Clear Sky Science
شروحات قائمة على الأدلة وخفيفة المصطلحات

Clear Sky Science · ar

نظام fNIRS قائم على sCMOS: التحقق عبر الأداء البصري واستجابة القشرة

· العودة إلى الفهرس

مراقبة نشاط الدماغ بضوء لطيف

تخيل مراقبة الدماغ أثناء العمل دون أجهزة ضخمة أو أنابيب ضيقة، باستخدام ضوء أحمر ناعم وكاميرا صغيرة فقط. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لفعل ذلك. اختبر الباحثون نظام تصوير دماغي أكثر صغرًا وأقل تكلفة محتملة، يمكن أن يساعد مستقبلاً الأطباء والعلماء على دراسة التفكير والمزاج والاضطرابات النفسية في ظروف أكثر طبيعية ويومية.

لماذا يُستخدم الضوء اللطيف لمراقبة الدماغ

يشع التصوير الطيفي الوظيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) ضوءًا قريبًا من الأشعة تحت الحمراء إلى الرأس ويقيس الضوء الخافت المرتد. ونظرًا لأن الدم الغني بالأكسجين والدم الفقير بالأكسجين يمتصان هذا الضوء بشكل مختلف، يمكن تتبُّع التغيرات الدقيقة في تدفق الدم المرتبطة بنشاط الدماغ بمرور الزمن. تتميز تقنية fNIRS بالهدوء والسلامة وإمكانية استخدامها أثناء جلوس أو كلام أو حركة الأشخاص، مما يجعلها مناسبة لدراسة الأطفال وذوي الحالات النفسية أو العصبية. ومع ذلك، تعتمد أجهزة fNIRS الحالية غالبًا على العديد من كواشف الضوء المنفصلة، مما يجعلها ضخمة ومكلفة ويصعّب توسيعها لتغطية كامل الرأس.

Figure 1. محسّاس كاميرا مدمج يستبدل العديد من الكاشفات لقراءة نشاط الدماغ من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء الخفيف.
Figure 1. محسّاس كاميرا مدمج يستبدل العديد من الكاشفات لقراءة نشاط الدماغ من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء الخفيف.

حساس كاميرا جديد لالتقاط ضوء الدماغ

تستخدم الأنظمة التقليدية عادةً ثنائيات ضوئية متسلسلة (APDs)، وهي كواشف ضوء خاصة ذات حساسية عالية لكنها تتطلب وحدات متعددة وإلكترونيات داعمة. بدلًا من ذلك، بنا الباحثون نظامًا حول حساس كاميرا sCMOS علمي. بدلًا من وجود العديد من وحدات الكاشف المنفصلة، يوجِّهون الضوء العائد عبر ألياف بصرية إلى نقاط مختلفة على شريحة حساس ثنائية الأبعاد واحدة. يتضمن الإعداد ليزرات قرب الأشعة تحت الحمراء عند طولين موجيين، وشبكة من المصادر والكواشف على قطعة توضع على الرأس، ومرشحات بصرية لفصل اللونين، وجهاز تحكم حاسوبي. من خلال تشغيل وإيقاف مصادر الضوء بنمط زمني، تستطيع الكاميرا تحديد أي بقعة على الرأس أتت منها كل ومضة ضوئية.

اختبار الأداء في "نسيج" اصطناعي

لاكتشاف ما إذا كان هذا النظام القائم على الكاميرا دقيقًا بمقدار أجهزة fNIRS القياسية، اختبر الفريق أولًا النظام في نماذج مخبرية مصممة بعناية تحاكي كيفية انتقال الضوء عبر الرأس. خلط نموذج واحد سائلًا معتمًا مع حبر أسود لتقليد التشتت والامتصاص في طبقات مثل فروة الرأس والجمجمة والدماغ. عن طريق إضافة كميات صغيرة من الحبر ببطء، غيّروا قوة امتصاص الخليط، على غرار تغيّر محتوى الدم. تعقّب النظام القائم على الكاميرا هذه التغيرات بدقة عالية عبر نطاق واسع، وغالبًا كان أكثر موثوقية من نظام الكاشف التقليدي، لا سيما عندما كانت الإشارات ضعيفة جدًا أو قوية جدًا. في نموذج ثانٍ، أضافوا دمًا حقيقيًا إلى خليط يشبه النسيج وأزالوا الأكسجين تدريجيًا. كلا النظامين قاسا تغيّرات أكسجة الدم باتفاق وثيق مع محلل غازات الدم المنفصل، مما يُظهر أن النهج الجديد يمكنه متابعة تحولات واقعية في مستويات أكسجة الدم.

مراقبة أدمغة حقيقية أثناء مهمة فكرية

طلب الباحثون من متطوعين أداء مهمة طلاقة لفظية، حيث يرتاح الأشخاص بهدوء ثم ينطقون كلمات من فئات معينة ثم يستريحون مجددًا. تُعرف هذه المهمة بتنشيط مناطق في الجزء الأمامي من الدماغ المرتبطة باللغة والوظائف التنفيذية. باستخدام مفSplitter أليافي ذكي، أُرسِل الضوء العائد من الرأس في آن واحد إلى كل من النظام القائم على الكاميرا وجهاز fNIRS تجاري. بعد تنظيف البيانات وتحويل تغيُّرات الضوء إلى تقديرات للدم المؤكسج وغير المؤكسج، أنتجت النظامان أنماطًا زمنية متشابهة جدًا في معظم القنوات، مع اتفاق إحصائي قوي. وعُزِيَت الخلافات العرضية إلى مشاكل عملية مثل تحرُّكات طفيفة في موضع الألياف وليس إلى عيوب في تصميم الحساس.

Figure 2. يمرُّ الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء عبر طبقات الرأس والأوعية الدموية، ثم يُركَّز على حساس ليُظهر تغيُّرات الدم.
Figure 2. يمرُّ الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء عبر طبقات الرأس والأوعية الدموية، ثم يُركَّز على حساس ليُظهر تغيُّرات الدم.

ما الذي يعنيه هذا لمراقبة الدماغ في المستقبل

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن شريحة كاميرا ذكية واحدة يمكن أن تحل محل العديد من كواشف الضوء المنفصلة دون فقدان الدقة في قياس إشارات تدفق الدم المرتبطة بالدماغ. طابق نظام fNIRS القائم على الكاميرا أو تفوق على النظام القياسي عبر مقاييس رئيسية للحساسية والضجيج والاستقرار مع مرور الوقت والاستجابة لتغيرات واقعية في أكسجة الدم. وبفضل تقليل الحجم والتعقيد، قد يساعد هذا النهج في جعل أدوات مراقبة الدماغ أكثر قابلية للحمل وأقل تكلفة وأسهل للتكيف مع أنواع شعر وبشرات مختلفة. ومع حاجة إلى مزيد من الهندسة لزيادة السرعة وتصغير الأجهزة، تشير هذه العمل إلى طريق واضح نحو تصوير دماغي أكثر وصولًا يعتمد على الكاميرات في البحث والرعاية السريرية.

الاستشهاد: Zhou, J., Yan, B., Pu, Y. et al. sCMOS-based fNIRS system: validation via optical performance and cortical response. Transl Psychiatry 16, 260 (2026). https://doi.org/10.1038/s41398-026-03992-w

الكلمات المفتاحية: تصوير طيفي وظيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة, تصوير الدماغ, حساس sCMOS, أكسجة الدم الدماغي, التصوير العصبي في الطب النفسي