Monitorizarea unui aport de sânge adecvat al creierului este crucială, nu numai pentru a preveni bolile neurologice, ci şi pentru a le trata. Tehnica de spectroscopie interferometrică în infraroşu apropiat, pe scurt πNIRS, ar putea îmbunătăţi viaţa pacienţilor din întreaga lume, şi eficientiza diagnosticul medical.
Sângele este responsabil de activitatea întregului organism uman şi este deosebit de important pentru funcţionarea creierului. În medie, prin ţesutul cerebral curg în jur de 50 ml/min/100 g - aproximativ 80-90 ml/min/100 g prin substanţa cenuşie şi 20-30 ml/min/100 g prin substanţa albă.
Când există o lipsă de oxigen şi, prin urmare, o lipsă de alimentare adecvată cu sânge, are loc moartea celulelor nervoase, cum se întâmplă în cazul unui AVC, de aceea monitorizarea fluxului sanguin cerebral pentru prevenirea şi tratarea bolilor este esenţială.
Neurologia cunoaşte multe metode eficiente pentru a face acest lucru, dar multe dintre acestea au punctele lor slabe. În prezent, o echipă de neurologi condusă de cercetători de la Centrul internaţional de cercetare translaţională a ochiului (ICTER) a dezvoltat o tehnică care poate îmbunătăţi semnificativ monitorizarea fluxului sanguin cerebral in vivo.
Lucrarea a apărut în revista Biomedical Optics Express.
Cum se monitorizează fluxul sanguin cerebral?
Fluxul sanguin cerebral (CBF) foloseşte aproximativ 15% din debitul cardiac pentru a livra substanţele esenţiale (oxigen şi glucoză) către creier şi pentru a le îndepărta pe cele inutile (produse ale metabolismului).
Orice abatere de la normă poate provoca disfuncţii temporare ale creierului şi declanşa boli ireversibile, cu boala Alzheimer în prim plan. De aceea, monitorizarea non-invazivă a CBF este atât de importantă iar oamenii de ştiinţă au la îndemână mai multe instrumente practice pentru a face acest lucru.
Unul dintre acestea este imagistica prin rezonanţă magnetică funcţională (fMRI), probabil cel mai utilizat test de diagnostic din lume, care funcţionează bine şi în acest caz.
Permite monitorizarea modificărilor locale ale alimentării cu sânge a creierului şi a fluctuaţiilor asociate ale activităţii neuronale in vivo. Tehnica oferă imagini de înaltă rezoluţie, dar este destul de costisitoare şi dificil de utilizat la copiii mici, de exemplu. Aici vin în ajutor metodele optice.
Oxigenarea creierului poate fi evaluată folosind spectroscopie funcţională în infraroşu apropiat (fNIRS). Această tehnică permite măsurarea neinvazivă a oxigenării cerebrale regionale prin utilizarea absorbţiei selective a radiaţiei undelor electromagnetice în intervalul 660-940 nm, de către cromoforii din corpul uman. Este adesea folosit ca instrument pentru a ajuta la monitorizarea stării pacientului, inclusiv în neurochirurgie.
Pe de altă parte, fluxul sanguin poate fi monitorizat continuu prin spectroscopie de corelaţie difuză (DCS). Cele mai avansate modificări ale acestora se bazează pe lasere cu emisie în undă continuă (CW), care împiedică măsurătorile absolute. Spectroscopia interferometrică în infraroşu apropiat (iNIRS) poate ajuta aici.
Cu toate acestea, studiile anterioare au arătat că această metodă este prea lentă pentru a detecta modificări imediate ale fluxului sanguin care se traduc în activitate neuronală. Acest lucru se datorează faptului că este un sistem cu un singur canal, care măsoară intensitatea luminii colectate din probă într-un singur mod.
Tehnologia inovatoare πNIRS
O echipă de cercetători de la ICTER a decis să modifice iNIRS, bazându-se pe spectroscopie interferometrică în infraroşu apropiat (πNIRS) pentru detectarea pe mai multe canale a fluxului sanguin cerebral. Pentru a realiza acest lucru, a fost necesară modificarea sistemului de detectare iNIRS.
În πNIRS, semnalele optice colectate sunt înregistrate cu o cameră CMOS bidimensională care funcţionează la o rată de cadre ultrarapidă (~1 MHz). Fiecare pixel din secvenţa de imagini înregistrată devine efectiv un canal de detectare individual.
Cu această abordare, este posibilă obţinerea de date similare cu iNIRS, dar mult mai rapid - chiar şi după ordine de mărime (!)
O astfel de optimizare, se traduce printr-o mai mare sensibilitate a sistemului şi o precizie a detectării în sine.
Este posibil să se detecteze modificări rapide ale fluxului sanguin legate de activarea neuronilor, de exemplu, ca răspuns la un stimul extern sau la un medicament administrat.
Soluţia ar putea fi utilă pentru diagnosticarea tulburărilor neuronale legate de fluxul sanguin cerebral şi evaluarea eficienţei abordărilor terapeutice, de exemplu, pentru bolile neurodegenerative.
Potrivit autorilor, acest proiect va îmbunătăţi sistemele rapide, non-invazive pentru monitorizarea sângelui cerebral uman in vivo.
Monitorizarea continuă şi non-invazivă a fluxului sanguin ar putea ajuta la tratarea unor boli semnificative ale creierului.
Dawid Borycki de la ICTER spune că, detectarea rapidă a fluxului sanguin cerebral reprezintă un progres către dezvoltarea unei interfeţe neinvazive creier-computer (BCI), care ar putea ajuta persoanele cu dizabilităţi.
Testele au confirmat că tehnica utilizată monitorizează eficient activitatea cortexului prefrontal in vivo. Mai mult, poate fi îmbunătăţiăt în continuare datorită dezvoltării tehnologiei LiDAR şi imagisticii volumetrice ultrarapide a ochiului, reducând costul camerelor CMOS.
Astfel, tehnica πNIRS poate monitoriza fluxul sanguin cerebral şi modificările de absorbţie din mai mult de o locaţie spaţială.
Datele obţinute prin tehnica πNIRS pot fi aplicate la diagnosticul tulburărilor circulatorii cerebrale, ceea ce va facilita evaluarea stării pacientului şi va permite estimarea rezultatelor tratamentului precoce şi pe termen lung.
Proiectul Centrului Internaţional de Cercetare Translaţională a Ochilor este realizat de Institutul de Chimie Fizică al Academiei Poloneze de Ştiinţe, în cadrul programului Agende Internaţionale de Cercetare al Fundaţiei pentru Ştiinţa Poloneză cofinanţat de Uniunea Europeană în cadrul Fondul European de Dezvoltare Regională.
