système fNIRS basé sur sCMOS : validation via les performances optiques et la réponse corticale

Voir l’activité cérébrale avec une lumière douce

Imaginez observer le cerveau au travail sans scanners bruyants ni tubes contraignants, en n’utilisant qu’une lumière rouge douce et une petite caméra. Cette étude présente une nouvelle manière de procéder. Les chercheurs ont testé un système d’imagerie cérébrale plus compact et potentiellement moins coûteux qui pourrait, un jour, aider médecins et scientifiques à étudier la pensée, l’humeur et les troubles mentaux dans des contextes plus naturels et quotidiens.

Pourquoi on utilise une lumière douce pour observer le cerveau

La spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge, ou fNIRS, projette de la lumière proche infrarouge dans la tête et mesure la faible lumière qui en ressort. Comme le sang riche en oxygène et le sang pauvre en oxygène absorbent différemment cette lumière, de minuscules variations du flux sanguin liées à l’activité cérébrale peuvent être suivies au fil du temps. La fNIRS est silencieuse, sûre et peut être utilisée pendant que les personnes sont assises, parlent ou bougent, ce qui la rend attrayante pour l’étude des enfants et des personnes souffrant de troubles psychiatriques ou neurologiques. Cependant, les appareils fNIRS actuels reposent souvent sur de nombreux détecteurs de lumière séparés, ce qui les rend volumineux, coûteux et difficiles à étendre pour couvrir toute la tête.

Un nouveau capteur de type caméra pour la lumière cérébrale

Les systèmes traditionnels utilisent couramment des photodiodes à avalanche, des détecteurs très sensibles mais nécessitant de nombreuses unités individuelles et de l’électronique associée. Les auteurs ont construit un système autour d’un capteur caméra scientifique CMOS. Plutôt que d’avoir de nombreux détecteurs séparés, ils guident la lumière retournée via des fibres optiques vers différents points d’une seule puce capteur bidimensionnelle. L’installation comprend des diodes laser proche infrarouges à deux longueurs d’onde, une grille de sources et de détecteurs sur une coiffe, des filtres optiques pour séparer les deux couleurs, et un ordinateur de contrôle. En allumant et éteignant différentes sources de lumière selon un motif temporel, la caméra peut déterminer quel point de la tête a produit chaque impulsion lumineuse.

Tester les performances dans un « tissu » artificiel

Pour vérifier si ce système basé sur caméra est aussi précis qu’un appareil fNIRS standard, l’équipe l’a d’abord testé dans des modèles de laboratoire soigneusement conçus pour imiter la propagation de la lumière dans la tête. Un modèle a mélangé un liquide laiteux et de l’encre noire pour reproduire la diffusion et l’absorption dans des couches telles que le cuir chevelu, le crâne et le cerveau. En ajoutant lentement de petites quantités d’encre, ils ont modifié la force d’absorption du mélange, de manière analogue aux variations de contenu sanguin. Le système basé sur caméra a suivi ces changements avec une grande précision sur une large plage, souvent de manière plus fiable que le système conventionnel, notamment lorsque les signaux étaient extrêmement faibles ou très forts. Dans un second modèle, ils ont ajouté du sang réel à un mélange de type tissu et ont progressivement retiré l’oxygène. Les deux systèmes ont mesuré les variations d’oxygénation sanguine en bon accord avec un analyseur de gaz sanguin séparé, montrant que la nouvelle approche peut suivre des variations réalistes d’oxygénation.

Observer de vrais cerveaux pendant une tâche de réflexion

Les chercheurs ont ensuite demandé à des volontaires d’effectuer une tâche de fluence verbale, durant laquelle les personnes se reposent tranquillement, puis prononcent des mots appartenant à des catégories données, puis se reposent à nouveau. Cette tâche active des régions frontales du cerveau impliquées dans le langage et les fonctions exécutives. Grâce à un diviseur de fibres ingénieux, la même lumière revenant de la tête a été envoyée simultanément au nouveau système basé sur caméra et à un appareil fNIRS commercial. Après avoir nettoyé les données et converti les variations de lumière en estimations de sang oxygéné et désoxygéné, les deux systèmes ont produit des schémas temporels très similaires sur presque tous les canaux, avec un fort accord statistique. Les discordances occasionnelles pouvaient être attribuées à des problèmes pratiques comme de petits déplacements d’une fibre plutôt qu’à des défauts du capteur.

Ce que cela signifie pour la surveillance cérébrale future

Concrètement, l’étude montre qu’une seule puce caméra sophistiquée peut remplacer de nombreux détecteurs séparés sans perdre en précision pour mesurer les signaux liés au flux sanguin cérébral. Le système fNIRS basé sur caméra a égalé ou surpassé un système standard sur des mesures clés de sensibilité, de bruit, de stabilité dans le temps et de réponse aux variations réalistes d’oxygénation sanguine. En réduisant la taille et la complexité, cette approche pourrait rendre les outils de surveillance cérébrale plus portables, moins coûteux et plus faciles à adapter aux personnes ayant différents types de cheveux et de teints de peau. Bien que des améliorations d’ingénierie soient nécessaires pour augmenter la vitesse et réduire l’encombrement matériel, ce travail ouvre une voie claire vers une imagerie cérébrale plus accessible, alimentée par des caméras, tant en recherche qu’en clinique.

Citation: 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

Mots-clés: spectroscopie fonctionnelle proche infrarouge, imagerie cérébrale, capteur sCMOS, oxygénation sanguine cérébrale, neuroimagerie psychiatrique