The Knowledge Frontier

Tiba na afyaChapisho la awaliJaribioDakika 3 za kusoma

KUUONA UBONGO UKIFANYA KAZI KUPITIA FUVU, KWA MWANGA NA SAUTI

MRI ya kiutendaji imebadilisha jinsi tunavyouona ubongo wa binadamu ukifanya kazi. Lakini huihisi damu yenye oksijeni kidogo kwa njia isiyo ya moja kwa moja tu, kupitia athari yake kwa molekuli za maji, na inahitaji sumaku kubwa, ghali, yenye kelele na iliyofungwa ya upitishaji-umeme kamili (superconducting). Zana nyingine hubadilishana nguvu moja kwa nyingine: rekodi za umeme ni za haraka lakini hazionyeshi mahali kwa uwazi; mwanga wa karibu-infraredi huiona damu lakini hutawanyika kupita kiasi kutoa picha kali.

Tomografia ya fotoakustiki (photoacoustic tomography) inatoa njia nyingine. Mipigo mifupi ya leza huingia kwenye tishu; himoglobini inapofyonza mwanga, huzalisha mawimbi ya ultrasauti, ambayo vihisi huyanasa ili kujenga upya picha ya 3D. Himoglobini yenye oksijeni nyingi na yenye oksijeni kidogo hufyonza rangi tofauti, hivyo leza mbili zinaweza kuzitofautisha. Mashine hii ni ndogo zaidi, nafuu zaidi na kimya zaidi kuliko skana ya MRI, na haina sumaku kabisa.

Tatizo ni hili: kwa watu wazima, upigaji picha wa fotoakustiki wa kiutendaji wa ubongo ulikuwa umefanikiwa tu kwa watu waliokosa sehemu ya fuvu baada ya upasuaji. Mfupa hufifisha mwanga na sauti, hupotosha mawimbi, na huzalisha mwangwi. Na mabadiliko ya ishara yanayosababishwa na kazi ya kiakili au ya mwendo ni asilimia chache tu — yanazamishwa kwa urahisi na kichwa kinachosogea kwa sehemu ndogo ya milimita.

Bakuli la masikio 3,072

Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang na wenzao katika Taasisi ya Teknolojia ya California, pamoja na timu ya Danny Wang katika Chuo Kikuu cha Southern California, walishughulikia matatizo yote mawili.

  • Walipanga vihisi 3,072 vya ultrasauti ndani ya bakuli la nusutufe linalozunguka kichwa — idadi kubwa zaidi ya chaneli kufikia sasa — kila kimoja na kikuza-sauti chake. Vinasikiliza kwa masafa ya chini, MHz 1, ambayo hupenya mfupa kwa urahisi zaidi.
  • Ukilinganisha na mfumo wa awali wa timu, ongezeko linalokadiriwa la uwiano wa ishara kwa kelele kupitia fuvu ni takriban mara 273, linalotosha kufidia fuvu linalofifisha ishara kwa takriban mara mia moja.
  • Leza mbili, za nanomita 1,064 na 755, hufyatua kwa zamu. Kila mpigo hutoa picha kamili ya 3D, juzuu 20 kwa sekunde, bila sehemu zinazosogea — hivyo hakuna ukungu unaotokana na kuchanganua.
  • Kila mjitolea alivaa kofia ngumu ya kibinafsi iliyochapishwa kwa 3D, iliyobuniwa kutokana na skani ya 3D ya kichwa chake. Mwendo wa kichwa kwa kawaida ulibaki ndani ya takriban milimita 0.1 na digrii 0.1 katika kipindi cha dakika 7.5.

Kwenye fuvu la binadamu lililotolewa kwenye mwili na kujazwa jeli, mfumo bado uliweza kuona mrija uliojaa damu uliowekwa ndani, ingawa ishara yake ilikuwa dhaifu takriban mara 300 kuliko ikiwa nje.

Vidole, midomo na uthibitisho wa tesla 7

Wanaume wanne wenye afya, wenye umri wa miaka 24 hadi 56, walipiga vidole vya mkono mmoja au walibana midomo, sekunde 30 wakifanya, sekunde 30 wakipumzika. Kila mmoja pia alipigwa skani kwenye MRI ya tesla 7 yenye uga mkubwa kama kigezo cha kulinganisha.

  • Mbinu hii iliweka miitikio ya kupiga vidole katika eneo lililotarajiwa la ubongo la mwendo na mguso, upande ulio kinyume na mkono unaosogea, ikilingana na MRI.
  • Ilitofautisha mkono na mdomo: katika michanganyiko yote 16 ya mtu, upande wa ubongo na kazi, ramani ya fotoakustiki ilikaa karibu zaidi na ramani ya MRI ya kazi ileile kuliko ya kazi nyingine.
  • Ilijirudia: kwa mjitolea mmoja, vipindi vitano katika ziara mbili zilizotenganishwa kwa miezi mitatu vyote vilitua katika eneo lilelile.
  • Rangi mbili za leza zilibadilika kwa mielekeo kinyume wakati wa kazi, kama ilivyotarajiwa kutokana na unyeti wao tofauti kwa damu yenye oksijeni nyingi na yenye oksijeni kidogo. Ishara ya mwanga na sauti kwa nm 1,064 ilifuata ishara ya MRI kwa karibu, kwa uhusiano wa 0.92.

Maandishi madogo

Ramani za fotoakustiki zilikaa kwa wastani milimita 11.4 kutoka zile za MRI, zikiwa zimehamia kwa utaratibu kuelekea uso wa ubongo. Waandishi wanaorodhesha sababu kadhaa zinazowezekana ambazo bado hawawezi kuzitenganisha: upotoshaji unaosababishwa na fuvu, makosa ya kuoanisha kati ya mashine, ubongo kuhama kulingana na mkao, na tofauti kati ya vipindi. Washiriki wanne tu walijaribiwa, wote wanaume, kwa kazi rahisi za mwendo, na nywele juu ya eneo lililopigwa picha zilinyolewa.

Lihong Wang anatangaza kuwa na maslahi ya kifedha katika kampuni tatu za upigaji picha wa fotoakustiki, ambazo waandishi wanasema hazikuunga mkono kazi hii.

Timu inaona jukwaa linaloweza kutumika sambamba na zana nyingine — rekodi za umeme, uchocheaji wa ubongo, viunganishi vya ubongo na kompyuta — ambazo ni vigumu kuziunganisha na sumaku ya MRI. Kwa leza ndogo zaidi, wanatumaini kuuchunguza ubongo katika mazingira ya kawaida zaidi.