కాంతి, ధ్వనితో పుర్రె గుండా మెదడు పనిని చూడటం
పని చేస్తున్న మానవ మెదడును మనం చూసే విధానాన్ని ఫంక్షనల్ ఎంఆర్ఐ పూర్తిగా మార్చేసింది. కానీ అది ఆక్సిజన్ తక్కువగా ఉన్న రక్తాన్ని నీటి అణువులపై దాని ప్రభావం ద్వారా పరోక్షంగా మాత్రమే గ్రహిస్తుంది, దానికి భారీ, ఖరీదైన, శబ్దం చేసే, మూసి ఉండే అతివాహక (superconducting) అయస్కాంతం అవసరం. ఇతర సాధనాలు ఒక బలానికి బదులుగా మరొకదాన్ని వదులుకుంటాయి: విద్యుత్ రికార్డింగ్‌లు వేగంగా ఉంటాయి కానీ స్థలపరంగా అస్పష్టంగా ఉంటాయి; సమీప-పరారుణ (near-infrared) కాంతి రక్తాన్ని చూడగలదు కానీ స్పష్టమైన చిత్రాలు ఇవ్వలేనంతగా చెదిరిపోతుంది.
ఫోటోఅకౌస్టిక్ టోమోగ్రఫీ మరో దారి చూపుతుంది. చిన్న లేజర్ పల్స్‌లు కణజాలంలోకి ప్రవేశిస్తాయి; హిమోగ్లోబిన్ కాంతిని గ్రహించినప్పుడు అల్ట్రాసౌండ్ తరంగాలు పుడతాయి, వాటిని సెన్సార్లు పట్టుకుని 3D చిత్రాన్ని పునర్నిర్మిస్తాయి. ఆక్సిజన్ అధికంగా ఉన్న హిమోగ్లోబిన్, ఆక్సిజన్ తక్కువగా ఉన్న హిమోగ్లోబిన్ వేర్వేరు రంగులను గ్రహిస్తాయి, కాబట్టి రెండు లేజర్లతో వాటిని వేరుచేయవచ్చు. ఈ యంత్రం ఎంఆర్ఐ స్కానర్ కంటే చిన్నది, చౌకైనది, నిశ్శబ్దమైనది, దీనిలో అయస్కాంతమే లేదు.
చిక్కు ఏమిటంటే: పెద్దవారిలో మెదడు ఫంక్షనల్ ఫోటోఅకౌస్టిక్ ఇమేజింగ్ ఇప్పటివరకు శస్త్రచికిత్స తర్వాత పుర్రెలో కొంత భాగం లేని వ్యక్తుల్లో మాత్రమే పనిచేసింది. ఎముక కాంతినీ ధ్వనినీ మసకబారుస్తుంది, తరంగాలను వక్రీకరిస్తుంది, ప్రతిధ్వనులను సృష్టిస్తుంది. పైగా, మానసిక లేదా కదలిక పని వల్ల వచ్చే సంకేత మార్పులు కేవలం కొన్ని శాతం మాత్రమే — తల ఒక మిల్లీమీటర్‌లో చిన్న భాగం కదిలినా అవి సులభంగా మునిగిపోతాయి.
3,072 చెవుల గిన్నె
కాలిఫోర్నియా ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీకి చెందిన యిలిన్ లువో, రుయి కావో, మాన్‌షియు కుయి, లిహాంగ్ వాంగ్, సహచరులు, యూనివర్సిటీ ఆఫ్ సదర్న్ కాలిఫోర్నియాకు చెందిన డానీ వాంగ్ బృందంతో కలిసి, ఈ రెండు సమస్యలనూ ఎదుర్కొన్నారు.
- వారు తల చుట్టూ ఉండే అర్ధగోళాకార గిన్నెలో 3,072 అల్ట్రాసౌండ్ సెన్సార్లను అమర్చారు — ఇప్పటివరకు అత్యధిక ఛానెళ్ల సంఖ్య — ప్రతి దానికీ సొంత యాంప్లిఫైయర్. అవి 1 MHz అనే తక్కువ పౌనఃపున్యంలో వింటాయి, అది ఎముకను సులభంగా దాటుతుంది.
- బృందం మునుపటి వ్యవస్థతో పోలిస్తే, పుర్రె గుండా సిగ్నల్-టు-నాయిస్ నిష్పత్తిలో అంచనా వేసిన మెరుగుదల సుమారు 273 రెట్లు, సంకేతాన్ని దాదాపు వంద రెట్లు మసకబార్చే పుర్రె ప్రభావాన్ని భర్తీ చేయడానికి సరిపోతుంది.
- 1,064, 755 నానోమీటర్ల రెండు లేజర్లు వంతులవారీగా పేలుతాయి. ప్రతి పల్స్ ఒక పూర్తి 3D చిత్రాన్ని ఇస్తుంది, సెకనుకు 20 వాల్యూమ్‌లు, కదిలే భాగాలు లేవు — కాబట్టి స్కానింగ్ వల్ల మసకబారడం ఉండదు.
