sCMOS-основанная система fNIRS: валидация через оптические характеристики и корковый ответ

Наблюдая активность мозга мягким светом

Представьте, что можно наблюдать работу мозга без громоздких сканеров и тесных труб, используя лишь мягкий красный свет и небольшую камеру. В этом исследовании предлагается новый подход именно к такому наблюдению. Исследователи протестировали более компактную и потенциально более дешёвую систему для визуализации мозга, которая в будущем может помочь врачам и учёным изучать мышление, настроение и психические расстройства в более естественных, повседневных условиях.

Почему для наблюдения за мозгом используют мягкий свет

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) направляет ближний инфракрасный свет в голову и измеряет слабый свет, который возвращается. Поскольку насыщенная кислородом и бедная кислородом кровь по-разному поглощают этот свет, крошечные изменения кровотока, связанные с активностью мозга, можно отслеживать во времени. fNIRS бесшумна, безопасна и может применяться, пока человек сидит, говорит или движется, что делает её привлекательной для изучения детей и людей с психиатрическими или неврологическими состояниями. Однако современные fNIRS-системы часто опираются на множество отдельных световых детекторов, что делает их громоздкими, дорогими и трудными для масштабирования на всю голову.

Новый камерный сенсор для мозгового света

Традиционные системы обычно используют лавинные фотодиоды — специальные детекторы света, очень чувствительные, но требующие множества отдельных модулей и вспомогательной электроники. Авторы же построили систему вокруг научного CMOS-датчика. Вместо множества отдельных приёмников возвращённый свет направляют по оптическим волокнам на разные участки одного двумерного сенсорного чипа. Установка включает ИК-лазеры на двух длинах волн, сетку источников и приёмников на головном креплении, оптические фильтры для разделения двух цветов света и управляющий компьютер. Включая и выключая разные источники света по заданному таймингу, камера определяет, с какого участка головы пришёл каждый вспышка света.

Тестирование характеристик в искусственной «ткани»

Чтобы выяснить, насколько эта камерная система точна по сравнению со стандартным устройством fNIRS, команда сначала протестировала её в лабораторных моделях, имитирующих прохождение света через голову. Одна модель использовала молочный раствор и чёрные чернила, чтобы имитировать рассеяние и поглощение в слоях, таких как кожа, череп и мозг. Путём медленного добавления небольших объёмов чернил они изменяли степень поглощения раствора, аналогично изменениям содержания крови. Камерная система очень точно отслеживала эти изменения в широком диапазоне, зачастую более надёжно, чем традиционная система, особенно когда сигналы были очень слабыми или очень сильными. Во второй модели в тканеподобную смесь добавляли настоящую кровь и постепенно удаляли из неё кислород. Обе системы измеряли изменения кислородной насыщенности крови в тесном соответствии с данными отдельного газового анализатора крови, что демонстрирует способность нового подхода отслеживать реалистичные сдвиги в уровне кислорода крови.

Наблюдение реальных мозгов во время мыслительной задачи

Далее исследователи попросили добровольцев выполнить задачу на вербальную беглость: участники спокойно отдыхали, затем проговаривали слова из заданных категорий, а затем снова отдыхали. Эта задача известна тем, что активирует области лобной коры, связанные с языком и исполнительными функциями. С помощью хитрого разветвителя оптоволокна один и тот же возвращаемый свет с головы одновременно отправлялся в новую камерную систему и в коммерческое устройство fNIRS. После очистки данных и преобразования изменений света в оценки оксигенированной и деоксигенированной крови обе системы дали очень похожие временные паттерны почти во всех каналах, с сильным статистическим соответствием. Редкие расхождения можно было объяснить практическими причинами, например небольшими сдвигами положения волокна, а не недостатками конструкции сенсора.

Что это значит для будущего мониторинга мозга

Проще говоря, исследование показывает, что один интеллектуальный камерный чип может заменить множество отдельных световых детекторов без потери точности в измерении сигналов кровотока, связанных с работой мозга. Камерная fNIRS-система сравнялась или превзошла стандартную систему по ключевым показателям чувствительности, шума, стабильности во времени и отклика на реалистичные изменения кислородной насыщенности крови. Поскольку подход уменьшает размеры и сложность, это может сделать инструменты мониторинга мозга более портативными, менее дорогими и более удобными для применения у людей с разными типами волос и тональностью кожи. Хотя необходима дальнейшая инженерная работа для повышения скорости и уменьшения размеров аппаратуры, эта работа указывает на ясный путь к более доступной камеро-ориентированной визуализации мозга как в исследованиях, так и в клинической практике.

Цитирование: 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

Ключевые слова: функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия, визуализация мозга, сенсор sCMOS, кислородное насыщение мозга, психиатрическая нейровизуализация