Un nouveau dispositif portable « Casque » permet une imagerie cérébrale optique non invasive
Les progrès récents des techniques d’imagerie cérébrale facilitent les observations précises et à haute résolution du cerveau et de ses fonctions. Par exemple, la spectroscopie proche infrarouge fonctionnelle (fNIRS) est une technique d’imagerie non invasive largement utilisée qui utilise la lumière proche infrarouge (longueur d’onde> 700 nm) pour déterminer la concentration relative d’hémoglobine dans le cerveau, via des différences dans les modèles d’absorption de la lumière de l’hémoglobine .
La plupart des systèmes de balayage cérébral non invasifs utilisent le fNIRS à onde continue, où le tissu est irradié par un flux constant de photons. Cependant, ces systèmes ne peuvent pas faire la différence entre les photons diffusés et absorbés. Une avancée récente de cette technique est le domaine temporel (TD)-fNIRS, qui utilise des impulsions picosecondes de lumière et des détecteurs rapides pour estimer la diffusion et l’absorption des photons dans les tissus. Cependant, ces systèmes sont coûteux et complexes et ont un grand facteur de forme, ce qui limite leur adoption généralisée.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs de Kernel, une société de neurotechnologie, ont développé un casque portable basé sur la technologie TD-fNIRS. Cet appareil, appelé « Kernel Flow », pèse 2,05 kg et contient 52 modules disposés en quatre plaques qui s’emboîtent de part et d’autre de la tête. Les spécifications et les performances du système Kernel Flow sont décrites dans le Journal d’optique biomédicale (JBO).
Les modules du casque comportent deux sources laser qui génèrent des impulsions laser d’une largeur inférieure à 150 picosecondes. Les photons sont ensuite réfléchis par un prisme et combinés dans un conduit de lumière source qui dirige le faisceau vers le cuir chevelu. Après avoir traversé le cuir chevelu, les impulsions laser sont capturées par six conduits de lumière à détecteur à ressort de 2 mm de diamètre, puis transmises à six détecteurs disposés de manière hexagonale à 10 mm de la source laser. Les détecteurs enregistrent les heures d’arrivée des photons dans des histogrammes et sont capables de gérer des taux de comptage de photons élevés (ceux dépassant 1 × 109 compte par seconde).
Pour démontrer ses performances, le système Kernel Flow a été utilisé pour enregistrer les signaux cérébraux de deux participants qui ont effectué une tâche de tapotement des doigts. Au cours de la session de test, des histogrammes de plus de 2 000 canaux ont été collectés à travers le cerveau pour mesurer les changements dans les concentrations d’oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine.
Le système s’est avéré correspondre aux systèmes TD-fNIRS conventionnels. « Nous avons démontré une performance similaire aux systèmes de paillasse avec notre appareil miniaturisé, caractérisé par des protocoles tissulaires et fantômes optiques standardisés pour les résultats de TD-fNIRS et de neurosciences humaines », explique Ryan Field, directeur de la technologie chez Kernel et auteur correspondant de l’étude.
Bien que les résultats soient prometteurs, Field reconnaît la nécessité d’effectuer davantage de tests, car la lumière proche infrarouge est absorbée différemment par certains types de cheveux et de peau. « Nous collectons actuellement des données avec Kernel Flow pour démontrer d’autres applications en neurosciences humaines. Nous sommes également en train d’évaluer les performances du système avec différents types de cheveux et de peau », dit-il.
Kernel Flow regroupe des systèmes TD-fNIRS à grande échelle sous une forme portable, offrant la prochaine génération d’appareils d’imagerie cérébrale optique non invasifs. Des systèmes comme Kernel Flow rendront la neuroimagerie beaucoup plus accessible, pour permettre des avantages généralisés dans le domaine de la santé et de la science. Par exemple, la FDA a récemment autorisé une étude utilisant le système Kernel Flow pour mesurer l’effet psychédélique de la kétamine sur le cerveau.
Le rédacteur invité de JBO, Dimitris Gorpas, du Centre de recherche allemand pour la santé environnementale, a déclaré : « Il s’agit du premier système TD-fNIRS portable à couverture complète au monde qui maintient ou améliore les performances des systèmes de paillasse existants et a le potentiel d’accomplir sa mission de généraliser les mesures neuro. J’ai vraiment hâte de découvrir ce que le cerveau n’a pas encore révélé. »
Référence: Ban HY, Barrett GM, Borisevitch A, et al. Kernel Flow : un système de spectroscopie proche infrarouge fonctionnel évolutif dans le domaine temporel à grand nombre de canaux. JBO. 2022;27(7):074710. doi:10.1117/1.JBO.27.7.074710
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