 milimeter dan 0,1 derajat selama sesi 7,5 menit.

Pada tengkorak manusia yang diambil dari jenazah dan diisi gel, sistem ini masih dapat melihat tabung berisi darah yang diletakkan di dalamnya, meskipun sinyalnya sekitar 300 kali lebih lemah daripada di luar.

Jari, bibir, dan pemeriksaan dengan 7 tesla

Empat laki-laki sehat, berusia 24 hingga 56 tahun, mengetuk-ngetukkan jari satu tangan atau mengerucutkan bibir, 30 detik aktif, 30 detik istirahat. Masing-masing juga dipindai dengan MRI 7 tesla bermedan tinggi sebagai acuan.

Metode ini menempatkan respons ketukan jari di area gerak dan sentuhan otak yang diharapkan, pada sisi yang berlawanan dengan tangan yang bergerak, sesuai dengan MRI.
Metode ini membedakan tangan dari mulut: pada ke-16 kombinasi orang, sisi otak, dan tugas, peta fotoakustik lebih dekat ke peta MRI untuk tugas yang sama daripada ke peta tugas lainnya.
Metode ini konsisten berulang: pada satu sukarelawan, lima sesi dalam dua kunjungan berselang tiga bulan semuanya jatuh di wilayah yang sama.
Kedua warna laser bergerak ke arah berlawanan selama tugas, sesuai dengan kepekaan berbeda keduanya terhadap darah kaya oksigen dan miskin oksigen. Sinyal cahaya-dan-suara pada 1.064 nm mengikuti sinyal MRI dengan erat, dengan korelasi 0,92.

Catatan kecil

Peta fotoakustik rata-rata berjarak 11,4 milimeter dari peta MRI, secara sistematis bergeser ke arah permukaan otak. Para penulis menyebut beberapa kemungkinan penyebab yang belum dapat mereka pisahkan: distorsi oleh tengkorak, galat registrasi antarmesin, pergeseran otak akibat postur, dan perbedaan antarsesi. Hanya empat peserta yang diuji, semuanya laki-laki, dengan tugas motorik sederhana, dan rambut di atas area yang dicitrakan dicukur.

Lihong Wang menyatakan memiliki kepentingan finansial di tiga perusahaan pencitraan fotoakustik, yang menurut para penulis tidak mendukung penelitian ini.

Tim melihat sebuah platform yang dapat berdampingan dengan alat-alat lain — rekaman listrik, stimulasi otak, antarmuka otak–komputer — yang sulit digabungkan dengan magnet MRI. Dengan laser yang lebih ringkas, mereka berharap dapat mempelajari otak dalam situasi yang lebih alami.