Tampa portátil pode medir cognição com luz laser pulsada

Medir a atividade no cérebro humano continua sendo um dos maiores desafios da ciência e da medicina. Apesar dos recentes avanços tecnológicos em áreas como imagem e nanociência, os pesquisadores ainda lutam para detectar com precisão a cognição. Atualmente, a ressonância magnética funcional (MRI) é usada para medir a atividade cerebral, mas esse método exige que o paciente fique imóvel em um aparelho grande, barulhento e caro. Um método portátil e não invasivo é necessário para iluminar como o cérebro funciona dentro de um ambiente mais natural durante a realização de atividades da vida diária.

Em 2013, os Institutos Nacionais de Saúde lançaram uma iniciativa para incentivar mais pesquisas em neurociência, financiando projetos em áreas-chave do campo. Um desses projetos é liderado pelo Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging do Hospital Geral de Massachusetts (MGH), em colaboração com o Laboratório Lincoln do MIT e a Universidade de Boston, para desenvolver um método de imagem cerebral de alto desempenho que pode monitorar fluxo sanguíneo com mais precisão do que nunca. O cérebro regula o fluxo sanguíneo de maneira diferente, dependendo das tarefas mentais e físicas que uma pessoa está realizando. Mapear com precisão o fluxo sanguíneo cerebral com um sistema portátil daria aos pesquisadores uma visão sobre a cognição.

“Este novo método é chamado de espectroscopia de correlação difusa no domínio do tempo (TD-DCS) e funciona transmitindo luz laser de e para o cérebro usando fibra ótica“, diz Jonathan Richardson, um membro da equipe de pesquisa do Grupo de Tecnologia de Imagem Avançada do Lincoln Laboratory. O método será integrado a um sistema semelhante a um boné que tem 64 pontos de transmissão e 192 pontos de recepção organizados em grupos chamados optodes, espaçados de 1 centímetro para cobrem quase todo o couro cabeludo. “A luz se difunde do transmissor de cada optodo, ricocheteia na hemoglobina em glóbulos vermelhose retorna para vários dos receptores ao redor.”

As células sanguíneas estão em constante movimento e, quanto mais rápido elas se movem, mais rapidamente a intensidade do sinal de luz que retorna flutuará. Os pesquisadores podem usar a taxa dessa flutuação para medir a velocidade do fluxo sanguíneo.

No início do programa, a equipe trabalhou para otimizar o comprimento de onda da luz usada para os pulsos. Tecido e sangue absorvem e espalham a luz de forma diferente em diferentes comprimentos de onda. Esses efeitos podem engolir um sinal de luz de forma que nada volte para os receptores. Por meio de modelagem e medições, eles determinaram que um laser de 1.064 nanômetros poderia fornecer com segurança quase 11 vezes mais fótons e atingir uma região 25% mais profunda do cérebro do que os comprimentos de onda mais curtos usados ​​atualmente. Além disso, um laser de 1.064 nanômetros é prontamente produzido pela tecnologia comercial de laser de fibra pulsada.

Para tornar os receptores sensíveis aos fracos sinais de luz que retornam das profundezas do cérebro, a equipe usou uma tecnologia de detector personalizada, desenvolvida no Laboratório Lincoln, chamada fotodiodos de avalanche de modo Geiger (GmAPDs).

“O GmAPD é um dispositivo que pode fornecer um pulso elétrico rápido em resposta a um único fóton”, diz o pesquisador Brian Aull. “Podemos detectar esse pulso e medir seu tempo de ocorrência digitalmente, o que torna o detector extremamente sensível. Precisamos disso porque a maior parte da luz se espalha em direções aleatórias e apenas uma fração dela se espalha na direção certa para alcançar o detector. ”

Vinte anos em construção, esses GmAPDs estiveram envolvidos em muitos programas críticos no Lincoln Laboratory. Este projeto é a primeira aplicação médica de GmAPDs, que são acoplados a um novo circuito integrado de leitura (ROIC) que foi projetado especificamente para esse uso.

“Depois de muitos anos de desenvolvimento e demonstração para aplicações de astronomia e segurança nacional, estamos satisfeitos em ver nossa tecnologia de detecção causar impacto na medicina”, disse Erik Duerr, líder do Advanced Imager Technology Group.

A tecnologia GmAPD também aborda a questão do retorno de sinais de luz irrelevantes – em particular, aqueles que rebatem nas células do couro cabeludo em vez do sangue no cérebro – que podem confundir os resultados.

“Eles são fechados”, diz Aull, “o que significa que podem ser ativados apenas durante intervalos de tempo selecionados”. Os fótons que saltam do couro cabeludo retornarão aos optodos mais rapidamente do que aqueles que vêm do interior do cérebro. “Ao usar uma ativação atrasada, o sistema pode ignorar esses fótons iniciais”.

Até agora, a equipe demonstrou com sucesso o TD-DCS em 1.064 nanômetros em seres humanos usando detectores comerciais individuais. Eles agora estão focados na implementação e teste do detector integrado ROIC e GmAPD. Em 2024, eles planejam fazer a transição do sistema para a equipe MGH, que o integrará ao seu sistema de laser.

“Esta tecnologia tem relevância clínica imediata para o diagnóstico e rastreamento de lesões cerebrais traumáticas e pode monitorar a perfusão cerebral durante o tratamento de trauma em campo”, diz Richardson. “A longo prazo, esperamos que esta tecnologia possa ajudar no tratamento de condições psiquiátricas, como transtorno de estresse pós-traumático, depressão e tendências suicidas também entre os soldados”.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.