光と音で、頭蓋骨越しに脳の働きを見る

機能的MRIは、働いている人間の脳の見方を一変させた。しかしMRIは、酸素の少ない血液を、水分子への影響を通して間接的に捉えているにすぎない。しかも、大きく、高価で、うるさく、閉ざされた超伝導磁石を必要とする。ほかの手法は、ある長所と引き換えに別の長所を失う。電気的な記録は速いが空間的にぼやける。近赤外光は血液を捉えられるが、散乱が大きすぎて鮮明な画像にならない。

光音響トモグラフィーは別の道を開く。短いレーザーパルスが組織に入り、ヘモグロビンが光を吸収すると超音波が発生する。それをセンサーが拾い、3D画像を再構成する。酸素の多いヘモグロビンと少ないヘモグロビンは異なる色の光を吸収するので、2つのレーザーを使えば両者を区別できる。装置はMRIスキャナーより小型で安く、静かで、磁石はまったく使わない。

問題は、成人の脳の機能的光音響イメージングが、これまで手術で頭蓋骨の一部を失った人でしか成功していなかったことだ。骨は光も音も弱め、波をゆがめ、反響を生む。さらに、思考や運動の課題によって生じる信号の変化はわずか数パーセントにすぎず、頭が1ミリの何分の1か動くだけで簡単にかき消されてしまう。

3072個の「耳」を並べたボウル

カリフォルニア工科大学のイーリン・ルオ、ルイ・ツァオ、マンシウ・ツイ、リホン・ワンらは、南カリフォルニア大学のダニー・ワンのチームとともに、この2つの問題に取り組んだ。

• 頭を囲む半球状のボウルに3072個の超音波センサーを詰め込んだ。チャンネル数としてはこれまでで最多で、センサーごとに専用の増幅器がついている。センサーは1MHzという低い周波数を聴き取る。この周波数は骨をより通り抜けやすい。
• チームの以前の装置と比べ、頭蓋骨を通した場合の信号対雑音比の推定改善は約273倍。信号をおよそ100分の1に弱める頭蓋骨を補うのに十分だ。
• 波長1064ナノメートルと755ナノメートルの2つのレーザーが交互に発射される。パルス1回ごとに完全な3D画像が得られ、毎秒20ボリュームとなる。可動部品がないので、走査によるぶれも生じない。
• ボランティアはそれぞれ、自分の頭の3Dスキャンをもとに設計した個人専用の3Dプリント製ヘルメットをかぶった。7.5分のセッション中、頭の動きは通常、約0.1ミリメートル、0.1度以内に収まった。

遺体から取り出してゲルを満たした人間の頭蓋骨でも、この装置は内部に置いた血液入りのチューブを捉えることができた。その信号は、頭蓋骨の外に置いた場合より約300倍弱かったにもかかわらずだ。

指、唇、そして7テスラでの確認

24歳から56歳の健康な男性4人が、片手の指でタップしたり唇をすぼめたりする動作を、30秒行っては30秒休むことを繰り返した。各人は比較のため、高磁場の7テスラMRIでもスキャンを受けた。

• この方法は、指タップの反応を、動かした手とは反対側の脳の、運動と触覚をつかさどる予想どおりの領域に位置づけ、MRIと一致した。
• 手と口を区別できた。人、脳の左右、課題の16通りの組み合わせすべてで、光音響の地図は、別の課題のMRI地図よりも、同じ課題のMRI地図に近い位置にあった。
• 再現性があった。あるボランティアでは、3か月の間隔を空けた2回の来訪にわたる5回のセッションが、すべて同じ領域に収まった。
• 2つのレーザーの色による信号は、課題中に逆向きに変化した。酸素の多い血液と少ない血液に対する感度の違いから予想されるとおりだ。1064nmでの光音響信号はMRI信号とよく一致し、相関は0.92だった。

注意書き

光音響の地図は、MRIの地図から平均11.4ミリメートル離れており、系統的に脳の表面側へずれていた。著者らは、まだ切り分けられていない考えられる原因をいくつか挙げている。頭蓋骨によるゆがみ、装置間の位置合わせの誤差、姿勢による脳の移動、セッションごとの違いだ。被験者はわずか4人で全員男性、課題は単純な運動課題であり、撮像部位の髪は剃られていた。

リホン・ワンは光音響イメージング企業3社に金銭的利害関係があることを申告している。著者らは、これらの企業がこの研究を支援していないと述べている。

チームは、この装置がほかの手法と並んで使えるプラットフォームになると見ている。電気的な記録、脳刺激、ブレイン・コンピューター・インターフェースなど、MRIの磁石とは組み合わせにくい手法だ。より小型のレーザーが実現すれば、より自然な状況で脳を研究できるようになると彼らは期待している。