انقلابی در علوم اعصاب؛ تصویربرداری مغزی با فناوری نور مادون قرمز!

زهرا وجدانی: تصویربرداری مغزی یکی از ابزار‌های کلیدی در علوم اعصاب شناختی و روان‌شناسی محسوب می‌شود. با پیشرفت فناوری، روش‌های مختلفی برای بررسی عملکرد مغز توسعه یافته‌اند که هرکدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. یکی از جدیدترین و پرکاربردترین این روش‌ها "طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک (fNIRS)" است؛ فناوری‌ای غیرتهاجمی که با استفاده از نور مادون قرمز، تغییرات اکسیژن‌رسانی خون در قشر مغز را اندازه‌گیری می‌کند. 

fNIRS به دلیل قابل حمل بودن، سهولت استفاده و امکان اندازه‌گیری فعالیت مغزی در محیط‌های طبیعی، در سال‌های اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. این روش در کنار سایر فناوری‌های تصویربرداری مانند fMRI و EEG امکان تحلیل دقیق‌تری از فعالیت‌های شناختی و رفتاری را فراهم می‌کند.

آزمایشگاه ملی نقش‌برداری مغز ایران یکی از مراکز پیشرو در تحقیقات علوم اعصاب شناختی است که از روش‌های نوینی برای ثبت و تحلیل فعالیت مغزی بهره می‌برد. یکی از این روش‌ها، طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک (fNIRS) است که به‌عنوان یک ابزار غیرتهاجمی و قابل حمل، امکان مطالعه عملکرد مغز را در شرایط طبیعی‌تر نسبت به روش‌های تصویربرداری سنتی فراهم می‌کند.

در این گزارش، نحوه عملکرد fNIRS، مزایا و محدودیت‌های آن، کاربرد‌های علمی و بالینی و خدمات ارائه‌شده در آزمایشگاه ملی نقشه‌برداری مغز ایران بررسی می‌شود. در همین راستا با سوسن کهزاد، کارشناس ارشد پزشکی از دانشگاه علوم پزشکی تهران و مسئول بخش ثبت و پردازش سیگنال این آزمایشگاه، درباره اهمیت این فناوری و آینده آن در ایران نیز به گفت‌و‌گو پرداختیم. 

روش عملکرد طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک

fNIRS بر اساس اصل جذب و بازتاب نور مادون قرمز نزدیک عمل می‌کند. در این روش، دستگاه fNIRS پرتو‌های نور مادون قرمز (با طول موج ۷۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر) را از طریق حسگر‌های نوری به سطح پوست سر ارسال می‌کند. این نور پس از عبور از بافت‌های سر و جمجمه، به قشر مغز می‌رسد. هموگلوبین موجود در خون، بخشی از این نور را جذب می‌کند و بخشی دیگر بازتاب می‌شود. 

با تحلیل میزان نوری که پس از عبور از بافت مغزی بازمی‌گردد، می‌توان تغییرات میزان هموگلوبین اکسیژنه (HbO) و هموگلوبین غیر اکسیژنه (HbR) را اندازه‌گیری کرد. افزایش فعالیت نورونی در یک ناحیه از مغز، نیاز به اکسیژن بیشتری ایجاد می‌کند که موجب تغییر در نسبت این دو نوع هموگلوبین می‌شود. این تغییرات شاخصی برای سنجش فعالیت مغزی در هنگام انجام وظایف شناختی است. 

مطالعه مغز با فناوری fNIRS

برخلاف روش‌های تصویربرداری ساختاری مانند MRI که تصاویر ایستا از مغز ارائه می‌دهند، fNIRS امکان بررسی پویای فعالیت‌های مغزی را در زمان واقعی (Real-time) فراهم می‌کند.

