Zespół naukowców z Uniwersytetu w Glasgow dokonał przełomowego odkrycia, które może zrewolucjonizować sposób, w jaki obserwujemy aktywność mózgu. Po raz pierwszy udało się potwierdzić, że światło może przejść przez całą głowę dorosłego człowieka – od jednej strony czaszki do drugiej. Wyniki opublikowane w czasopiśmie Neurophotonics dają nadzieję na rozwój bardziej dostępnych i przenośnych metod obrazowania głębokich struktur mózgowych, dotychczas zarezerwowanych dla zaawansowanych systemów takich jak rezonans magnetyczny.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jakie ograniczenia ma klasyczna metoda fNIRS i dlaczego odkrycie z Glasgow je przełamuje
- W jaki sposób naukowcom udało się zmierzyć światło przechodzące przez całą głowę człowieka
- Dlaczego to odkrycie może zrewolucjonizować obrazowanie głębokich struktur mózgu
- Jakie zastosowania kliniczne może mieć ta technologia w przyszłości
fNIRS – dotychczasowe ograniczenia
Przez dziesięciolecia badacze wykorzystywali technikę funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (fNIRS) do nieinwazyjnego monitorowania aktywności mózgu. fNIRS polega na analizie sposobu, w jaki światło podczerwone jest pochłaniane przez natlenowaną i odtlenowaną hemoglobinę w mózgu. Choć metoda ta ma wiele zalet – jest tania, mobilna i bezpieczna – to ma też istotne ograniczenie: światło przenika tylko do około 4 cm w głąb mózgu.
To wystarcza do badania kory mózgowej, jednak uniemożliwia dotarcie do głębiej położonych struktur, takich jak hipokamp czy wzgórze – kluczowych dla pamięci, emocji, ruchu czy integracji bodźców sensorycznych.
Przełomowy eksperyment z użyciem laserów
Zespół badaczy z Glasgow wykonał pionierski eksperyment, w którym za pomocą pulsującego lasera i bardzo czułych detektorów optycznych udało się zmierzyć światło, które przeszło przez całą czaszkę dorosłego człowieka – od jednej strony głowy do drugiej.
Transport fotonów przez całą głowę dorosłego człowieka – taki tytuł nosi publikacja opisująca badanie, które wyznacza nowe granice dla optycznych technik obrazowania.
Naukowcy kierowali wiązkę światła na jedną stronę głowy, a po przeciwnej stronie umieścili detektor, jednocześnie eliminując wszelkie zakłócenia świetlne z otoczenia. Pomimo tego, że przez tkanki mózgowe i czaszkę przechodzi jedynie niewielka liczba fotonów, udało się je zarejestrować i potwierdzić ich pełną drogę przez głowę.
Symulacje i obserwacje: jak światło „widzi” mózg
Aby potwierdzić uzyskane wyniki, zespół przeprowadził też zaawansowane symulacje komputerowe, modelując, jak światło rozchodzi się przez różne warstwy głowy. Co istotne, wyniki symulacji pokrywały się z eksperymentalnymi danymi. Odkryto również, że fotony częściej wybierają drogę przez obszary zawierające mniej rozpraszających struktur – np. przez płyn mózgowo-rdzeniowy – co może zostać wykorzystane do planowania przyszłych ścieżek obrazowania optycznego.
Od teorii do praktyki – co dalej?
Choć aktualna technologia nie jest jeszcze gotowa do użytku klinicznego – wymaga 30 minut zbierania danych i jest skuteczna jedynie u osób bez włosów i o jasnej karnacji – to stanowi ważny punkt wyjścia dla rozwoju nowej generacji urządzeń fNIRS.
Ten ekstremalny przypadek wykrywania światła diametralnie na całej głowie może zainspirować społeczność do ponownego przemyślenia możliwości następnej generacji systemów fNIRS – komentują autorzy badania.
Dzięki dalszemu rozwojowi technologii możliwe stanie się stworzenie niedrogich, przenośnych systemów do głębokiego obrazowania mózgu – nie tylko w warunkach klinicznych, ale również w domach pacjentów lub miejscach o ograniczonym dostępie do zaawansowanej diagnostyki.
Potencjalne zastosowania w diagnostyce i terapii
Nowe podejście może w przyszłości posłużyć do diagnozowania i monitorowania takich schorzeń jak:
- udary mózgu,
- urazy czaszkowo-mózgowe,
- guzy mózgu,
- choroby neurodegeneracyjne.
W szczególności tam, gdzie dostęp do rezonansu magnetycznego (MRI) lub tomografii komputerowej (CT) jest ograniczony – np. w opiece domowej, na obszarach wiejskich czy w systemach ratownictwa medycznego.
W stronę mobilnego obrazowania mózgu
Odkrycie zespołu z Glasgow wpisuje się w globalny trend miniaturyzacji technologii medycznych i rozwoju metod nieinwazyjnych. Choć obecnie metoda jest jeszcze eksperymentalna, stanowi ważny dowód na to, że światło może być skutecznym nośnikiem informacji także o głębokich strukturach mózgowych.
Dalsze badania i optymalizacja tej technologii mogą uczynić z niej narzędzie powszechne, tanie i dostępne tam, gdzie dziś precyzyjna diagnostyka neurologiczna nie jest możliwa.
Badania przeprowadzili Jack Radford, Vytautas Gradauskas, Kevin J. Mitchell, Samuel Nerenberg, Ilya Starshynov i Daniele Faccio ze Szkoły Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Glasgow
👉 Wyniki oraz opis badań znajdziesz pod TYM LINKIEM
Główne wnioski
- Naukowcy z Uniwersytetu w Glasgow udowodnili, że światło może przejść przez całą głowę dorosłego człowieka, co wcześniej uważano za niemożliwe.
- Eksperyment z użyciem pulsującego lasera i detektorów wykazał, że fotony mogą pokonać czaszkę i mózg, torując drogę dla głębokiego obrazowania mózgu.
- Symulacje komputerowe potwierdziły wyniki eksperymentalne, pokazując, że światło przemieszcza się preferencyjnie przez płyn mózgowo-rdzeniowy i inne mniej rozpraszające struktury.
- Technologia może w przyszłości umożliwić tańsze, przenośne i nieinwazyjne metody diagnostyczne, zastępujące w niektórych przypadkach drogie skanery MRI i CT.
Źródło:
- Neurophotonics
- The University of Glasgow
