System fNIRS oparty na sCMOS: walidacja przez wydajność optyczną i odpowiedź korową

Obserwowanie aktywności mózgu za pomocą delikatnego światła

Wyobraź sobie podglądanie pracy mózgu bez głośnych skanerów czy ciasnych tub — używając tylko miękkiego czerwonego światła i małej kamery. To badanie przedstawia nowy sposób, by to osiągnąć. Autorzy sprawdzili bardziej kompaktowy i potencjalnie tańszy system do obrazowania mózgu, który pewnego dnia mógłby pomóc lekarzom i naukowcom badać myślenie, nastrój i choroby psychiczne w bardziej naturalnych, codziennych warunkach.

Dlaczego używa się miękkiego światła do obserwacji mózgu

Funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni, czyli fNIRS, kieruje światło bliskiej podczerwieni do wnętrza głowy i mierzy słabe światło, które z niej wraca. Ponieważ krew bogata w tlen i uboga w tlen absorbuje to światło w różny sposób, drobne zmiany przepływu krwi związane z aktywnością mózgu można śledzić w czasie. fNIRS jest cichy, bezpieczny i można go stosować, gdy osoby siedzą, rozmawiają lub się poruszają, co czyni go atrakcyjnym do badań z dziećmi oraz osobami z zaburzeniami psychiatrycznymi lub neurologicznymi. Jednak obecne urządzenia fNIRS często opierają się na wielu oddzielnych detektorach światła, co sprawia, że są one nieporęczne, drogie i trudne do rozszerzenia na całą głowę.

Nowy czujnik kamerowy do wykrywania światła z mózgu

Tradycyjne systemy zwykle używają fotodiod lawinowych, specjalnych detektorów światła bardzo czułych, które wymagają wielu indywidualnych jednostek i elektroniki wspierającej. Autorzy zamiast tego zbudowali system wokół naukowego czujnika CMOS. Zamiast wielu oddzielnych detektorów, kierują powracające światło przez włókna optyczne na różne miejsca jednego dwuwymiarowego układu czujnika. Konfiguracja obejmuje diody laserowe bliskiej podczerwieni o dwóch długościach fali, siatkę źródeł i detektorów na nauszniku, filtry optyczne rozdzielające dwa kolory światła oraz komputer sterujący. Włączając i wyłączając różne źródła światła w zaprogramowanym rytmie, kamera potrafi określić, z którego miejsca na głowie pochodziła dana błyskawica światła.

Testowanie wydajności w sztucznej „tkance”

Aby sprawdzić, czy system oparty na kamerze jest tak samo dokładny jak standardowe urządzenie fNIRS, zespół najpierw testował go w starannie zaprojektowanych modelach laboratoryjnych imitujących sposób, w jaki światło rozchodzi się przez głowę. Jeden model łączył mętny płyn i czarny atrament, aby naśladować rozpraszanie i absorpcję w warstwach takich jak skóra, czaszka i mózg. Powoli dodając malutkie ilości atramentu, zmieniali siłę absorpcji mieszaniny, podobnie jak zmiana zawartości krwi. System kamerowy śledził te zmiany bardzo precyzyjnie w szerokim zakresie, często bardziej niezawodnie niż konwencjonalny system detektorów, zwłaszcza gdy sygnały były wyjątkowo słabe lub bardzo silne. W drugim modelu dodano prawdziwą krew do mieszanki przypominającej tkankę i stopniowo usuwano z niej tlen. Oba systemy mierzyły zmiany w utlenowaniu krwi w ścisłej zgodności z oddzielnym analizatorem gazów krwi, pokazując, że nowe podejście potrafi śledzić realistyczne wahania poziomu tlenu we krwi.

Obserwacja prawdziwych mózgów podczas zadania poznawczego

Następnie badacze poprosili ochotników o wykonanie zadania werbalnej płynności, w którym ludzie najpierw cicho odpoczywają, potem mówią słowa z podanych kategorii, a następnie znów odpoczywają. Zadanie to znane jest z aktywowania regionów w przedniej części mózgu związanych z językiem i funkcjami wykonawczymi. Dzięki sprytnemu rozdzielaczowi włókien to samo powracające światło z głowy było przesyłane równocześnie zarówno do nowego systemu opartego na kamerze, jak i do komercyjnego urządzenia fNIRS. Po oczyszczeniu danych i przeliczeniu zmian światła na oszacowania krwi utlenowanej i odtlenowanej, oba systemy wygenerowały bardzo podobne wzorce w czasie na niemal wszystkich kanałach, z silną zgodnością statystyczną. Sporadyczne niezgodności można było przypisać praktycznym problemom, takim jak niewielkie przesunięcia pozycji włókna, a nie wadom w konstrukcji czujnika.

Co to oznacza dla przyszłego monitorowania mózgu

Mówiąc prościej, badanie pokazuje, że pojedynczy inteligentny układ kamery może zastąpić wiele oddzielnych detektorów światła bez utraty dokładności w pomiarze sygnałów przepływu krwi związanych z mózgiem. System fNIRS oparty na kamerze dorównał lub przewyższył standardowy system w kluczowych miarach czułości, szumu, stabilności w czasie oraz reakcji na realistyczne zmiany utlenowania krwi. Ponieważ zmniejsza rozmiar i złożoność, podejście to może pomóc uczynić narzędzia do monitorowania mózgu bardziej przenośnymi, tańszymi i łatwiejszymi do dostosowania dla osób o różnym typie włosów i tonacji skóry. Choć potrzebne są dalsze prace inżynieryjne w celu zwiększenia prędkości i zmniejszenia sprzętu, praca ta wskazuje wyraźną drogę ku bardziej dostępnemu, opartemu na kamerze obrazowaniu mózgu zarówno w badaniach, jak i opiece klinicznej.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: funkcjonalna spektroskopia bliskiej podczerwieni, obrazowanie mózgu, czujnik sCMOS, utlenowanie krwi mózgowej, neuroobrazowanie psychiatryczne