Een onderzoeksteam van de Universiteit van Glasgow in Groot-Brittannië heeft een grote doorbraak bereikt: voor het eerst hebben ze met succes lichtsignalen gedetecteerd die de volledige schedel van een volwassene binnendringen.Dit nieuwste onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Neurophotonics, doorbreekt de dieptebeperkingen van de bestaande optische hersenbeeldvormingstechnologie en zal naar verwachting leiden tot nieuwe apparaten die dieper hersenweefsel kunnen detecteren.

Nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) wordt al tientallen jaren gebruikt als een niet-invasief middel om de hersenfunctie te detecteren. Het principe is om indirect de neurale activiteit te weerspiegelen door veranderingen in de absorptie van nabij-infrarood licht van specifieke golflengten door de cerebrale bloedstroom te analyseren.

Hoewel het de voordelen heeft van draagbaarheid en lage kosten, heeft traditionele fNIRS aanzienlijke beperkingen: het licht kan slechts tot een diepte van ongeveer 4 centimeter op het oppervlak van de hersenen doordringen, waardoor het moeilijk wordt om diepe hersengebieden te bereiken die nauw verband houden met geheugen, emotieregulatie, motorische functies, enz. Dit heeft geleid tot een technisch knelpunt bij onderzoek naar diep hersenweefsel zonder afhankelijk te zijn van dure en omvangrijke MRI-apparatuur (Magnetic Resonance Imaging).

Om dit probleem op te lossen, ontwierp het onderzoeksteam een ​​innovatief experimenteel plan: het gebruik van een krachtige gepulseerde laser als lichtbron, gekoppeld aan een ultragevoelige single-photon-detector, en het uitvoeren van metingen onder omstandigheden die strikt afgeschermd waren van omgevingslicht.Uiteindelijk slaagden ze erin zwakke lichtsignalen op te nemen die via de ene kant van het hoofd binnenkwamen, de hele schedel binnendrongen en via de andere kant weer naar buiten gingen.

Om de betrouwbaarheid van de resultaten te garanderen, voerde het team niet alleen nauwkeurige penetratie-experimenten met menselijke schedels uit, maar gebruikte het ook computersimulatietechnologie om het voortplantingspad van licht in de meerlaagse structuren van de schedel (zoals hoofdhuid, schedel, hersenvocht en hersenweefsel) volledig te reconstrueren. De simulatieresultaten zijn zeer consistent met de experimentele gegevens en onthullen een belangrijk fenomeen: wanneer fotonen door complex hersenweefsel gaan, planten ze zich bij voorkeur voort langs structuren met lagere verstrooiingscoëfficiënten, zoals hersenvocht.

Hoewel de huidige technologie nog steeds beperkingen kent – ​​een enkel detectieproces duurt ongeveer 30 minuten, en de proefpersonen moeten een lichte huid hebben en geen haargebieden hebben – biedt dit proof-of-principle onderzoek een nieuw ontwerpidee en een fysieke basis voor de ontwikkeling van fNIRS-systemen van de volgende generatie.

Het onderzoeksteam voorspelt dat met de voortdurende iteratieve optimalisatie van lichtbronnen, detectoren en gerelateerde algoritmen deze indringende optische detectiemethode zich naar verwachting zal ontwikkelen tot een draagbare en economische oplossing voor diepe hersenscans.In de toekomst kan deze technologie worden toegepast voor snelle diagnose aan het bed of ter plaatse van beroerte, hersentrauma, hersentumoren en andere ziekten, vooral in speciale scenario's waarin grote MRI-apparatuur niet kan worden gebruikt (zoals medische veldbehandeling en gebieden met weinig middelen).