Advances d’imagerie cérébrale optique abordable

Pour la plupart, quiconque veut voir ce qui se passe dans le cerveau de quelqu’un d’autre doit faire un compromis en ce qui concerne les outils à utiliser. Le électroencéphalographe (EEG) est bon marché et portable, mais ne peut pas lire beaucoup au-delà des couches externes du cerveau, tandis que l’alternative, Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)est cher et la taille d’une pièce, mais peut aller plus loin. Maintenant, un groupe de recherche à Glasgow a créé un mécanisme qui pourrait un jour fournir la profondeur de l’IRMf en utilisant l’équipement aussi abordable et portable qu’un EEG. La technologie s’appuiera sur quelque chose qui semblait auparavant impossible – faire une lumière à travers la tête d’une personne.

De toute évidence, la tête humaine ne laisse pas beaucoup la lumière à travers. Pendant des années, imagerie cérébrale Les techniques utilisant la lumière, appelée imagerie cérébrale optique, ont lutté contre cette obstacle à devenir largement utilisé dans la recherche et la pratique clinique. L’imagerie cérébrale optique utilise principalement lumière proche infrarougeauquel le tissu humain est relativement transparent. Mais les têtes humaines sont si douées pour bloquer même ces longueurs d’onde que le groupe de recherche de Glasgow a constaté que seulement un milliardième d’un milliardième de tous les photons proche infrarouge traversent une tête humaine adulte entière d’un côté à l’autre. Des statistiques comme celles-ci avaient incité beaucoup dans le domaine à conclure que le transport de la lumière à travers le cerveau profond était impossible, jusqu’à Daniele je faisLe groupe de l’Université de Glasgow l’a récemment fait.

“Parfois, nous avons traversé des phases de pensée, d’accord, peut-être que c’est juste impossible parce que nous n’avons tout simplement pas vu de signal pendant tant d’années.” —Jack Radford, Université de Glasgow

“Il existe de nombreuses techniques optiques de surveillance de l’activité cérébrale qui ont des détecteurs laser qui sont placés peut-être à trois centimètres de l’autre, peut-être à cinq centimètres de l’autre. Mais personne n’avait vraiment essayé de passer tout le long de la tête”, ” Jack Radfordl’auteur principal de l’étude décrivant l’œuvre dans Neurophotoniqueexplique. L’équipe a commencé avec une dalle de matériau épais et diffusant léger et a constaté que la lumière pouvait passer à travers la largeur d’une tête humaine du matériau pour atteindre un photodétecteur. Ensuite, ils ont conçu une expérience pour tester les limites de lumière proche infrarouge Transmission par la tête d’un volontaire.

Le groupe a mesuré les moments où des millions de photons ont pris pour voyager d’un laser de 1,2 watt émettant une lumière de longueur d’onde de 800 nanomètres dans un côté de la tête vers un détecteur de l’autre côté. À chaque fois, il représentait des chemins possibles que les photons individuels pouvaient emprunter la tête du sujet. Ils ont également simulé les chemins de voyage des photons et ont construit des distributions des temps expérimentaux et simulés. Parce que les distributions étaient si similaires, elles ont pu conclure qu’ils ne détectent pas seulement des photons aléatoires passant dans la pièce. Mais ce n’était pas seulement une navigation en douceur.

Il a fallu de nombreuses itérations de configurations expérimentales pour trouver définitivement celle dans un milliard de photons qui passent à travers la tête.Groupe lumineux extrême / Université de Glasgow

“Ce qui n’est pas dans le journal, ce sont les cinq années d’expériences qui n’ont pas vraiment fonctionné”, explique Radford. Une amélioration majeure apportée par l’équipe à l’expérience a été de réduire le bruit de fond. Parce que si peu de photons passent tout au long, il est plus probable que les photons rebondissent dans la pièce pour frapper le détecteur que pour les photons qui ont réellement traversé la tête. Ils ont fait des ajustements comme le drapé de tissu noir sur la tête du sujet, effectuant toute l’expérience dans une boîte noire, mettant le sujet dans un arrangement de sac de couchage et en montant une autre couverture noire sur tout cela, avant de voir de bons résultats. Ils ont également passé du temps à essayer différent lasersajustant la taille et la longueur d’onde du faisceau, et inventer de nouvelles configurations pour améliorer leur signal, dont certaines impliquaient des casques de vélo et des troubles.

