Измерване на мозъчен кръвоток и биоелектрична активност със светлина

Екип, включващ биомедицински инженери и невролози от Калифорнийския университет в Дейвис, САЩ, разработи неинвазивен метод за измерване на мозъчния кръвоток и биоелектричната активност със светлина. Новият метод, наречен функционална интерферометрична дифузионна вълнова спектроскопия или fiDWS, обещава да бъде по-евтин от съществуващата технология и може да се използва за оценка на мозъчни наранявания и при образни изследвания в неврологията. Работата на екипа е публикувана на 12 май 2021 г. в списанието „Science Advances“.

„Сега можем да оценим доколко добре мозъкът регулира притока на кръв и дори да отчетем неинвазивно мозъчната активност при възрастни хора, като използваме принципи, подобни на функционалната ядрено-магнитна томография (fMRI), но на много по-достъпна цена.“, коментира Вивек Сринивасан, доцент по биомедицинско инженерство в Калифорнийския университет в Дейвис и старши автор на изследването.

Човешкият мозък съставлява 2% от телесното тегло на човек, но се нуждае от 15% до 20% от общия кръвен поток на организма, за да функционира правилно. Измерването на мозъчния кръвоток е от съществено значение за диагностицирането на инсулти и прогнозирането на вторични увреждания при субарахноидални кръвоизливи или травматични увреждания на мозъка. За лекарите, осигуряващи интензивни грижи, е от огромна полза да наблюдават възстановяването на пациента чрез невроизображения на мозъчния кръвоток.

Настоящата технология е скъпа и неточна

Технологията, използвана в момента, е скъпа и не може да се прилага непрекъснато. Например съвременните техники за изобразяване на мозъка изискват скъпи ЯМР или компютърни томографски скенери. Има технологии, базирани на светлина, като близка инфрачервена спектроскопия, но те също имат недостатъци в точността.

Новият метод се възползва от факта, че близката инфрачервена светлина може да проникне през телесните тъкани. Ако челото на човек се осветява с инфрачервен лазер, светлината ще бъде разпръсната многократно от тъканите, включително кръвните клетки. Чрез улавяне на флуктуационен сигнал в лъча светлина, който намира своя път обратно от черепа и скалпа, се предоставя информация за притока на кръв към мозъка.

Естествено този сигнал е изключително слаб. Сринивасан и екипът му преодоляват този проблем, като използват интерферометрия – способността на светлинните вълни да се комбинират и подсилват чрез принципа на наслагване.

По-бързо измерване на мозъчния кръвоток и отчитане на активност

За да проучи ефективността на метода за измерване на мозъчния кръвоток*, Сриниван провежда експеримент с хора. В него взимат участие и д-р Лара Цимерман, д-р Райън Мартин и д-р Брус Лийт от Отделението по неврохирургия към Калифорнийския университет в Дейвис.

По време на експеримента изследователите разделят инфрачервената светлина, излъчвана от лазер, на два лъча – „проба“ и „образец“. Първият лъч прониква в главата на доброволците, а вторият се насочва така, че да се свържат отново. След прилагане на интерферометрия по-силният лъч усилва по-слабия, което позволява на екипа да определи изхода чрез оптичен чип, използван при цифрови камери. След това с помощта на специализиран софтуер изследователите успяват да измерят кръвотока в различните части на мозъка.

Резултатите от експеримента сочат, че новата технология може да измерва кръвотока по-бързо, отколкото настоящата технология, базирана на светлина. Чрез нея се определя скоростта на мозъчния кръвоток и наличието на промени, когато нивото на въглероден диоксид в кръвта на доброволците се повиши. Също така с новия метод учените успяват да отчетат активността на префронталната кора (ключова зона на мозъка, намираща се точно зад челото) при решаването на прости математически задачи.

*Srinivasan J. Vivek et al. Functional interferometric diffusing wave spectroscopy of the human brain. Science Advances. 2021.