Человеческий мозг представляет собой сложную структуру, состоящую из большого количества нейронов и глии. Эти клетки тесно интегрированы для создания сложных сетей, которые поддерживают биологические процессы в дополнение к регулированию памяти, познания, языка и движений тела. Для выполнения всех этих действий требуется высочайший уровень энергетического метаболизма. Кровоток к мозгу непрерывно переносит кислород, который обеспечивает нормальное метаболическое функционирование мозга. В 1998 году в одном из исследований была использована функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) у новорожденных для наблюдения за затылочной областью во время зрительной стимуляции. После этого в нескольких исследованиях данный метод использовался для изучения функций и развития мозга новорожденных. За последние 20 лет fNIRS превратился в эффективную технологию мониторинга, он обеспечивает непрерывный неинвазивный мониторинг оксигенации тканей головного мозга. Этот метод наблюдения может определять уровни церебрального оксигемоглобина (HbO2) и дезоксигенированного гемоглобина (HbR) и, таким образом, измерять региональное насыщение крови кислородом.
Поскольку в неонатальном периоде мозг быстро растет, любая травма может нанести ему значительный ущерб. Исследования, связанные с fNIRS, могут помочь оценить влияние этих травм на развивающийся мозг. Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия позволяет глубже понять функции этого органа и развитие нервной системы новорожденных. Важно понимать разницу между мозгом здорового и поврежденного новорожденного, чтобы врачи могли распознавать симптомы и применять стратегии раннего вмешательства. Благодаря fNIRS изучение функций мозга новорожденных становится гораздо менее затруднительным.
fNIRS использует принципы ближней инфракрасной спектроскопии, он основан на взаимодействии света и биологической ткани. Оксигенированный и деоксигенированный гемоглобин являются основными хромофорами, которые поглощают ближний инфракрасный свет и демонстрируют отчетливые спектры поглощения. Ученые исследуют непрерывные изменения концентраций HbO2 и HbR, чтобы выявить области мозга, которые подвергаются стимуляции. Этот процесс позволяет локализовать функцию мозга. Гемодинамические изменения, наблюдаемые с помощью fNIRS, могут быть использованы для интерпретации нейрональной активности и метаболизма с допущением о сохранности нервно-сосудистой связи. Ткани человека имеют две основные реакции на свет: поглощение и рассеяние. Уровни кислорода в крови могут влиять на их оптические свойства. Поглощение ближнего инфракрасного света кровью очень низкое, и свет легко рассеивается, что дает возможность оптического мониторинга. Однако, прежде чем свет достигнет крови, он должен пройти через разные слои ткани. Кожа, кости и другие ткани тела относительно непрозрачны в ближнем инфракрасном диапазоне света, в то время как HbO2 и HbR в кровеносных сосудах могут быть легко обнаружены и различимы, особенно по различным спектрам поглощения. Длина волны ближнего инфракрасного света в диапазоне от 670 до 910 нм может проникать через череп, скальп и мозговые оболочки, достигая серого вещества коры головного мозга. Стандартная система состоит из двух основных компонентов: источника света (такого как светоизлучающий диод или лазер) и ближайшего фотодетектора. Источник света излучает ближний инфракрасный свет на поверхность головы объекта, в то время как ближайший фотодетектор улавливает фотоны, рассеянные обратно на поверхность головы после рассеяния и поглощения тканью. Все источники света ближнего инфракрасного диапазона излучают свет с длинами волн в пределах указанного выше спектра. Они проходят путь в форме «банана» и достигают фотодетектора (рис. 1A). У новорожденных, в зависимости от глубины черепа, расстояние между источником и детектором 20-25 мм достаточно для проникновения на глубину примерно 1 см, включая кору головного мозга.
Рис. 1. Иллюстрация, показывающая принцип работы fNIRS.
(A) Датчики размещаются на верхней части головы. Фотоны попадают в ткань мозга из излучателя. После рассеяния по траектории в форме банана фотоны принимаются детектором.
(B) и (C) Комбинации нескольких излучателей и детекторов составляют функциональную визуализацию мозга.
Основными методами измерения функции мозга новорожденных являются функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), амплитудно-интегрированная электроэнцефалограмма (аЭЭГ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Каждый подход характеризуется различными методологическими и техническими параметрами и имеет свои относительные достоинства. Преимущества использования fNIRS у новорожденных включают удобство, портативность, неинвазивность и воспроизводимость. Метод бесшумный, не требует седативных средств и уменьшает количество телесных ограничений. Как правило, сбор образцов у новорожденных происходит в стационаре, тем не менее устройства становятся беспроводными, перезаряжаемыми и значительно уменьшаются в размере. В неонатальном отделении результаты аЭЭГ могут быть искажены линией электропередач и электромагнитным шумом, что может затруднить клинический анализ, а на fNIRS электрические сигналы не влияют. Еще один немаловажный аспект заключается в безопасности fNIRS для новороженных, т.к в отличие от компьютерной томографии (КТ) или ПЭТ, он не подвергает человека воздействию радиации. К тому же, настройки плотности, положение детектора и оптических передатчиков не причиняют вреда или боли нежной коже ребенка, а период подготовки и обнаружения составляет всего несколько минут. Это означает, что педиатры могут повторно записывать данные в любой момент времени.
Ранние клинические проявления периоперационной или перинатальной травмы головного мозга нетипичны в практической работе, по прикроватному наблюдению трудно судить о ее наличии и производить последующую оценку тяжести. Педиатры могут упустить жизненно важное терапевтическое окно. NIRS играет важную роль в оценке вмешательств и методов лечения новорожденных. Ранняя оценка, выявление патологий и своевременное целевое вмешательство имеют решающее значение для улучшения краткосрочного и долгосрочного прогноза. Многие факторы риска могут нарушать нормальное снабжение крови кислородом и потребность в нем. Классическим повреждением головного мозга у новорожденных является гипоксически-ишемическая энцефалопатия (ГИЭ). Если пациенту с ГИЭ доступна непрерывная оценка церебральной оксигенации с помощью fNIRS, педиатры могут поставить ранний диагноз травмы головного мозга, что является уникальной возможностью, т.к. например, МРТ может надежно прогнозировать исходы лишь в тяжелых случаях ГИЭ.
Технология fNIRS имеет высокое временное разрешение; небольшие, адаптированные и быстро обнаруживающие устройства функциональной ближней инфракрасной спектроскопии становятся все более важными в изучении развития мозга. Благодаря своим технологическим преимуществам и мобильности устройств, fNIRS стал новым методом прикроватного мониторинга, его можно использовать в дополнение к существующим технологиям, таким как фМРТ, ЭЭГ и ПЭТ, чтобы обеспечить комплексный мониторинг функций мозга. Метод можно использовать для исследования высших когнитивных функций у новорожденных в целях выяснения механизмов травм головного мозга. Раннее обнаружение когнитивных аномалий на неонатальном этапе развития полезно как с социальной, так и с медицинской точки зрения, так как может улучшить прогноз для соответствующих новорожденных. Ожидается, что в будущем технология fNIRS будет играть важную роль в когнитивной нейробиологии и клинической медицине.
- , Xinlin Hou. Applications of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) in neonates. Neuroscience Research | (2020) | doi.org/10.1016/j.neures.2020.11.003
