BEYNİN ÇALIŞMASINI KAFATASININ İÇİNDEN, IŞIK VE SESLE İZLEMEK

Fonksiyonel MR, insan beyninin çalışmasını izleme biçimimizi kökten değiştirdi. Ama oksijeni azalmış kanı yalnızca dolaylı olarak, su molekülleri üzerindeki etkisi aracılığıyla algılıyor ve hantal, pahalı, gürültülü, kapalı bir süperiletken mıknatıs gerektiriyor. Diğer araçlar bir gücü başka bir güçle takas ediyor: elektriksel kayıtlar hızlı ama uzamsal olarak bulanık; yakın kızılötesi ışık kanı görüyor ama keskin görüntü veremeyecek kadar çok saçılıyor.

Fotoakustik tomografi başka bir yol sunuyor. Kısa lazer atımları dokuya girer; hemoglobin ışığı soğurduğunda ultrason dalgaları üretir, algılayıcılar bunları yakalayarak 3B bir görüntü yeniden oluşturur. Oksijence zengin ve oksijence fakir hemoglobin farklı renkleri soğurur, bu yüzden iki lazer onları birbirinden ayırt edebilir. Cihaz bir MR tarayıcısından daha kompakt, daha ucuz ve daha sessizdir; hiç mıknatıs içermez.

Sorun şu: yetişkinlerde beynin fonksiyonel fotoakustik görüntülemesi yalnızca ameliyat sonrası kafataslarının bir kısmı eksik olan kişilerde işe yaramıştı. Kemik hem ışığı hem sesi zayıflatır, dalgaları bozar ve yankılar yaratır. Ayrıca zihinsel ya da motor bir görevin yol açtığı sinyal değişimleri yalnızca yüzde birkaç düzeyindedir — milimetrenin bir kesri kadar hareket eden bir kafa bunu kolayca boğabilir.

3.072 kulaklı bir çanak

California Institute of Technology’den Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang ve meslektaşları, University of Southern California’dan Danny Wang’ın ekibiyle birlikte iki soruna birden saldırdı.

Kafanın çevresini saran yarım küre biçimli bir çanağa 3.072 ultrason algılayıcısı yerleştirdiler — bugüne kadarki en yüksek kanal sayısı — ve her birine kendi yükselticisini verdiler. Algılayıcılar kemiği daha kolay geçen düşük bir frekansta, 1 MHz’de dinliyor.
Ekibin önceki sistemine göre kafatası içinden tahmini sinyal-gürültü kazancı yaklaşık 273 kat; bu, sinyali kabaca yüz kat zayıflatan bir kafatasını telafi etmeye yetiyor.
1.064 ve 755 nanometrelik iki lazer sırayla ateşleniyor. Her atım tam bir 3B görüntü veriyor, saniyede 20 hacim, hiçbir hareketli parça olmadan — dolayısıyla taramadan kaynaklanan bulanıklık yok.
Her gönüllü, kafasının 3B taramasından tasarlanmış kişiye özel 3B baskılı bir kask taktı. Kafa hareketi 7,5 dakikalık bir seans boyunca tipik olarak yaklaşık 0,1 milimetre ve 0,1 derece içinde kaldı.

Bir kadavradan alınmış ve jelle doldurulmuş bir insan kafatasında sistem, içine yerleştirilen kanla dolu bir tüpü, sinyali dışarıdakinden yaklaşık 300 kat daha zayıf olmasına rağmen görebildi.

Parmaklar, dudaklar ve 7 teslalık bir sağlama

Yaşları 24 ile 56 arasında sağlıklı dört erkek, 30 saniye hareket, 30 saniye dinlenme düzeninde bir elinin parmaklarını vurdu ya da dudaklarını büzdü. Her birine referans olarak yüksek alanlı, 7 teslalık bir MR taraması da yapıldı.

Yöntem, parmak vurma yanıtlarını beynin beklenen hareket ve dokunma bölgesine, hareket eden elin karşı tarafına, MR ile uyumlu biçimde yerleştirdi.
Eli ağızdan ayırt etti: kişi, beyin yarısı ve görevin 16 kombinasyonunun hepsinde fotoakustik harita, aynı görevin MR haritasına öteki görevinkinden daha yakın durdu.
Kendini tekrarladı: bir gönüllüde, üç ay arayla yapılan iki ziyaretteki beş seansın hepsi aynı bölgeye düştü.
İki lazer rengi görev sırasında, oksijence zengin ve fakir kana farklı duyarlılıklarından beklendiği gibi, zıt yönlerde değişti. 1.064 nm’deki ışık-ses sinyali MR sinyalini yakından izledi; korelasyon 0,92 idi.

Dipnotlar

Fotoakustik haritalar MR haritalarından ortalama 11,4 milimetre uzaktaydı ve sistematik olarak beynin yüzeyine doğru kaymıştı. Yazarlar henüz ayırt edemedikleri birkaç olası neden sıralıyor: kafatasının yol açtığı bozulma, cihazlar arası hizalama (registration) hataları, beynin duruşa göre kayması ve seanslar arası farklar. Yalnızca dört katılımcı test edildi, hepsi erkekti, görevler basit motor görevlerdi ve görüntülenen bölgedeki saçlar tıraş edilmişti.

Lihong Wang, üç fotoakustik görüntüleme şirketinde mali çıkarı olduğunu beyan ediyor; yazarlar bu şirketlerin çalışmayı desteklemediğini belirtiyor.

Ekip, MR mıknatısıyla birleştirilmesi zor olan başka araçların — elektriksel kayıtlar, beyin uyarımı, beyin–bilgisayar arayüzleri — yanında yer alabilecek bir platform görüyor. Daha kompakt lazerlerle beyni daha doğal ortamlarda incelemeyi umuyorlar.