The Knowledge Frontier

Y học & sức khỏeBản tiền ấn phẩmThí nghiệm4 phút đọc

NHÌN NÃO BỘ HOẠT ĐỘNG XUYÊN QUA HỘP SỌ, BẰNG ÁNH SÁNG VÀ ÂM THANH

MRI chức năng đã thay đổi cách chúng ta quan sát não người khi đang làm việc. Nhưng nó chỉ ghi nhận máu nghèo oxy một cách gián tiếp, thông qua tác động của máu lên các phân tử nước, và nó cần một nam châm siêu dẫn cồng kềnh, đắt tiền, ồn ào và kín bưng. Các công cụ khác thì được cái này mất cái kia: ghi điện não nhanh nhưng mờ về không gian; ánh sáng cận hồng ngoại nhìn thấy máu nhưng bị tán xạ quá nhiều để cho hình ảnh sắc nét.

Chụp cắt lớp quang âm (photoacoustic tomography) mở ra một hướng khác. Các xung laser ngắn đi vào mô; khi hemoglobin hấp thụ ánh sáng, nó tạo ra sóng siêu âm, được các cảm biến thu nhận để dựng lại hình ảnh 3D. Hemoglobin giàu oxy và nghèo oxy hấp thụ những màu ánh sáng khác nhau, nên hai tia laser có thể phân biệt chúng. Thiết bị này gọn hơn, rẻ hơn và êm hơn máy MRI, và hoàn toàn không có nam châm.

Vấn đề là: ở người trưởng thành, chụp ảnh quang âm chức năng của não trước đây chỉ thành công ở những người bị mất một phần hộp sọ sau phẫu thuật. Xương làm yếu cả ánh sáng lẫn âm thanh, làm méo sóng và tạo ra tiếng vọng. Hơn nữa, những thay đổi tín hiệu do một nhiệm vụ trí óc hay vận động gây ra chỉ vài phần trăm — dễ dàng bị lấn át chỉ vì cái đầu xê dịch một phần nhỏ của milimét.

Một chiếc bát với 3.072 cái tai

Yilin Luo, Rui Cao, Manxiu Cui, Lihong Wang và các đồng nghiệp ở Viện Công nghệ California, cùng nhóm của Danny Wang ở Đại học Nam California, đã giải quyết cả hai vấn đề.

  • Họ xếp 3.072 cảm biến siêu âm vào một chiếc bát hình bán cầu bao quanh đầu — số kênh cao nhất từ trước đến nay — mỗi cảm biến có bộ khuếch đại riêng. Chúng lắng nghe ở tần số thấp, 1 MHz, vốn dễ đi qua xương hơn.
  • So với hệ thống trước đây của nhóm, mức cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu ước tính khi đi qua hộp sọ là khoảng 273 lần, đủ để bù cho hộp sọ làm tín hiệu yếu đi khoảng một trăm lần.
  • Hai tia laser, ở bước sóng 1.064 và 755 nanomet, bắn luân phiên. Mỗi xung cho ra một hình ảnh 3D hoàn chỉnh, 20 khối hình mỗi giây, không có bộ phận chuyển động — nên không bị nhòe do quét.
  • Mỗi tình nguyện viên đội một mũ bảo hiểm in 3D cá nhân hóa, được thiết kế từ bản quét 3D đầu của chính họ. Chuyển động của đầu thường nằm trong khoảng 0,1 milimét và 0,1 độ trong suốt một buổi đo kéo dài 7,5 phút.

Trên một hộp sọ người lấy từ thi thể và được đổ đầy gel, hệ thống vẫn nhìn thấy một ống chứa máu đặt bên trong, dù tín hiệu của nó yếu hơn khoảng 300 lần so với khi ở bên ngoài.

Ngón tay, đôi môi và phép kiểm tra 7 tesla

Bốn người đàn ông khỏe mạnh, từ 24 đến 56 tuổi, gõ các ngón tay của một bàn tay hoặc chu môi, 30 giây làm, 30 giây nghỉ. Mỗi người cũng được chụp bằng MRI 7 tesla từ trường cao để làm đối chiếu.

  • Phương pháp đặt phản ứng gõ ngón tay vào đúng vùng vận động và xúc giác như dự kiến của não, ở bên đối diện với bàn tay cử động, khớp với MRI.
  • Nó phân biệt được tay với miệng: trong cả 16 tổ hợp giữa người, bán cầu não và nhiệm vụ, bản đồ quang âm luôn nằm gần bản đồ MRI của cùng nhiệm vụ hơn là của nhiệm vụ kia.
  • Nó lặp lại được: ở một tình nguyện viên, năm buổi đo trong hai lần đến cách nhau ba tháng đều rơi vào cùng một vùng.
  • Tín hiệu của hai màu laser biến đổi theo hai chiều ngược nhau trong khi thực hiện nhiệm vụ, đúng như dự đoán từ độ nhạy khác nhau của chúng với máu giàu oxy và nghèo oxy. Tín hiệu ánh sáng - âm thanh ở 1.064 nm bám sát tín hiệu MRI, với hệ số tương quan 0,92.

Những điều cần lưu ý

Các bản đồ quang âm nằm cách bản đồ MRI trung bình 11,4 milimét, và lệch một cách có hệ thống về phía bề mặt não. Các tác giả liệt kê nhiều nguyên nhân khả dĩ mà họ chưa thể tách bạch: méo do hộp sọ, sai số khi căn chỉnh giữa các máy, não dịch chuyển theo tư thế, và khác biệt giữa các buổi đo. Chỉ có bốn người tham gia được thử nghiệm, tất cả là nam giới, với các nhiệm vụ vận động đơn giản, và tóc ở vùng được chụp đã bị cạo.

Lihong Wang khai báo có lợi ích tài chính tại ba công ty chụp ảnh quang âm; các tác giả cho biết những công ty này không hỗ trợ cho công trình này.

Nhóm nghiên cứu nhìn thấy ở đây một nền tảng có thể dùng song song với các công cụ khác — ghi điện não, kích thích não, giao diện não–máy tính — vốn khó kết hợp với nam châm MRI. Với các tia laser gọn hơn, họ hy vọng có thể nghiên cứu não trong những bối cảnh tự nhiên hơn.