Einem Forschungsteam der Universität Glasgow im Vereinigten Königreich ist ein großer Durchbruch gelungen: Zum ersten Mal ist es ihnen gelungen, Lichtsignale zu entdecken, die den gesamten Schädel eines Erwachsenen durchdringen.Diese neueste Forschung, die in der Fachzeitschrift Neurophotonics veröffentlicht wurde, durchbricht die Tiefenbeschränkungen bestehender optischer Gehirnbildgebungstechnologien und wird voraussichtlich zu neuen Geräten führen, die tieferes Gehirngewebe erkennen können.
Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) wird seit Jahrzehnten als nicht-invasive Methode zur Erkennung der Gehirnfunktion eingesetzt. Das Prinzip besteht darin, die neuronale Aktivität indirekt widerzuspiegeln, indem Veränderungen in der Absorption von Nahinfrarotlicht bestimmter Wellenlängen durch den zerebralen Blutfluss analysiert werden.
Obwohl es die Vorteile der Tragbarkeit und der geringen Kosten bietet, weist das herkömmliche fNIRS erhebliche Einschränkungen auf: Das Licht kann nur bis zu einer Tiefe von etwa 4 Zentimetern in die Oberfläche des Gehirns eindringen, was es schwierig macht, tiefe Gehirnbereiche zu erreichen, die eng mit Gedächtnis, Emotionsregulation, motorischen Funktionen usw. zusammenhängen. Dies hat zu einem technischen Engpass bei der Erforschung von tiefem Hirngewebe geführt, ohne auf teure und sperrige Magnetresonanztomographiegeräte (MRT) angewiesen zu sein.
Um dieses Problem zu lösen, entwarf das Forschungsteam einen innovativen Versuchsplan: Es nutzte einen gepulsten Hochleistungslaser als Lichtquelle, gekoppelt mit einem ultrahochempfindlichen Einzelphotonendetektor, und führte Messungen unter Bedingungen durch, die das Umgebungslicht streng abschirmten.Schließlich gelang es ihnen, schwache Lichtsignale aufzuzeichnen, die von einer Seite des Kopfes eindrangen, den gesamten Schädel durchdrangen und auf der anderen Seite austraten.
Um die Verlässlichkeit der Ergebnisse sicherzustellen, führte das Team nicht nur präzise Experimente zur Penetration des menschlichen Schädels durch, sondern nutzte auch Computersimulationstechnologie, um den Ausbreitungsweg des Lichts in den vielschichtigen Strukturen des Schädels (wie Kopfhaut, Schädel, Liquor und Gehirngewebe) vollständig zu rekonstruieren. Die Simulationsergebnisse stimmen in hohem Maße mit den experimentellen Daten überein und offenbaren ein wichtiges Phänomen: Wenn Photonen komplexes Gehirngewebe passieren, breiten sie sich vorzugsweise entlang von Strukturen mit niedrigeren Streukoeffizienten aus, beispielsweise der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit.
Obwohl die aktuelle Technologie immer noch Einschränkungen aufweist – ein einzelner Erkennungsprozess dauert etwa 30 Minuten und die Probanden müssen hellhäutig sein und keine Haarpartien haben – liefert diese Proof-of-Principle-Studie eine neue Designidee und physikalische Grundlage für die Entwicklung von fNIRS-Systemen der nächsten Generation.
Das Forschungsteam prognostiziert, dass sich diese durchdringende optische Erkennungsmethode mit der kontinuierlichen iterativen Optimierung von Lichtquellen, Detektoren und zugehörigen Algorithmen voraussichtlich zu einer tragbaren und wirtschaftlichen Lösung für die Tiefenhirnbildgebung entwickeln wird.Zukünftig könnte diese Technologie zur schnellen Diagnose von Schlaganfällen, Hirntraumata, Hirntumoren und anderen Krankheiten direkt am Krankenbett oder vor Ort eingesetzt werden, insbesondere in besonderen Fällen, in denen große MRT-Geräte nicht eingesetzt werden können (z. B. bei der medizinischen Feldbehandlung und in ressourcenarmen Gebieten).
