Изучение функции мозга приобретает все большее значение в области нейрофизиологии и невропатологии. При разработке подобных технологий принципиально важно обеспечить одновременный мультимодальный мониторинг мозга с возможностью регистрирования различных физиологических аспектов его активности. Среди мультимодальной нейровизуализации многообещающие возможности демонстрирует интеграция функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) и электроэнцефалографии (EEG) [1].
ЭЭГ — это признанный метод, который оценивает электрическую активность мозга с очень высоким временным разрешением путем измерения напряжения на коже черепа, возникающего при одновременной активации большого числа корковых нейронов. В свою очередь, fNIRS — это оптический метод основанный на пропускании и регистрации исходящего сигнала в области ближнего инфракрасного света (NIR, длина волны 650–950 нм), который проходит через структуры мозга и оценивает изменения концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина в корковых слоях, используя их различные спектры поглощения в исследуемом диапазоне.
По сравнению с другими методами визуализации мозга fNIRS имеет существенные преимущества
- Не измеряют гемодинамику мозга (например, как при использовании функциональной магнитно-резонансная томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)).
- Оборудование fNIRS считается относительно дешевым, не налагает серьезных физических ограничений и не предполагает воздействия сильных магнитных полей и ионизирующих излучений на структуры мозга. Более того, fNIRS устойчив к артефактам движения, что позволяет исследовать активность мозга у новорожденных, детей, пациентов с эпилепсией, болезнью Альцгеймера и др., а также работать в различных экспериментальных условиях (например, у постели больного, в амбулаторных условиях, в экологической среде).
Безволоконная система fNIRS позволяет избежать использования громоздких оптических волокон сохраняя при этом высокую чувствительность, кроме того она легко совместима с EEG.
В последние годы кремниевые фотоумножители (SiPM) были предложены для биомедицинских приложений, включая и fNIRS. В SiPM используются преимущества полупроводниковой технологии: компактность, простота в обращении, механическая прочность, оптическая стойкость и электрическая надежность. Учитывая мощность инжектируемого источника света, среднее затухание света внутри головы и зону обнаружения SiPM, такая чувствительность позволяет выполнять измерения fNIRS на межоптодном расстоянии 70–80 мм. Эти расстояния могут позволить исследовать области мозга на глубине до ~ 30 мм от кожи головы и использовать SiPM в многодистанционных оптических массивах высокой плотности для томографических подходов без использования оптоволокна.
В работе итальянских ученых представлена разработка новой безволоконной системы fNIRS-EEG (рис.1.)[2]. Устройство состояло из многоканального компонента CW-fNIRS, позволяющего измерять непрерывное излучение, вводимого света, который распространяется внутри головы и тканей мозга, на основе кремниевых фотоумножителей с несколькими расстояниями и модифицированной версии коммерческого оборудования для ЭЭГ. Система была разработана в рамках проекта H2020, финансируемого Европейским Союзом и получившего название ASTONISH (Advanced Smart Optical Imaging and Sensing for Health), с целью одновременного измерения гемодинамической и электрической активности мозга, а также их связи в клинических условиях.
Рис.1.
На рисунке 2 показан фрагмент (10 минутная запись), выполненная в клинических амбулаторных условиях у пациента с болезнью Альцгеймера, измеренная в течение ~ 1 часа когнитивных тестов, которые используются для ранней диагностики болезни. Пациент мог свободно взаимодействовать с врачом, и зондирование fNIRS-EEG не налагало каких-либо серьезных физических ограничений. Высокое качество данных как для fNIRS, так и для ЭЭГ прослеживается по наличию четких физиологических сигналов и отсутствию соответствующих артефактов.
Рис.2
При проведении измерений in vivo пульсация сердца была видна во всех исследованных каналах, что важно для оценки качества сигнала fNIRS, поскольку его величина сопоставима с гемодинамическими колебаниями, вызванными активностью мозга.
При учете ослабления света в ближнем ИК-диапазоне и возможного поглощения волосами, обычные системы обычно ограничиваются измерениями на лбу с использованием нескольких редких оптодов с фиксированным и малым источником — расстояния до детектора (максимум ~ 30 мм), что ограничивает поле зрения безволоконного fNIRS. В исследуемой системе благодаря высокой чувствительности и большой области обнаружения SiPM, оптические компоненты системы, преодолевают текущие ограничения безволоконной технологии fNIRS, обеспечивая чувствительность, аналогичную чувствительности волоконных систем. И хотя часть света будет действительно поглощаться волосами, большая площадь SiPM обеспечивает чувствительность к тем участкам кожи головы, через которые проходит свет. Фактически, эта характеристика в сочетании с однофотонной чувствительностью SiPMs позволила проводить измерения in vivo на больших расстояниях от источника до детектора без перемещения волос. Более того, благодаря простому размещению оптодов на крышке, его можно использовать для чувствительных высокоплотных материалов.
Записи электрической и гемодинамической активности мозга вместе с оценкой сосудисто-нервного взаимодействия могут позволить диагностировать и контролировать острые и хронические заболевания, которые влияют на состояние мозга и цереброваскулярное состояние (например, эпилепсия, инсульт, сосудистая деменция, болезнь Альцгеймера). Такой инструмент нейровизуализации также можно использовать во время интенсивной терапии и хирургических вмешательств. Технология может иметь большое значение в протоколах реабилитации для изучения пластичности мозга и для реализации протоколов нейробиоуправления. Будущие направления предполагают интеграцию fNIRS на основе SiPM и сухих электродов ЭЭГ в полностью беспроводную технологию связи с целью дальнейшей оптимизации носимости, портативности и простоты использования мультимодальной технологии мониторинга мозга.
- Chiarelli, A.M.; Zappasodi, F.; Pompeo, F.D.; Merla, A. Simultaneous functional near-infrared spectroscopy and electroencephalography for monitoring of human brain activity and oxygenation: A review. Neurophotonics 2017, 4, 041411.
- Chiarelli A.M., Perpetuini D. Croce P., Greco G., Mistretta L., Rizzo R., Vinciguerra V., Romeo M.F., Zappasodi F., Merla A., Fallica P.G., Edlinger G., Ortner R., Giaconia G.S. Fiberless, Multi-Channel fNIRS-EEG System Based on Silicon Photomultipliers: Towards Sensitive and Ecological Mapping of Brain Activity and Neurovascular Coupling. Sensors 2020, 20, 2831.
