प्रकाश आणि ध्वनीच्या मदतीने कवटीतून मेंदूचे काम पाहणे

फंक्शनल एमआरआयने काम करणाऱ्या मानवी मेंदूकडे पाहण्याची पद्धतच बदलून टाकली. पण ते ऑक्सिजन-कमी रक्त फक्त अप्रत्यक्षपणे, पाण्याच्या रेणूंवरील त्याच्या परिणामातून ओळखते, आणि त्यासाठी एक अवजड, महागडा, गोंगाट करणारा, बंदिस्त अतिवाहक (superconducting) चुंबक लागतो. इतर साधने एका गुणाच्या बदल्यात दुसरा गुण गमावतात: विद्युत नोंदी वेगवान असतात पण जागेच्या दृष्टीने धूसर; जवळ-अवरक्त (near-infrared) प्रकाश रक्त पाहू शकतो पण इतका विखुरतो की स्पष्ट प्रतिमा मिळत नाहीत.

फोटोअकॉस्टिक टोमोग्राफी हा आणखी एक मार्ग देते. लहान लेझर स्पंद ऊतींमध्ये शिरतात; हिमोग्लोबिन प्रकाश शोषते तेव्हा अल्ट्रासाऊंड लहरी निर्माण होतात, ज्या सेन्सर्स टिपून 3D प्रतिमा पुन्हा तयार करतात. ऑक्सिजन-समृद्ध आणि ऑक्सिजन-कमी हिमोग्लोबिन वेगवेगळे रंग शोषतात, त्यामुळे दोन लेझर्सच्या साहाय्याने दोघांमधील फरक ओळखता येतो. हे यंत्र एमआरआय स्कॅनरपेक्षा अधिक आटोपशीर, स्वस्त आणि शांत आहे, आणि त्यात चुंबकच नाही.

अडचण अशी: प्रौढांमध्ये मेंदूचे फंक्शनल फोटोअकॉस्टिक इमेजिंग आतापर्यंत फक्त शस्त्रक्रियेनंतर कवटीचा काही भाग नसलेल्या लोकांमध्येच यशस्वी झाले होते. हाड प्रकाश आणि ध्वनी दोन्ही मंद करते, लहरी विकृत करते आणि प्रतिध्वनी निर्माण करते. आणि मानसिक किंवा हालचालीच्या कार्यामुळे होणारे संकेतातील बदल फक्त काही टक्के असतात — डोके एका मिलिमीटरच्या अंशानेही हलले तरी ते सहज बुडून जातात.

3,072 कानांचे वाडगे

कॅलिफोर्निया इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीमधील यिलिन लुओ, रुई काओ, मानशिउ कुई, लिहॉंग वांग आणि सहकारी, युनिव्हर्सिटी ऑफ सदर्न कॅलिफोर्नियामधील डॅनी वांग यांच्या संघासोबत, या दोन्ही समस्यांना भिडले.

त्यांनी डोक्याभोवतीच्या अर्धगोलाकार वाडग्यात 3,072 अल्ट्रासाऊंड सेन्सर्स बसवले — आजवरची सर्वाधिक चॅनेल संख्या — प्रत्येकाचा स्वतःचा ॲम्प्लिफायर. ते 1 MHz या कमी वारंवारतेवर ऐकतात, जी हाड अधिक सहज पार करते.
संघाच्या आधीच्या प्रणालीच्या तुलनेत, कवटीतून मिळणाऱ्या सिग्नल-टू-नॉइज गुणोत्तरातील अंदाजित वाढ सुमारे 273 पट आहे, जी संकेत सुमारे शंभर पटीने मंद करणाऱ्या कवटीची भरपाई करण्यास पुरेशी आहे.
1,064 आणि 755 नॅनोमीटरचे दोन लेझर आळीपाळीने स्पंद सोडतात. प्रत्येक स्पंदातून एक पूर्ण 3D प्रतिमा मिळते, सेकंदाला 20 व्हॉल्यूम, आणि कोणताही हलणारा भाग नाही — त्यामुळे स्कॅनिंगमुळे येणारा धूसरपणा नाही.
प्रत्येक स्वयंसेवकाने आपल्या डोक्याच्या 3D स्कॅनवरून रचलेले व्यक्तिगत 3D-प्रिंटेड हेल्मेट घातले होते. 7.5 मिनिटांच्या सत्रात डोक्याची हालचाल साधारणपणे सुमारे 0.1 मिलिमीटर आणि 0.1 अंशाच्या आत राहिली.

