03.01.2023 Monitorowanie prawidłowego ukrwienia mózgu jest kluczowe, nie tylko do zapobiegania chorób neurologicznych, ale także ich leczenia. Technika równoległej interferometrycznej spektroskopii w bliskiej podczerwieni, czyli po prostu πNIRS, może ułatwić życie lekarzom i pacjentom na całym świecie.
Krew napędza cały nasz organizm, a szczególnie ważna jest dla funkcjonowania mózgu. Średnio przez tkankę mózgową przepływa ok. 50 ml/min/100 g – ok. 80-90 ml/min/100 g przez istotę szarą i 20-30 ml/min/100 g przez istotę białą. Kiedy brakuje tlenu, a więc i właściwego ukrwienia, dochodzi do śmierci komórek nerwowych – mówimy wtedy o udarze mózgu. Dotyka on co roku w Polsce ok. 70 000 osób.
Dlatego właśnie tak ważne jest monitorowanie mózgowego przepływu krwi, zarówno w prewencji chorób, jak i ich leczeniu. Neurologia zna wiele skutecznych metod na to pozwalających, ale wiele z nich ma swoje słabe strony. Teraz zespół neuronaukowców z badaczami z ICTER na czele opracował metodę, która może znacznie usprawnić monitorowanie przepływu krwi przez mózg in vivo. Opisano ją w pracy, pt. „Continuous-wave parallel interferometric near-infrared spectroscopy (CW πNIRS) with a fast two-dimensional camera”, autorstwa Saeeda Samaeia; Klaudii Nowackiej; Anny Geregi; Żanny Pastuszak; Dawida Boryckiego, która ukazała się w czasopiśmie „Biomedical Optics Express”.
Jak monitorować przepływ krwi w mózgu?
Mózgowy przepływ krwi (CBF) wykorzystuje ok. 15% rzutu serca, by dostarczyć do mózgu najważniejsze substancje (tlen i glukoza) i zabrać te niepotrzebne (produkty metabolizmu). Wszelkie odchylenia od normy mogą wywoływać chwilowe zaburzenia pracy mózgu, ale także wywoływać nieodwracalne choroby, z alzheimerem na czele. Dlatego właśnie nieinwazyjne monitorowanie CBF jest tak ważne – mamy kilka skutecznych narzędzi, które to umożliwiają.
Pierwszą, która przychodzi do głowy, jest funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnione badanie diagnostyczne na świecie, które sprawdza się także w tym przypadku. Pozwala na monitorowanie lokalnych zmian ukrwienia mózgu i związane z nimi fluktuacje działania neuronów in vivo. Technika ta oferuje obrazy wysokiej rozdzielczości, ale jest dość kosztowna i trudna do zastosowania np. u małych dzieci. Tu z pomocą przychodzą metody optyczne.
Natlenienie mózgu można oceniać przy pomocy funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS). Technika ta umożliwia nieinwazyjny pomiar regionalnego utlenowania mózgu, dzięki wykorzystaniu selektywnej absorpcji promieniowania fal elektromagnetycznych z zakresu 660–940 nm, przez obecne w organizmie człowieka chromofory. Używa się jej często jako narzędzie wspomagające monitorowanie stanu pacjenta, m.in. podczas operacji neurochirurgicznych.
Z kolei przepływ krwi może być stale monitorowany dzięki dyfuzyjnej spektroskopii korelacyjnej (DCS), a ich najbardziej zaawansowane modyfikacje bazują na laserach o stałym natężeniu (CW), które jednak uniemożliwiają przeprowadzanie pomiarów bezwzględnych. Pomocna może być tu interferometryczna spektroskopia w bliskiej podczerwieni (iNIRS), jednak wcześniejsze badania wykazały, że jest to metoda zbyt wolna do wykrycia natychmiastowych zmian w przepływie krwi, przekładających się na aktywność neuronów. Jest to bowiem system jednokanałowy, czyli w określonym czasie mierzący natężenie tylko jednej wiązki światła padającej na detektor.