- ప్రతి వాలంటీర్ తన తల 3D స్కాన్ ఆధారంగా రూపొందించిన వ్యక్తిగత 3D-ప్రింటెడ్ హెల్మెట్ ధరించారు. 7.5 నిమిషాల సెషన్‌లో తల కదలిక సాధారణంగా సుమారు 0.1 మిల్లీమీటర్, 0.1 డిగ్రీ లోపలే ఉంది.
మృతదేహం నుంచి తీసి జెల్‌తో నింపిన మానవ పుర్రెపై, ఈ వ్యవస్థ లోపల ఉంచిన రక్తంతో నిండిన గొట్టాన్ని ఇంకా చూడగలిగింది, దాని సంకేతం బయట కంటే సుమారు 300 రెట్లు బలహీనంగా ఉన్నప్పటికీ.
వేళ్లు, పెదవులు, 7-టెస్లా తనిఖీ
24 నుంచి 56 ఏళ్ల వయసున్న నలుగురు ఆరోగ్యవంతులైన పురుషులు ఒక చేతి వేళ్లతో తట్టారు లేదా పెదవులు ముడిచారు, 30 సెకన్లు చేస్తూ, 30 సెకన్లు ఆపుతూ. ప్రతి ఒక్కరికీ పోలిక కోసం అధిక-క్షేత్ర 7-టెస్లా ఎంఆర్ఐలో కూడా స్కాన్ చేశారు.
- ఈ పద్ధతి వేళ్లు తట్టే ప్రతిస్పందనలను కదులుతున్న చేతికి వ్యతిరేక వైపున ఉన్న మెదడులోని, ఊహించిన కదలిక-స్పర్శ ప్రాంతంలో చూపింది, ఎంఆర్ఐతో సరిపోలింది.
- ఇది చేతిని, నోటిని వేరుగా గుర్తించింది: వ్యక్తి, మెదడు వైపు, పని అనే 16 కలయికలన్నింటిలోనూ, ఫోటోఅకౌస్టిక్ మ్యాప్ మరో పని ఎంఆర్ఐ మ్యాప్ కంటే అదే పని ఎంఆర్ఐ మ్యాప్‌కు దగ్గరగా ఉంది.
- ఇది పునరావృతమైంది: ఒక వాలంటీర్‌లో, మూడు నెలల తేడాతో జరిగిన రెండు సందర్శనల్లోని ఐదు సెషన్లూ ఒకే ప్రాంతంలో పడ్డాయి.
- పని సమయంలో రెండు లేజర్ రంగుల సంకేతాలు వ్యతిరేక దిశల్లో మారాయి, ఆక్సిజన్ అధికంగా, తక్కువగా ఉన్న రక్తం పట్ల వాటి భిన్నమైన సున్నితత్వం నుంచి ఊహించినట్టే. 1,064 nm వద్ద కాంతి-ధ్వని సంకేతం ఎంఆర్ఐ సంకేతాన్ని దగ్గరగా అనుసరించింది, సహసంబంధం 0.92.
చిన్న అక్షరాల్లోని షరతులు
ఫోటోఅకౌస్టిక్ మ్యాప్‌లు ఎంఆర్ఐ మ్యాప్‌ల నుంచి సగటున 11.4 మిల్లీమీటర్ల దూరంలో ఉన్నాయి, క్రమపద్ధతిలో మెదడు ఉపరితలం వైపు జరిగి ఉన్నాయి. రచయితలు ఇంకా వేరు చేయలేని పలు సాధ్యమైన కారణాలను పేర్కొన్నారు: పుర్రె వల్ల వక్రీకరణ, యంత్రాల మధ్య అమరిక (registration) లోపాలు, భంగిమతో మెదడు జరగడం, సెషన్ల మధ్య తేడాలు. కేవలం నలుగురు పాల్గొనేవారినే పరీక్షించారు, అందరూ పురుషులే, సాధారణ కదలిక పనులపై, చిత్రీకరించిన ప్రాంతంపై జుట్టు గొరిగారు.
లిహాంగ్ వాంగ్ మూడు ఫోటోఅకౌస్టిక్ ఇమేజింగ్ కంపెనీల్లో ఆర్థిక ప్రయోజనం ఉన్నట్టు ప్రకటించారు; ఈ కంపెనీలు ఈ పనికి మద్దతు ఇవ్వలేదని రచయితలు తెలిపారు.
ఎంఆర్ఐ అయస్కాంతంతో కలపడం కష్టమైన ఇతర సాధనాల — విద్యుత్ రికార్డింగ్‌లు, మెదడు ఉద్దీపన, బ్రెయిన్–కంప్యూటర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌లు — పక్కన ఉపయోగించగల ఒక వేదికను బృందం ఇందులో చూస్తోంది. మరింత చిన్న లేజర్లతో, మరింత సహజమైన పరిస్థితుల్లో మెదడును అధ్యయనం చేయాలని వారు ఆశిస్తున్నారు.