Sciences de la vie - Imagerie des fonctions cérébrales
Exemple de mesure par spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS)
Le fonctionnement du cerveau humain reste l’un des plus grands mystères de l’humanité. La technologie de visualisation des fonctions cérébrales a progressé rapidement au cours des dernières années, mais parmi les diverses technologies disponibles, le fNIRS permet de mesurer l’activité cérébrale dans un environnement qui se rapproche le plus des conditions naturelles. Par conséquent, il a attiré l’attention en tant qu’outil de soutien aux neurosciences dans un large éventail de recherches dans les domaines de la santé, de la psychologie, de l’éducation, de l’ingénierie et d’autres domaines.
Regardez la vidéo qui montre l'activité cérébrale mesurée lors de l'utilisation d'un simulateur de conduite.
Principe d'utilisation de la lumière proche infrarouge pour mesurer la fonction cérébrale
- Qu'est-ce que la spectroscopie proche infrarouge ?
Les substances présentes dans le corps transmettent, absorbent ou diffusent la lumière. La quantité de lumière absorbée ou diffusée varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière et des composants moléculaires de la composition biologique. En particulier, l’hémoglobine dans le sang absorbe la lumière proche infrarouge, mais ce niveau d’absorption varie selon que l’oxygène est lié ou non à l’hémoglobine. fNIRS est une méthode de détermination des quantités variables d'hémoglobine oxygénée et désoxygénée (désoxy-Hb) basée sur la mesure du niveau d'absorption de la lumière proche infrarouge.
Fig.1 Absorbance of Water and Hemoglobin in the Infrared Wavelength Range
- Pourquoi utiliser la lumière proche infrarouge ?
L'intensité (spectre) de la lumière absorbée par l'hémoglobine oxygénée et désoxygénée est indiquée à droite. Dans la plage de la lumière visible (400 à 700 nm), l'absorbance de la lumière est élevée pour l'hémoglobine et d'autres substances biologiques et atténue à 1/10 la valeur initiale dans une distance de pénétration de 1 mm ou moins. À des longueurs d’onde lumineuses plus longues que le proche infrarouge, une absorption élevée par l’eau empêche presque toute pénétration dans le corps. En revanche, le faible taux d’absorption de la lumière proche infrarouge à l’intérieur du corps est beaucoup plus faible, de sorte qu’elle pénètre environ dix fois plus loin. Par conséquent, la lumière proche infrarouge est utilisée car elle peut obtenir des informations provenant d’emplacements plus profonds..
Fig.2 Absorption Spectrum of Hemoglobin
- Que peut nous dire le fNIRS ?
Dans la gamme de longueurs d'onde mesurée par fNIRS (700 à près de 900 nm), le spectre de l'hémoglobine oxygénée (oxy-Hb) est très différent de celui de l'hémoglobine désoxygénée (désoxy-Hb). Cette différence peut être utilisée pour calculer les quantités variables d’oxy-Hb et de désoxy-Hb contenues dans les tissus corporels. Sur la base de ces deux quantités, l'hémoglobine totale (Hb totale) peut également être calculée et affichée en même temps.
- Comment sont mesurées les quantités d'hémoglobine ?
Les fibres optiques sont utilisées pour irradier les tissus avec une lumière proche infrarouge. Chaque fibre optique est insérée dans un support de fibre spécial porté par le sujet, de sorte que la pointe de la fibre soit maintenue étroitement contre le cuir chevelu. Lorsque la lumière proche infrarouge incidente sur la tête traverse le cortex cérébral, elle est diffusée ou absorbée, une partie de la lumière retournant au cuir chevelu. Cette lumière renvoyée est détectée par les fibres optiques du récepteur. La lumière détectée est convertie en signal électrique à l'aide d'un tube photomultiplicateur et les modifications des quantités d'hémoglobine oxygénée et désoxygénée sont calculées sur la base de la loi de Lambert-Beer modifiée.
Sujet portant un support de fibre
Détection de la lumière proche infrarouge réfléchie par le cortex cérébral
Étant donné une distance de 30 mm entre la lumière incidente et la lumière détectée, la lumière atteint des profondeurs d'environ 15 à 20 mm dans le cortex cérébral.
Loi de Lambert-Beer modifiée
La loi de Lambert-Beer modifiée est une version de la loi de Lambert-Beer régulière modifiée pour l'effet de diffusion de la lumière proche infrarouge à travers les tissus biologiques. Lorsque la lumière incidente traverse une distance d à travers une solution claire, le logarithme du rapport de sortie est proportionnel à d et à l'absorbance. Si le liquide contient des substances diffusantes, cette formule simple ne peut pas être utilisée. Dans cette situation, la distance réelle parcourue par la lumière à travers un milieu diffusé est plus longue que d et est exprimée par d'. En supposant que la valeur de d' soit inconnue, la loi de Lambert-Beer modifiée peut être utilisée pour calculer le produit de la variation de la concentration initiale par la distance parcourue par la lumière (d').
- Illustration de l'évolution des concentrations d'hémoglobine oxygénée, désoxygénée et totale.
Des systèmes d'imagerie de la fonction cérébrale dans le proche infrarouge sont utilisés pour afficher des cartes couleur bidimensionnelles de l'activité cérébrale. Pour mesurer l’activité cérébrale, une matrice de fibres optiques est disposée (insérée) au niveau de la zone cible d’intérêt. Un exemple d’agencement de fibres est présenté ci-dessous. En supposant que les variations des taux d'hémoglobine oxygénée et désoxygénée soient mesurées à un point intermédiaire entre les points rouge (émetteur) et bleu (récepteur), ces points intermédiaires sont appelés canaux de mesure.
Les changements mesurés dans les concentrations d'hémoglobine oxygénée, désoxygénée et totale sont affichés sous forme de données de séries chronologiques en temps réel pour chaque canal, comme indiqué ci-dessous. En codant par couleur et en interpolant les données de tous les canaux, les données sont affichées sur le moniteur sous la forme d'une carte bidimensionnelle montrant la distribution des variations de concentration d'hémoglobine. Les images peuvent être observées en temps réel, environ 0,1 seconde après la mesure.
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