sistema fNIRS basado en sCMOS: validación mediante rendimiento óptico y respuesta cortical

Ver la actividad cerebral con luz suave

Imagínese observar el cerebro en acción sin escáneres ruidosos ni tubos ajustados, usando solo luz roja tenue y una pequeña cámara. Este estudio presenta una nueva forma de hacerlo. Los investigadores evaluaron un sistema de imagen cerebral más compacto y potencialmente más económico que podría, algún día, ayudar a médicos y científicos a estudiar el pensamiento, el estado de ánimo y las enfermedades mentales en entornos más naturales y cotidianos.

Por qué se usa luz tenue para observar el cerebro

La espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano, o fNIRS, ilumina la cabeza con luz cercana al infrarrojo y mide la débil luz que vuelve a salir. Dado que la sangre rica en oxígeno y la pobre en oxígeno absorben esta luz de forma distinta, se pueden rastrear pequeños cambios en el flujo sanguíneo vinculados a la actividad cerebral a lo largo del tiempo. fNIRS es silencioso, seguro y puede usarse mientras las personas se sientan, hablan o se mueven, lo que lo hace atractivo para estudiar niños y a personas con trastornos psiquiátricos o neurológicos. Sin embargo, las máquinas fNIRS actuales suelen depender de muchos detectores de luz separados, lo que las hace voluminosas, caras y difíciles de escalar para cubrir toda la cabeza.

Un nuevo sensor tipo cámara para la luz cerebral

Los sistemas tradicionales suelen usar fotodiodos en avalancha, detectores especiales de luz muy sensibles que requieren muchas unidades individuales y electrónica de soporte. Los autores, en cambio, construyeron un sistema en torno a un sensor de cámara CMOS científica. En lugar de tener muchas unidades detectores separadas, dirigen la luz que regresa mediante fibras ópticas a distintos puntos de un único chip sensor bidimensional. El montaje incluye diodos láser en el infrarrojo cercano a dos longitudes de onda, una rejilla de fuentes y detectores en una pieza para la cabeza, filtros ópticos para separar los dos colores de luz y un ordenador de control. Al encender y apagar distintas fuentes de luz en un patrón temporal, la cámara puede identificar qué punto de la cabeza originó cada destello de luz.

Prueba de rendimiento en “tejido” artificial

Para saber si este sistema basado en cámara es tan preciso como un dispositivo fNIRS estándar, el equipo lo probó primero en modelos de laboratorio diseñados cuidadosamente para imitar cómo viaja la luz a través de la cabeza. Un modelo mezcló un fluido lechoso y tinta negra para reproducir la dispersión y absorción en capas como cuero cabelludo, cráneo y cerebro. Al añadir lentamente pequeñas cantidades de tinta, cambiaron la absorción de la mezcla, de forma similar a cómo variaría con cambios en el contenido sanguíneo. El sistema basado en cámara siguió estos cambios con gran precisión en un amplio rango, a menudo con mayor fiabilidad que el sistema convencional, especialmente cuando las señales eran extremadamente débiles o muy fuertes. En un segundo modelo añadieron sangre real a una mezcla tipo tejido y fueron gradualmente eliminando oxígeno. Ambos sistemas midieron los cambios en la oxigenación sanguínea en estrecha concordancia con un analizador de gases sanguíneos independiente, mostrando que el nuevo enfoque puede seguir variaciones realistas en los niveles de oxígeno en sangre.

Observando cerebros reales durante una tarea de pensamiento

Los investigadores pidieron luego a voluntarios que realizaran una tarea de fluidez verbal, en la que las personas descansan en silencio, luego dicen palabras de categorías dadas y vuelven a descansar. Se sabe que esta tarea activa regiones en la parte frontal del cerebro implicadas en el lenguaje y la función ejecutiva. Usando un divisor de fibra ingenioso, la misma luz que regresaba de la cabeza se envió simultáneamente tanto al nuevo sistema basado en cámara como a una máquina fNIRS comercial. Tras limpiar los datos y convertir los cambios de luz en estimaciones de sangre oxigenada y desoxigenada, los dos sistemas produjeron patrones temporales muy similares en casi todos los canales, con fuerte concordancia estadística. Las discrepancias ocasionales pudieron rastrearse a problemas prácticos como pequeños desplazamientos en la posición de una fibra, más que a fallos en el diseño del sensor.

Qué significa esto para la monitorización cerebral futura

En términos cotidianos, el estudio muestra que un único chip de cámara sofisticado puede sustituir a muchos detectores de luz separados sin perder precisión al medir señales de flujo sanguíneo relacionadas con el cerebro. El sistema fNIRS basado en cámara igualó o superó a un sistema estándar en medidas clave de sensibilidad, ruido, estabilidad temporal y respuesta a cambios realistas en la oxigenación sanguínea. Al reducir tamaño y complejidad, este enfoque podría ayudar a que las herramientas de monitorización cerebral sean más portátiles, menos costosas y más fáciles de adaptar a personas con distintos tipos de cabello y tonos de piel. Aunque se necesita más ingeniería para aumentar la velocidad y reducir el tamaño del hardware, este trabajo sugiere una vía clara hacia una imagen cerebral impulsada por cámaras, más accesible, tanto en investigación como en atención clínica.

Cita: 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

Palabras clave: espectroscopía funcional en el infrarrojo cercano, imagen cerebral, sensor sCMOS, oxigenación sanguínea cerebral, neuroimagen psiquiátrica