Innowacyjna πNIRS
Zespół naukowców z ICTER postanowił zmodyfikować iNIRS, stawiając na równoległą interferometryczną spektroskopię w bliskiej podczerwieni (πNIRS), która pozwala na wielokanałową detekcję mózgowego przepływu krwi. Aby to osiągnąć, konieczne było zmodyfikowanie samego systemu detekcyjnego iNIRS. W πNIRS zebrane sygnały optyczne są rejestrowane za pomocą dwuwymiarowej kamery CMOS działającej z ultraszybką częstotliwością odświeżania (~1 MHz), a każdy piksel w zarejestrowanej sekwencji obrazów staje się efektywnie indywidualnym kanałem detekcji. Dzięki takiemu podejściu można uzyskać podobne dane jak z iNIRS, ale znacznie szybciej – nawet o rzędy wielkości!
Takie usprawnienie z kolei przekłada się na większą czułość systemu oraz dokładność samej detekcji. Można wykryć szybkie zmiany przepływu krwi, związane z aktywacją neuronów np. w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec lub podany lek. Rozwiązanie to może być przydatne nie tylko do diagnostyki zaburzeń neuronalnych związanych z CBF, ale także do oceny skuteczności metod terapeutycznych, np. w przypadku chorób neurodegeneracyjnych.
– Projekt ten umożliwi ulepszenie szybkich, nieinwazyjnych systemów monitorowania krwi mózgowej u ludzi in vivo. Ciągłe i nieinwazyjne monitorowanie przepływu krwi mogłoby pomóc w leczeniu głównych chorób mózgu. Ponadto, szybkie wykrywanie mózgowego przepływu krwi przybliży nas do opracowania nieinwazyjnego interfejsu mózg-komputer (BCI), który mógłby pomóc osobom niepełnosprawnym. Wreszcie, nasz projekt wzmocni tradycje polskiego rozwoju w optyce dyfuzyjnej – mówi Dawid Borycki z ICTER.
Przeprowadzone testy potwierdziły, że zastosowana technika jest skuteczna do monitorowania aktywności kory przedczołowej in vivo. Co więcej, w przyszłości może zostać jeszcze ulepszona dzięki rozwojowi technologii LiDAR i ultraszybkiego obrazowania wolumetrycznego oka, które obniżą koszty kamer CMOS. Dzięki temu, technikę πNIRS będzie można zastosować do monitorowania mózgowego przepływu krwi i zmian absorpcji z więcej niż jednej lokalizacji przestrzennej.
Dane uzyskane dzięki technice πNIRS pozwalają na zastosowanie w diagnostyce zaburzeń krążenia mózgowego, co ułatwi ocenę stanu pacjenta oraz pozwoli na prognozowanie wczesnych i długoterminowych wyników leczenia.
Autor notki prasowej: Marcin Powęska
Zdjęcia: dr Karol Karnowski
Komentarz do zdjęć:
W eksperymentach prowadzonych w ICTER zespół naukowców (Saeed Samaei, Klaudia Nowacka) pod kierunkiem Dawida Boryckiego wykorzystał światło laserowe wraz z ultraszybką kamerą do pomiaru przepływów krwi w mózgu. W pomiarach wykazano, że ta nowatorska technika, nazwana parallel interferometric (π) NIRS jest wystarczająco czuła, aby nieinwazyjnie analizować aktywację kory przedczołowej podczas czytania nieznanego tekstu. Co przyczynia się do rozwoju nieinwazyjnego interfejsu mózg-komputer.
Cytowana publikacja:
Saeed Samaei, Klaudia Nowacka, Anna Gerega, Żanna Pastuszak, and Dawid Borycki, „Continuous-wave parallel interferometric near-infrared spectroscopy (CW πNIRS) with a fast two-dimensional camera,” in Biomedical Optics Express, Vol. 13, Issue 11, pp. 5753-5774 (2022) https://doi.org/10.1364/BOE.472643