मृतदेहातून घेतलेल्या आणि जेलने भरलेल्या मानवी कवटीवर, ही प्रणाली आत ठेवलेली रक्ताने भरलेली नळी तरीही पाहू शकली, जरी तिचा संकेत बाहेरच्या तुलनेत सुमारे 300 पट कमकुवत होता.

बोटे, ओठ आणि 7-टेस्लाची पडताळणी

24 ते 56 वयोगटातील चार निरोगी पुरुषांनी एका हाताची बोटे टॅप केली किंवा ओठ मुडपले, 30 सेकंद कृती, 30 सेकंद विश्रांती. प्रत्येकाचा संदर्भासाठी उच्च-क्षेत्र 7-टेस्ला एमआरआयमध्येही स्कॅन झाला.

या पद्धतीने बोटे टॅप करण्याचा प्रतिसाद हलणाऱ्या हाताच्या विरुद्ध बाजूच्या मेंदूमधील अपेक्षित हालचाल-आणि-स्पर्श क्षेत्रात दाखवला, जो एमआरआयशी जुळला.
याने हात आणि तोंड वेगळे ओळखले: व्यक्ती, मेंदूची बाजू आणि कार्य यांच्या सर्व 16 संयोगांमध्ये, फोटोअकॉस्टिक नकाशा दुसऱ्या कार्याच्या एमआरआय नकाशापेक्षा त्याच कार्याच्या एमआरआय नकाशाच्या अधिक जवळ होता.
याची पुनरावृत्ती झाली: एका स्वयंसेवकामध्ये, तीन महिन्यांच्या अंतराने झालेल्या दोन भेटींतील पाचही सत्रे एकाच भागात आली.
कार्यादरम्यान दोन लेझर रंगांचे संकेत विरुद्ध दिशांनी बदलले, जसे ऑक्सिजन-समृद्ध आणि ऑक्सिजन-कमी रक्ताबद्दलच्या त्यांच्या वेगवेगळ्या संवेदनशीलतेवरून अपेक्षित होते. 1,064 nm वरील प्रकाश-आणि-ध्वनी संकेत एमआरआय संकेताशी जवळून जुळला, सहसंबंध 0.92.

बारीक अक्षरातील अटी

फोटोअकॉस्टिक नकाशे एमआरआयच्या नकाशांपासून सरासरी 11.4 मिलिमीटर दूर होते, आणि ते पद्धतशीरपणे मेंदूच्या पृष्ठभागाकडे सरकलेले होते. लेखक अनेक संभाव्य कारणे सांगतात जी ते अजून वेगळी करू शकत नाहीत: कवटीमुळे होणारी विकृती, यंत्रांमधील संरेखनातील चुका, शरीराच्या स्थितीनुसार मेंदूचे सरकणे, आणि सत्रा-सत्रांमधील फरक. फक्त चार सहभागींची चाचणी झाली, सर्व पुरुष, साध्या हालचालींच्या कार्यांवर, आणि प्रतिमा घेतलेल्या भागावरील केस काढले होते.

लिहॉंग वांग यांनी तीन फोटोअकॉस्टिक इमेजिंग कंपन्यांमध्ये आर्थिक हितसंबंध असल्याचे जाहीर केले आहे; लेखकांच्या म्हणण्यानुसार या कंपन्यांनी या कामाला पाठबळ दिले नाही.

संघाला यात एक असा मंच दिसतो जो इतर साधनांसोबत वापरता येईल — विद्युत नोंदी, मेंदू उत्तेजन, ब्रेन–कॉम्प्युटर इंटरफेस — जी एमआरआयच्या चुंबकासोबत जोडणे कठीण असते. अधिक आटोपशीर लेझर्सच्या साहाय्याने अधिक नैसर्गिक परिस्थितीत मेंदूचा अभ्यास करता येईल, अशी त्यांना आशा आहे.