sCMOS-baserat fNIRS-system: validering via optisk prestanda och kortikal respons

Att se hjärnaktivitet med milt ljus

Föreställ dig att betrakta hjärnan i arbete utan högljudda skannrar eller trånga rör, med enbart mjukt rött ljus och en liten kamera. Denna studie presenterar ett nytt sätt att göra just det. Forskarna testade ett mer kompakt och potentiellt billigare hjärnavbildningssystem som en dag skulle kunna hjälpa läkare och forskare att studera tänkande, humör och psykisk sjukdom i mer naturliga, vardagliga miljöer.

Varför mjukt ljus används för att övervaka hjärnan

Funktionell nära-infraröd spektroskopi, eller fNIRS, belyser huvudet med nära-infrarött ljus och mäter det svaga ljus som kommer tillbaka. Eftersom syrerikt och syrefattigt blod absorberar detta ljus olika, kan små förändringar i blodflöde kopplade till hjärnaktivitet spåras över tid. fNIRS är tyst, säkert och kan användas medan människor sitter, talar eller rör sig, vilket gör tekniken attraktiv för att studera barn och personer med psykiatriska eller neurologiska tillstånd. Nuvarande fNIRS-maskiner förlitar sig dock ofta på många separata ljusdetektorer, vilket gör dem klumpiga, dyra och svåra att skala upp för att täcka hela huvudet.

En ny kamerasensor för hjärnljus

Traditionella system använder ofta avalanche-fotodioder, särskilda ljusdetektorer som är mycket känsliga men kräver många individuella enheter och stödjande elektronik. Författarna byggde istället ett system kring en vetenskaplig CMOS-kamerasensor. Istället för många separata detektorenheter leds det återvändande ljuset genom optiska fibrer till olika platser på en enda tvådimensionell sensorchipp. Uppställningen innehåller nära-infraröda laserdioder vid två våglängder, ett rutnät av sändare och detektorer på en huvudkåpa, optiska filter för att separera de två ljusfärgerna och en styrdator. Genom att slå olika ljuskällor av och på i ett tidsmönster kan kameran avgöra vilken plats på huvudet varje ljuspuls kom ifrån.

Prestandatest i artificiellt ”vävnads”material

För att ta reda på om detta kamerabaserade system är lika exakt som en standard fNIRS-enhet testade teamet det först i noggrant utformade laboratoriemodeller som imiterar hur ljus färdas genom huvudet. En modell blandade mjölkaktig vätska och svart bläck för att efterlikna spridning och absorption i lager som hårbotten, skalle och hjärna. Genom att långsamt tillsätta små mängder bläck ändrade de hur starkt blandningen absorberade ljus, liknande förändringar i blodinnehåll. Det kamerabaserade systemet följde dessa förändringar mycket precist över ett brett omfång, ofta mer tillförlitligt än det konventionella detektorsystemet, särskilt när signalerna var extremt svaga eller mycket starka. I en andra modell tillsatte de verkligt blod till en vävnadsliknande blandning och avlägsnade gradvis syre från det. Båda systemen mätte förändringar i blodets syrehalt i nära överensstämmelse med en separat blodgasanalyserare, vilket visar att den nya metoden kan följa realistiska skiftningar i blodets syrehalt.

Att observera riktiga hjärnor under en tänkuppgift

Forskarna bad därefter frivilliga att utföra en verbal flyt-uppgift, där deltagare vilar tyst, talar ord från givna kategorier och sedan vilar igen. Denna uppgift är känd för att aktivera regioner i pannloben som är involverade i språk och exekutiva funktioner. Med hjälp av en smart fiberdelare skickades samma återvändande ljus från huvudet samtidigt till både det nya kamerabaserade systemet och en kommersiell fNIRS-maskin. Efter att ha rensat datan och omvandlat ljusförändringar till uppskattningar av syresatt och icke-syresatt blod, producerade de två systemen mycket liknande tidsmönster i nästan alla kanaler, med stark statistisk överensstämmelse. Tillfälliga avvikelser kunde spåras till praktiska problem, som små förskjutningar i en fiberposition snarare än till brister i sensordesignen.

Vad detta innebär för framtida hjärnövervakning

I vardagliga termer visar studien att en enda smart kamerasechip kan ersätta många separata ljusdetektorer utan att förlora noggrannhet i mätningen av hjärnrelaterade blodflödessignaler. Det kamerabaserade fNIRS-systemet matchade eller överträffade ett standardssystem över viktiga mått som känslighet, brus, stabilitet över tid och respons på realistiska förändringar i blodets syrehalt. Eftersom det minskar storlek och komplexitet kan denna metod bidra till att göra verktyg för hjärnövervakning mer bärbara, mindre kostsamma och enklare att anpassa för personer med olika hårtyper och hudtoner. Medan ytterligare ingenjörsarbete krävs för att öka hastigheten och krympa hårdvaran, pekar detta arbete på en tydlig väg mot mer tillgänglig, kameradriven hjärnavbildning i både forskning och klinisk vård.

Citering: 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

Nyckelord: funktionell nära-infraröd spektroskopi, hjärnavbildning, sCMOS-sensor, cerebralt blodsyrehalter, psykiatrisk neuroavbildning