Что такое NIRS?
Наш мозг нуждается в постоянном притоке кислорода, снабжение которым происходит через кровь. Этот процесс называется оксигенацией, и происходит при помощи клеток гемоглобина, отвечающих за перенос кислорода в крови. Различают два типа гемоглобина: оксигемоглобин (HbO2) – с кислородом и дезоксигемоглобин (HHb) – без кислорода.
Near-Infrared Spectroscopy или спектроскопия в околоинфракрасном диапазоне (NIRS) – современная, неинвазивная технология для измерения концентрации окси-, дезоксигемоглобина и общего гемоглобина.
Технология основывается на двух главных принципах:
- Ткани человека относительно прозрачны для света в ближнем ИК-диапазоне.
- Гемоглобин – самый крупный абсорбент света в ближнем ИК-диапазоне. В этом диапазоне HbO2 и HHb демонстрируют кислородзависимую абсорбцию, при этом она отличается для волн разной длины.
Измерить уровень сатурации кислорода в крови (SpO2) можно на любой части тела человека. Наиболее распространенный способ - с кончика пальца:
Реже встречается измерение SpO2 с мочки уха. У новорожденных часто измерение проводят с нижней конечности.
При церебральной NIRS измерение производится с поверхности черепа и измерению подвергается уровень сатурации кислорода в коре головного мозга. Чем выше активность того или иного участка коры, тем больше он начинает потреблять кислорода и тем больше кислорода доставляется к нему, чтобы обеспечить его потребности. С помощью церебральной NIRS можно оценить, какие участки мозга в настоящее время питаются кислородом (а значит и работают) активнее других.
Для NIRS необходим по крайней мере один приемник и один передатчик, чтобы образовать канал. Передатчик передает свет с двумя разными длинами волн. Измерения происходят на уровне капилляров, там, где происходит кислородный обмен.
Если установить на поверхность головы несколько таких датчиков и приемников, то можно оценить совокупную работу коры головного мозга в различных условиях. Этим и занимается fNIRS.
Что такое fNIRS?
Functional Near-Infrared Spectroscopy на русский можно перевести, как функциональная спектроскопия в околоинфракрасном диапазоне или оптическая томография (fNIRS) - современный метод функциональной нейровизуализации. Методика схожа с функциональной МРТ, однако с помощью fNIRS возможно оценивать активность коры не внутри томографа, а в любой лаборатории и даже на улице во время двигательной активности или повседневных дел пациента. Помимо этого, стоимость системы для fNIRS значительно ниже, чем фМРТ сканера. Система для fNIRS производит световое излучение в околоинфракрасном диапазоне в виде двух волн разной длины, благодаря которым можно распознать два состояния оксигенации гемоглобина. Источники и детекторы излучения устанавливаются в специальную шапочку (обычно по системе "10-20%" или "10-10%"). Система для fNIRS оценивает уровень окси- и дезоксигемоглобина, что позволяет оценить активность всех областей коры головного мозга в режиме реального времени.
The Society for functional near-infrared spectroscopy
Метод fNIRS довольно молодой, в настоящее время существует ограниченное количество производителей подобных систем и продолжаются исследования и расширение области применения данного метода. Создано общество по изучению возможностей и ограничений его применения: The Society for functional near-infrared spectroscopy (SfNIRS).
Особенности метода fNIRS и его ограничения
- Безопасность: fNIRS не использует никакого вредного излучения, метод можно использовать у детей.
- Малоинвазивная методика: Для fNIRS не требуется дополнительного контрастного вещества, как для фМРТ.
- Функциональный метод визуализации: Контраст изображения достигается благодаря функционированию ткани, а не её анатомическим особенностям.
- Доступность: fNIRS - это относительно недорогая и простая в обращении технология (в сравнении с фМРТ).
- Временное разрешение: Временное разрешение у fNIRS выше, чем у фМРТ.
- Глубина проникновения света в ткани: Глубина проникновения света в ткани (в головном мозге примерно 3 см) ограничивает размер исследуемого объекта.
С последней особенностью связаны основные ограничения метода: с помощью fNIRS можно исследовать только функционирование коры головного мозга, тогда как фМРТ дает возможность изучения и его глубинных структур.
