Zespół neuronaukowców z trzech instytutów Polskiej Akademii Nauk opracował metodę, która może znacznie usprawnić monitorowanie przepływu krwi przez mózg in vivo. Technika równoległej interferometrycznej spektroskopii w bliskiej podczerwieni może ułatwić pracę lekarzy i życie pacjentów 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 – wtedy mówimy o udarze mózgu. Dotyka on co roku w Polsce ok. 70 tys. osób.
Dlatego właśnie tak ważne jest monitorowanie mózgowego przepływu krwi, zarówno w prewencji chorób, jak i ich leczeniu. 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 – jest kilka skutecznych narzędzi, które to umożliwiają.
Pierwszym, które 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 neuronaukowców z działającego przy Instytucie Chemii Fizycznej Międzynarodowego Centrum Badań Oka ICTER, Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza PAN oraz Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN, opracował metodę, która może znacznie usprawnić monitorowanie przepływu krwi przez mózg in vivo. Postanowili 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 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 – przekonuje dr 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 dzięki niej uzyskane pozwalają na zastosowanie w diagnostyce zaburzeń krążenia mózgowego, co ułatwi ocenę stanu pacjenta oraz pozwoli na prognozowanie wczesnych i długoterminowych wyników leczenia.
Wyniki badań opublikowało czasopismo Biomedical Optics Express.
Marcin Powęska, źródło: IChF PAN