Un experiment-șoc în neuroștiință schimbă tot ce știam despre imagistica cerebrală. Tehnologia care spune totul despre activitatea neuronală

Lumina infraroșie apropiată ajută la explorarea creierului prin metoda noninvazivă fNIRS, însă numai la suprafață. O echipă de la University of Glasgow a reușit să aducă lumina în fața imposibilului, demonstrând că fotonii pot traversa întreg capul uman, deschizând noi orizonturi în imagistica cerebrală și diagnosticarea afecțiunilor neurologice.

De mai bine de 30 de ani, cercetătorii din domeniul neuroștiințelor utilizează lumina în infraroșu apropiat pentru a studia activitatea cerebrală, printr-o metodă noninvazivă cunoscută sub numele de spektroscopie funcțională în infraroșu apropiat (fNIRS). Această tehnică monitorizează modul în care sângele absoarbe lumina, oferind indicii indirecte despre activitatea neuronală.

Valoarea fNIRS constă în portabilitatea sa, costurile relativ reduse și posibilitatea de a fi folosit în contexte în care metodele clasice de imagistică, cum ar fi RMN-ul sau tomografia cu emisie de pozitroni, sunt inaccesibile. Cu toate acestea, tehnologia are o limitare fundamentală: nu poate penetra mai mult de aproximativ patru centimetri în țesutul cerebral. Practic, această adâncime permite doar observarea zonelor corticale de suprafață, lăsând inaccesibile regiunile profunde ale creierului, acolo unde se află structuri esențiale pentru memorie, emoție sau control motor.

„Winter is coming”. Un avertisment dur despre următorul deceniu

22:08

Guvernul explică majorarea taxelor pe proprietate, dar evită esențialul: banii ajung la bugetul central, nu în comunități

21:09

Traversarea luminii prin craniu

Această barieră aparent de netrecut a fost, însă, pusă sub semnul întrebării de un grup de cercetători de la University of Glasgow. Într-un studiu publicat în prestigioasa revistă Neurophotonics, intitulat „Photon transport through the entire adult human head”, echipa a demonstrat că este, de fapt, posibil să detectezi fotoni care au traversat întreg capul uman adult, de la o parte la alta.

Reușita cercetătorilor scoțieni nu este doar un tur de forță tehnologic, ci și o confirmare experimentală a unor predicții teoretice care sugerau, de ani buni, că un număr extrem de mic de fotoni ar putea, teoretic, să străbată întreaga grosime a craniului, în condiții optime.

Creier FOTO: Shutterstock

Cum au reușit cercetătorii să forțeze limitele fizicii

Pentru a realiza acest experiment de pionierat, echipa a folosit un fascicul laser pulsator de mare putere, direcționat cu precizie spre o parte a capului unui voluntar. Pe partea opusă, un detector ultrasensibil a fost calibrat pentru a capta orice foton care ar fi reușit să traverseze țesutul osos, lichidul cefalorahidian și masa cerebrală.

Mediul experimental a fost controlat cu rigurozitate pentru a elimina complet lumina ambientală, care ar fi putut contamina semnalul extrem de slab așteptat. În paralel, cercetătorii au efectuat simulări computerizate detaliate pentru a modela comportamentul luminii în mediul biologic complex al craniului uman. Rezultatele au fost concludente: datele experimentale au corespuns cu predicțiile teoretice, confirmând astfel traversarea integrală a fotonilor.

Lumina urmează căi ascunse în creier

Unul dintre cele mai fascinante rezultate ale studiului a fost descoperirea unor „rute preferențiale” ale luminii prin capul uman. Simulările au arătat că fotonii au tendința de a fi ghidați prin zone cu indice de dispersie mai mic, precum lichidul cefalorahidian. Astfel, creierul nu reprezintă o barieră omogenă pentru lumină, ci mai degrabă un labirint complex de canale optice subtile.

„Simulările au arătat că lumina urmează anumite traiectorii, ghidate de zone ale creierului cu dispersie mai redusă, cum ar fi lichidul cefalorahidian”, precizează autorii în articolul publicat.

Încă departe de aplicații clinice, dar cu un potențial uriaș

Deși demonstrația rămâne, deocamdată, una de laborator, implicațiile pentru viitorul imagisticii medicale sunt considerabile. Metoda a necesitat, în această etapă, 30 de minute pentru colectarea datelor și a fost aplicată doar pe un subiect cu pielea deschisă la culoare și fără păr, condiții care reduc considerabil absorbția și dispersia luminii.

Chiar și așa, experimentul demonstrează că barierele considerate până acum insurmontabile pot fi reconsiderate. Într-un viitor nu foarte îndepărtat, aceste descoperiri ar putea permite dezvoltarea unor sisteme fNIRS de generație nouă, capabile să pătrundă mai adânc în structurile cerebrale, fără a necesita echipamente voluminoase sau costisitoare.

Imagistica cerebrală pentru toți

Pe termen lung, astfel de tehnologii ar putea revoluționa modul în care sunt diagnosticate și monitorizate afecțiuni neurologice grave, de la accidente vasculare cerebrale, la traumatisme craniene sau tumori cerebrale. În special în zonele geografice unde accesul la RMN sau tomografie computerizată este limitat, soluțiile optice portabile ar putea deveni un instrument esențial pentru clinicieni.

Descoperirea celor de la University of Glasgow nu marchează doar un progres tehnologic, ci și o reconfigurare fundamentală a modului în care înțelegem interacțiunea luminii cu structura cerebrală. În cuvintele implicite ale studiului: ceea ce era considerat imposibil începe, încet, să devină realizabil.