Le capuchon portable peut mesurer la cognition avec une lumière laser pulsée | Nouvelles du MIT

Le capuchon portable peut mesurer la cognition avec une lumière laser pulsée | Nouvelles du MIT
Le capuchon portable peut mesurer la cognition avec une lumière laser pulsée | Nouvelles du MIT

La mesure de l’activité dans le cerveau humain reste l’un des plus grands défis de la science et de la médecine. Malgré les avancées technologiques récentes dans des domaines tels que l’imagerie et les nanosciences, les chercheurs ont encore du mal à détecter avec précision la cognition. Actuellement, l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRM) est utilisée pour mesurer l’activité cérébrale, mais cette méthode nécessite que le patient reste immobile dans un appareil volumineux, bruyant et coûteux. Une méthode portable et non invasive est nécessaire pour éclairer le fonctionnement du cerveau dans un cadre plus naturel tout en effectuant des activités de la vie quotidienne.

En 2013, les National Institutes of Health ont lancé une initiative visant à encourager davantage de recherche en neurosciences en finançant des projets dans des domaines clés du domaine. L’un de ces projets est dirigé par le Massachusetts General Hospital (MGH) Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, en collaboration avec le MIT Lincoln Laboratory et l’Université de Boston, pour développer une méthode d’imagerie cérébrale haute performance capable de surveiller le flux sanguin cérébral avec plus de précision. que jamais auparavant. Le cerveau régule le flux sanguin différemment selon les tâches mentales et physiques qu’une personne effectue. Cartographier avec précision le flux sanguin cérébral avec un système portable donnerait aux chercheurs un aperçu de la cognition.

“Cette nouvelle méthode est appelée spectroscopie à corrélation diffuse dans le domaine temporel (TD-DCS) et fonctionne en transmettant la lumière laser vers et depuis le cerveau à l’aide de fibres optiques”, explique Jonathan Richardson, membre de l’équipe de recherche du groupe Advanced Imager Technology du Lincoln Laboratory. La méthode sera intégrée dans un système ressemblant à un capuchon qui comporte 64 points d’émission et 192 points de réception organisés en groupes appelés optodes, espacés de 1 centimètre pour couvrir la quasi-totalité du cuir chevelu. “La lumière se diffuse à partir de l’émetteur de chaque optode, rebondit sur l’hémoglobine des globules rouges et revient vers plusieurs des récepteurs environnants.”

Les cellules sanguines se déplacent constamment, et plus elles se déplacent rapidement, plus l’intensité du signal lumineux de retour fluctuera rapidement. Les chercheurs peuvent utiliser le taux de cette fluctuation pour mesurer la vitesse du flux sanguin.

Au début du programme, l’équipe a travaillé pour optimiser la longueur d’onde de la lumière utilisée pour les impulsions. Les tissus et le sang absorbent et diffusent la lumière différemment à différentes longueurs d’onde. Ces effets peuvent avaler un signal lumineux de telle sorte que rien ne rebondit vers les récepteurs. Grâce à la modélisation et aux mesures, ils ont déterminé qu’un laser de 1 064 nanomètres pouvait délivrer en toute sécurité près de 11 fois plus de photons et atteindre une région du cerveau 25 % plus profonde que les longueurs d’onde plus courtes actuellement utilisées. De plus, un laser de 1 064 nanomètres est facilement produit par la technologie commerciale des lasers à fibre pulsée.

Pour rendre les récepteurs sensibles aux signaux lumineux faibles revenant du plus profond du cerveau, l’équipe a utilisé une technologie de détecteur personnalisée, développée au Lincoln Laboratory, appelée photodiodes à avalanche en mode Geiger (GmAPD).

“Le GmAPD est un appareil qui peut donner une impulsion électrique rapide en réponse à un seul photon”, explique le chercheur Brian Aull. “Nous pouvons détecter cette impulsion et mesurer numériquement son heure d’apparition, ce qui rend le détecteur extrêmement sensible. Nous en avons besoin car la plupart de la lumière se disperse dans des directions aléatoires et seule une fraction de celle-ci se disperse dans la bonne direction pour atteindre le détecteur. “

Vingt ans de développement, ces GmAPD ont été impliqués dans de nombreux programmes critiques au Lincoln Laboratory. Ce projet est la première application médicale des GmAPD, qui sont couplés à un nouveau circuit intégré de lecture (ROIC) conçu spécifiquement pour cet usage.

“Après de nombreuses années de développement et de démonstration pour les applications d’astronomie et de sécurité nationale, nous sommes ravis de voir notre technologie de détection avoir un impact sur la médecine”, déclare Erik Duerr, responsable du groupe Advanced Imager Technology.

La technologie GmAPD aborde également le problème des signaux lumineux de retour non pertinents – en particulier ceux qui rebondissent sur les cellules du cuir chevelu plutôt que sur le sang dans le cerveau – qui peuvent fausser les résultats.

“Ils sont fermés”, explique Aull, “ce qui signifie qu’ils ne peuvent être allumés que pendant des intervalles de temps sélectionnés.” Les photons rebondissant sur le cuir chevelu reviendront aux optodes plus rapidement que ceux provenant plus profondément dans le cerveau. “En utilisant une activation retardée, le système peut ignorer ces photons précoces.”

Jusqu’à présent, l’équipe a réussi à démontrer le TD-DCS à 1 064 nanomètres chez des sujets humains à l’aide de détecteurs commerciaux individuels. Ils se concentrent maintenant sur la mise en œuvre et le test du détecteur intégré ROIC et GmAPD. En 2024, ils prévoient de transférer le système à l’équipe MGH, qui l’intégrera ensuite à leur système laser.

“Cette technologie a une pertinence clinique immédiate pour le diagnostic et le suivi des lésions cérébrales traumatiques et peut surveiller la perfusion cérébrale pendant les soins de traumatologie sur le terrain”, a déclaré Richardson. “À plus long terme, nous espérons que cette technologie pourra également aider au traitement de troubles psychiatriques tels que le trouble de stress post-traumatique, la dépression et la suicidalité chez les soldats.”

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