sCMOSベースのfNIRSシステム：光学性能と皮質応答による検証

穏やかな光で見る脳活動

大きな装置や狭い管を使わず、柔らかな赤い光と小さなカメラだけで脳の働きを観察することを想像してください。本研究はまさにそれを実現する新しい方法を紹介します。研究者たちは、将来的に医師や科学者が日常的な環境で思考や気分、精神疾患を研究するのに役立つ可能性のある、よりコンパクトで費用対効果の高い脳イメージングシステムを評価しました。

なぜ弱い光で脳を観察するのか

機能的近赤外分光法（fNIRS）は、近赤外光を頭部に照射し、戻ってくるわずかな光を測定します。酸素を多く含む血液と少ない血液は光の吸収が異なるため、脳活動に関連した微小な血流変化を時間的に追跡できます。fNIRSは静かで安全、かつ座ったり話したり動いたりしながら使えるため、子どもや精神・神経疾患のある人の研究に魅力的です。しかし現行のfNIRS装置は多くの個別検出器に依存することが多く、かさばり高価で、頭全体をカバーするには拡張が難しいという課題があります。

脳光用の新しいカメラ型センサー

従来システムでは、降伏フォトダイオード（APD）など非常に感度の高い特殊な光検出器を多数用いることが一般的で、それぞれに支持用の電子回路が必要でした。著者らは代わりに、科学用CMOS（sCMOS）カメラセンサーを中核に据えたシステムを構築しました。多数の個別検出ユニットを用いる代わりに、戻ってきた光を光ファイバーを通して一つの二次元センサー上の異なるスポットに導きます。構成は、二つの波長の近赤外レーザーダイオード、頭部に配置したソースと検出器のグリッド、二色の光を分離する光学フィルター、制御用コンピュータで成ります。異なる光源を時分割でオンオフすることで、カメラは頭のどのスポットからの光かを識別できます。

人工“組織”での性能試験

カメラベースのシステムが標準的なfNIRS装置と同等かどうかを確かめるため、研究チームはまず光が頭部を通る様子を模した入念に設計された実験モデルでテストしました。あるモデルでは、散乱と吸収を模倣するために乳白色の液体と墨汁を混ぜ、頭皮・頭蓋骨・脳の層を再現しました。微量の墨汁を徐々に加えることで混合液の光吸収を変え、血液含有量の変化に相当する条件を作りました。カメラベースのシステムはこの変化を広い範囲で非常に正確に追跡し、信号が極めて弱い場合や非常に強い場合には従来の検出器よりも信頼性が高いことが多く示されました。別のモデルでは実血液を組織類似混合物に加え、酸素を徐々に除去しました。両システムとも血液ガス解析装置の測定と高い一致を示し、新しいアプローチが現実的な血中酸素変化を追跡できることを示しました。

思考課題中の実際の脳を観察する

次に研究者らは、被験者に言語流暢性課題を行ってもらいました。これは静かに安静にした後、与えられたカテゴリーから言葉を発し、再び休むという課題で、言語や実行機能に関わる前頭部領域が活性化されることが知られています。巧妙なファイバースプリッタを用い、頭部から戻る同じ光を新しいカメラベースシステムと市販のfNIRS装置の両方に同時に送りました。データをクリーンアップし、光変化を酸素化血色素と脱酸素化血色素の推定値に変換すると、ほとんどのチャネルで両システムは時間的パターンが非常に類似し、統計的にも強い一致を示しました。時折の不一致は、センサー設計の欠陥というよりはファイバーの微小なずれといった実務的な問題に起因することが確認されました。

将来の脳モニタリングにとっての意味

日常語で言えば、この研究は単一の高機能なカメラチップが多数の個別検出器に代わっても、脳関連の血流信号を測る精度を失わないことを示しています。カメラベースのfNIRSシステムは感度、雑音、時間的安定性、現実的な血中酸素変化への応答といった主要な指標で標準システムと匹敵するか、あるいは上回りました。サイズと複雑さを低減することで、このアプローチは脳モニタリング機器をより携帯可能にし、コストを下げ、異なる髪質や肌色の人々にも適応しやすくする可能性があります。速度向上やハードウェアの小型化といったさらなる工学的改良は必要ですが、本研究は研究と臨床の両方でカメラ駆動のよりアクセスしやすい脳イメージングへ向かう明確な道筋を示唆しています。

引用: 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

キーワード: 機能的近赤外分光法, 脳イメージング, sCMOSセンサー, 脳血中酸素飽和度, 精神科神経イメージング