De senaste åren har vi sett enorma framsteg inom hjärnavbildningsteknik, vilket gör att neuroforskare kan utforska och undersöka hur våra hjärnor fungerar mer i detalj än någonsin tidigare. Hittills har dessa teknologier dock funnits kvar i laboratoriemiljöer, med kontrollerade experiment utformade för att undersöka specifika funktioner. Forskare vid Kärna, ett USA-baserat neuroteknikföretag, hoppas kunna ändra detta, frigöra hjärnavbildning från laboratoriet och plantera den i det dagliga livet. Tidigare i år introducerade Kernel-forskare sin nya enhet, "Kernel Flow", i Journal of Biomedical Optics.
Kernel Flow bygger på hjärnavbildningstekniken för tidsdomänfunktionell nära-infraröd spektroskopi (TD-fNIR). fNIRs använder ljus i det nära-infraröda spektrumet för att mäta förändringar i ljusabsorption av hemoglobinet i blodet som cirkulerar i hjärnan. Sådana förändringar kan ge information om hjärnans funktion, eftersom hemoglobinkoncentrationen ändras i fungerande delar av hjärnan eftersom de kräver syre för att driva denna aktivitet. Även om TD-fNIRs inte är en ny teknik, led tidigare system av låga kanalnummer och långsamma samplingsfrekvenser, vilket begränsar deras användbarhet inom neuroimagingområdet.
Forskarna vid Kernel designade ett justerbart headset som består av 52 moduler organiserade på fyra plattor på varje sida av huvudet, för att ge täckning över hela hjärnans yta. Varje modul består av en laserkälla omgiven av sex hexagonalt arrangerade fotodioddetektorer, som kan detektera över en miljard fotoner per sekund. Två lasrar inom källan avger ljus med olika våglängder (690 och 850 nm), riktade mot hjärnan genom hårbottenytan.
Det spridda och reflekterade ljuset plockas upp av detektorerna, som är placerade 10 mm från laserkällan. De detekterade fotonernas ankomsttider registreras i histogram med en samplingsfrekvens på 200 Hz, med en total samplingsfrekvens för systemet på 7.1 Hz.
Teamet testade systemet med en optisk fantom: en tank fylld med en blandning av vatten, bläck och emulsion, med kända optiska egenskaper, och ett litet svart PVC-mål placerat på olika djup för att efterlikna hjärnaktivitet. Detta är ett standardverktyg för att karakterisera förmågorna hos ett TD-fNIR-system. Kernel Flow presterade jämförbart med större bänksystem, bibehöll eller förbättrade prestanda, samtidigt som den var mindre och lätt nog att bära.
Slutligen testade teamet Kernel Flow i mänskliga volontärer. Två deltagare deltog i ett neurovetenskapligt test av systemet, under vilket de knackade sina vänstra och högra fingrar i interfolierade block med viloperioder. Kanaler över deltagarnas motoriska cortex visade signifikanta hemodynamiska förändringar under fingerknackningsuppgifterna.
Dessutom kunde en kanal i pannan på en av deltagarna välja ut deras hjärtslagsvängning, en förmåga som är unik för detta TD-fNIR-system, möjliggjort av dess höga samplingsfrekvens. Dessa lovande resultat har lett till flera uppföljningsstudier om tillämpningen av Kernel Flow-systemet, inklusive en som utforskar hur man använder systemet för att mäta effekterna av en psykedelisk drog.
Forskarna erkänner dock begränsningarna hos fNIR och utvärderar prestandan hos deras system på olika hår- och hudtyper, vilket kan påverka effektiviteten hos optiska hjärnavbildningsverktyg. Även om Kernel Flow inte är riktigt lika kommersiellt gångbart som din smarta klocka (ännu), antyder dess introduktion och löftet om kommersiella system tillgängliga så snart som 2024 att hjärnfunktionsmätningar snart kan vara lika tillgängliga som hjärtfrekvens eller sömnspårning.
Posten Kan optiska hjärnavbildningshjälmar vara framtiden för bärbar teknologi? visades först på Fysikvärlden.