«Parfois, nous avons traversé des phases de pensée, d’accord, peut-être que c’est juste impossible parce que nous n’avons tout simplement pas vu de signal pendant tant d’années», explique Radford. “Mais il y avait toujours une sorte d’inclinaison que nous pourrions faire quelque chose. C’est donc ce qui a gardé l’élan dans le projet de recherche.”

Maintenant, la possibilité de mesurer les photons qui ont traversé le cerveau profond ouvrent une multitude de nouvelles possibilités pour une technologie d’imagerie cérébrale pénétrante moins chère, plus accessible et plus profonde, suggère-t-il.

Vers une imagerie cérébrale optique plus profonde

«Les applications à ce jour sont à peu près axées sur la surface du cerveau – c’est ce que la technologie actuelle peut faire», explique Roarke Horstmeyerprofesseur à l’Université Duke Génie biomédical Département, qui n’a pas été impliqué dans la recherche de Glasgow. La recherche «aide à évaluer et à établir si cette technologie optique peut commencer ou non à atteindre ces régions plus profondes.»

Radford explore les moyens de s’appliquer à l’imagerie optique optique pénétrante profonde dans les milieux cliniques et médicaux, en particulier pour aider à quantifier la santé du cerveau. Pour un ensemble de vastes conditions difficiles à quantifier comme le déclin cognitif, les maladies neurodégénératives, le brouillard cérébral et les commotions cérébrales, hôpitaux Utilisez généralement des questionnaires pour déterminer la fonction cérébrale. Mais “[there are] Pas de vrais biomarqueurs pour la santé du cerveau et comment cela évolue avec le temps », explique Radford. Imagerie optique Les outils qui peuvent atteindre le cerveau plus profond pourraient fournir une méthode plus largement accessible et déterministe pour identifier ces conditions difficiles à quantifier.

Une autre application que Rarsford s’intéresse est le diagnostic rapide des accidents vasculaires cérébraux. Identifier et traiter correctement les AVC avant de graves dommages neurologiques Tomodensitométrie et IRM en plusieurs heures afin de déterminer la cause exacte du accident vasculaire cérébral. Mais ces analyses sont coûteuses, ce qui rend ce traitement moins accessible. Prescription traitement des accidents vasculaires cérébraux Sans connaître la cause, cependant, pourrait entraîner des conséquences mortelles. Un cerveau de chevet scanner L’utilisation de méthodes d’imagerie cérébrale optiques pourrait identifier rapidement et à moindre coût la cause de l’AVC, conduisant à un diagnostic et à un traitement rapide.

Radford est ravi que le compromis difficile d’un équipement d’imagerie pénétrant coûteux et plus profond par rapport aux capteurs moins chers mais moins profonds commence à se décomposer. Les médecins et les chercheurs «ne réalisent pas qu’ils pourraient utiliser [brain imaging] parce qu’ils ont toujours pensé que l’utilisation d’une IRM est hors de question… maintenant que [MRI] n’est pas la question, c’est excitant de parler aux cliniciens et… en explorer différentes utilisations potentielles pour les aider dans leur diagnostic Et leur traitement », dit-il.

Cependant, il y a des obstacles que la technologie doit encore surmonter pour réussir dans un cadre clinique. D’une part, l’étude elle-même n’a imaginé aucun du cerveau profond; Il vient d’envoyer des photons. «La technologie a encore un long chemin à parcourir, elle en est toujours à ses balbutiements», explique Horstmeyer. Un autre obstacle sera les variations de l’anatomie de la tête des sujets – sur les huit volontaires sur lesquels l’expérience a mené des essais sur, le groupe de Radford n’a été en mesure de détecter un signal pour un participant à peau claire et pas de cheveux.

«Lorsque vous traversez la tête, vous êtes à des niveaux de lumière si bas que la couleur de votre peau ou de votre épaisseur de votre crâne ou de la coiffure que vous avez peut faire cette différence de pouvoir la détecter ou non», explique Horstmeyer.

Radford pense qu’il pourrait y avoir un moyen de surmonter les variations de l’anatomie humaine en modifiant la puissance et la taille du faisceau du laser, mais il admet que ces changements pourraient causer des problèmes de résolution spatiale. C’est «toujours un problème non résolu, dans mon esprit», dit-il.

Malgré ces défis, Radford souligne que le but de l’étude était simplement de montrer qu’il est physiquement possible de transporter des photons à travers toute la tête humaine. “Le point de mesure est de montrer que ce qui était considéré comme impossible, nous nous sommes révélés possibles. Et espérons-le … cela pourrait inspirer la prochaine génération de ces appareils”, dit-il.