КАК УВИДЕТЬ РАБОТУ МОЗГА СКВОЗЬ ЧЕРЕП С ПОМОЩЬЮ СВЕТА И ЗВУКА

Функциональная МРТ изменила то, как мы наблюдаем за работой человеческого мозга. Но она улавливает бедную кислородом кровь лишь косвенно, через её влияние на молекулы воды, и ей нужен громоздкий, дорогой, шумный и замкнутый сверхпроводящий магнит. Другие инструменты меняют одно преимущество на другое: электрические записи быстрые, но размыты в пространстве; свет ближнего инфракрасного диапазона видит кровь, но слишком сильно рассеивается, чтобы давать чёткие изображения.

Фотоакустическая томография предлагает другой путь. Короткие лазерные импульсы проникают в ткань; когда гемоглобин поглощает свет, он порождает ультразвуковые волны, которые улавливают датчики, чтобы восстановить трёхмерное изображение. Богатый и бедный кислородом гемоглобин поглощают разные цвета, поэтому два лазера могут их различить. Установка компактнее, дешевле и тише томографа МРТ и вообще обходится без магнита.

Загвоздка в том, что у взрослых функциональная фотоакустическая визуализация мозга до сих пор работала только у людей, у которых после операции не хватало части черепа. Кость ослабляет и свет, и звук, искажает волны и создаёт эхо. А изменения сигнала, вызванные умственной или двигательной задачей, составляют всего несколько процентов — их легко заглушает голова, сдвинувшаяся на долю миллиметра.

Чаша из 3072 ушей

Илинь Ло, Жуй Цао, Маньсю Цуй, Лихун Ван и их коллеги из Калифорнийского технологического института вместе с командой Дэнни Вана из Университета Южной Калифорнии взялись за обе проблемы.

Они разместили 3072 ультразвуковых датчика в полусферической чаше вокруг головы — это наибольшее число каналов на сегодняшний день, — каждый со своим усилителем. Датчики слушают на низкой частоте, 1 МГц, которая легче проходит сквозь кость.
По сравнению с прежней системой команды расчётный выигрыш в отношении сигнал/шум сквозь череп составляет около 273 раз — достаточно, чтобы компенсировать череп, ослабляющий сигнал примерно в сто раз.
Два лазера, на 1064 и 755 нанометрах, срабатывают поочерёдно. Каждый импульс даёт полное трёхмерное изображение, 20 объёмов в секунду, без движущихся частей — а значит, без размытия от сканирования.
Каждый доброволец носил индивидуальный шлем, напечатанный на 3D-принтере и спроектированный по трёхмерному скану его головы. Движение головы обычно не превышало примерно 0,1 миллиметра и 0,1 градуса за 7,5-минутный сеанс.

На человеческом черепе, извлечённом из тела и заполненном гелем, система всё ещё видела помещённую внутрь трубку с кровью, хотя сигнал от неё был примерно в 300 раз слабее, чем снаружи.

Пальцы, губы и проверка на 7 тесла

Четверо здоровых мужчин в возрасте от 24 до 56 лет постукивали пальцами одной руки или сжимали губы: 30 секунд действия, 30 секунд покоя. Каждый также прошёл для сравнения сканирование на высокопольном МРТ-томографе 7 тесла.

Метод поместил ответы на постукивание пальцами в ожидаемую двигательно-осязательную область мозга, на стороне, противоположной двигающейся руке, — в согласии с МРТ.
Он отличал руку от рта: во всех 16 сочетаниях человека, стороны мозга и задачи фотоакустическая карта оказывалась ближе к карте МРТ той же задачи, чем к карте другой задачи.
Он воспроизводился: у одного добровольца пять сеансов за два визита с интервалом в три месяца попали в одну и ту же область.
Во время задачи сигналы на двух длинах волн лазера менялись в противоположных направлениях, как и следовало ожидать из-за их разной чувствительности к богатой и бедной кислородом крови. Светозвуковой сигнал на 1064 нм тесно следовал за сигналом МРТ, с корреляцией 0,92.

Мелкий шрифт

Фотоакустические карты располагались в среднем в 11,4 миллиметра от карт МРТ и систематически смещались к поверхности мозга. Авторы перечисляют несколько возможных причин, которые пока не могут разделить: искажение черепом, ошибки совмещения данных разных установок, смещение мозга в зависимости от положения тела и различия между сеансами. Протестированы были лишь четыре участника, все мужчины, на простых двигательных задачах, а волосы над исследуемой областью сбривали.

Лихун Ван заявляет о финансовой заинтересованности в трёх компаниях фотоакустической визуализации, которые, по словам авторов, эту работу не поддерживали.

Команда видит в своей разработке платформу, которую можно сочетать с другими инструментами — электрическими записями, стимуляцией мозга, интерфейсами мозг–компьютер, — плохо совместимыми с магнитом МРТ. С более компактными лазерами исследователи надеются изучать мозг в более естественных условиях.