Области применения fNIRS
В настоящее время наиболее широко данный метод применяется для оценки активности нейронов коры головного мозга в реальном времени. Метод в основном применяется в научных исследованиях, но постепенно входит и в клиническую практику, например, при реабилитации после инсульта, для тренингов методом биологической обратной связи.
Пример реализации одного канала NIRS:
Пример применения технологии fNIRS для изучения активности мозга детей во время решения головоломок:
Пример промышленной системы для fNIRS от компании NIRX:
Компания LUMO предлагает системы для fNIRS высокого разрешения с количеством каналов измерения до 1728. Компактные сенсоры расположены в шестигранных модулях:
Несколько таких модулей располагаются над областью исследования:
Совмещение fNIRS с ЭЭГ
Еще одним преимуществом технологии fNIRS можно считать ее возможность совмещения с другими методами исследования, например, с ЭЭГ. Уже существуют системы, позволяющие одновременно проводить регистрацию fNIRS и ЭЭГ:
Метод fNIRS+ЭЭГ, например, в настоящее время широко применяется в неонатологии при выхаживании глубоко недоношенных детей при проведении нейромониторинга и одновременной оценки уровня гипоксии головного мозга у ребенка:
Кроме ЭЭГ метод fNIRS совместим с fMRI, Eye-Trecking и даже ТМС и tDCS. Опубликовано множество работ по исследованию головного мозга с применением EEG+fNIRS и TMS+fNIRS методов [6].
BCI & Neurofeedback with fNIRS
Одной из основных областей использования fNIRS в настоящее время можно считать системы "мозг-компьютер" и тренинги методом биологической обратной связи.
Например, подобные системы могут применяться для реабилитации пациентов, перенесших инсульт, для улучшения кровотока в моторную зону пораженного участка коры с помощью тренинга методом БОС. Подобные тренинги сейчас проводят и с применением сканера МРТ (Blood-oxygen-level-dependent imaging (BOLD)), но технология fNIRS делает их доступнее и дешевле.
Hyperscanning
Одновременный мониторинг двух и более пациентов позволяет выявить корреляцию в работе мозга разных людей, при решении, например, однотипных задач или при игре в развивающие игры:
Обучение
Также технология fNIRS применяется для изучения особенностей работы мозга человека во время процесса обучения. Так в данном опыте для взрослого испытуемого информация в ходе сеанса является знакомой, а для ребенка новой, требующей внимания и памяти. Выявляя различия между работой двух этих испытуемых, легко выделить участки мозга, ответственные за обучение и усвоение информации.
Real-time analysis of fNIRS data
Как уже говорилось выше, метод fNIRS имеет довольно хорошее разрешение по времени. Это дает возможность использовать его для анализа регистрируемых данных в реальном времени.
Подобные исследования проводят и для музыкантов во время игры на разных музыкальных инструментах, и для художников во время написания картин, и для многих других профессий. Много исследований с применением fNIRS проводится в области исследования боли, поведения человека в обществе, психических расстройств и многих других областях.
fNIRS + EEG
В настоящее время существует несколько методов нейровизуализации, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
ЭЭГ наравне с fNIRS сочетает в себе доступность и портативность. Также ЭЭГ дает высокое разрешение по времени, дополняя fNIRS в этом компоненте. Поэтому применение одновременной регистрации ЭЭГ и fNIRS в настоящее время набирает популярность.
Публикации
- Li, R., Li, S., Roh, J., Wang, C., & Zhang, Y. (2020). Multimodal Neuroimaging Using Concurrent EEG/fNIRS for Poststroke Recovery Assessment: An Exploratory Study. Neurorehabilitation and Neural Repair.
- Li, H., Zhu, N., Klomparens, E. A., Xu, S., Wang, M., Wang, Q., ... & Song, L. (2019). “Application of functional near-infrared spectroscopy to explore the neural mechanism of transcranial direct current stimulation for post-stroke depression”. Neurological research, 1-8.
- Moslehi, A. H., & Davies, T. C. (2021, May). Comparison of Classification Accuracies Between Different Brain Areas During a Two-Class Motor Imagery in a fNIRS Based BCI. In 2021 10th International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering (NER) (pp. 702-705). IEEE.
Вывод
Новый доступный неинвазивный метод fNIRS открывает широкие возможности для изучения особенностей функционирования головного мозга человека. Он уже используется в самых различных научных исследованиях и скорее всего будет применяться и в клинической практике для терапии и диагностики.