سوسن کهزاد در این‌باره می‌افزاید: "این فناوری از نظر دقت زمانی (Temporal Resolution) در حد ثانیه است، اما دقت مکانی (Spatial Resolution) آن در حد میلی‌متر نیست. با این حال، برای مطالعاتی که نیاز به اندازه‌گیری فعالیت مغزی بدون قرار دادن فرد در اسکنر‌های حجیم و پرهزینه دارند، انتخاب بسیار مناسبی محسوب می‌شود."

او توضیح می‌دهد: "این دستگاه با استفاده از نور مادون قرمز، تغییرات غلظت اکسیژن خون را در نواحی مختلف قشر مغز اندازه‌گیری می‌کند. از آنجایی که فعالیت نورونی نیازمند انرژی است، نواحی فعال مغز، اکسیژن بیشتری مصرف می‌کنند. این افزایش مصرف اکسیژن باعث تغییر در الگوی هموگلوبین اکسیژنه و غیر اکسیژنه خون می‌شود که ما می‌توانیم با استفاده از fNIRS، آن را اندازه‌گیری و تحلیل کنیم."

مسئول بخش ثبت پردازش سیگنال آزمایشگاه ملی نقشه‌برداری مغز ایران درباره نقش این فناوری در بررسی عملکرد مغزی توضیح می‌دهد: "فعالیت نورونی نیاز به انرژی دارد و این انرژی از طریق اکسیژن تأمین می‌شود. fNIRS با اندازه‌گیری تغییرات در میزان اکسیژن‌رسانی و تغییرات هموگلوبین در خون، اطلاعات ارزشمندی درباره عملکرد مغز ارائه می‌دهد. این روش به ما کمک می‌کند تا پاسخ‌های همودینامیک مغزی را در شرایط مختلف بررسی کنیم."

مزایا و محدودیت‌های fNIRS در مقایسه با سایر روش‌های تصویربرداری

مزایای fNIRS:

یکی از مهم‌ترین مزایای fNIRS، راحتی استفاده و قابلیت حمل بالای آن است. برخلاف fMRI که نیازمند تجهیزات سنگین و گران‌قیمت است، fNIRS از یک کلاه سبک و قابل حمل تشکیل شده که روی سر فرد قرار می‌گیرد و بدون ایجاد مزاحمت برای او، ثبت سیگنال‌های مغزی را انجام می‌دهد.

یکی از دلایلی که fNIRS به‌عنوان روشی کارآمد در مطالعات مغزی شناخته می‌شود، قابل‌حمل بودن آن است. کهزاد دراین‌باره می‌گوید: "برخلاف fMRI که نیاز به محیط آزمایشگاهی ثابت دارد، fNIRS را می‌توان در محیط‌های واقعی مانند مدارس، بیمارستان‌ها و مراکز درمانی استفاده کرد. این ویژگی باعث می‌شود که تحقیقات در شرایط طبیعی‌تری انجام شود و داده‌های به‌دست‌آمده، واقع‌گرایانه‌تر باشند."

• غیرتهاجمی و ایمن: بدون نیاز به تزریق ماده حاجب یا قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی.
• قابل حمل و سبک: برخلاف fMRI که نیاز به تجهیزات حجیم دارد، fNIRS را می‌توان در محیط‌های مختلف از جمله بیمارستان‌ها، مدارس و آزمایشگاه‌های تحقیقاتی استفاده کرد.
•  امکان ثبت در زمان واقعی: برخلاف fMRI که دارای تأخیر زمانی است، fNIRS تغییرات اکسیژن‌رسانی را با سرعت بالایی ثبت می‌کند. 
• قابلیت استفاده برای گروه‌های خاص: این روش برای نوزادان، سالمندان، بیماران دارای اختلالات عصبی و افراد دچار هراس از فضا‌های بسته (Claustrophobia) ایده‌آل است. 
• امکان استفاده هم‌زمان با سایر روش‌های تصویربرداری: قابلیت ترکیب با EEG و fMRI را دارد و اطلاعات ارزشمندی درباره ارتباط بین فعالیت الکتریکی و همودینامیکی مغز ارائه می‌دهد. 

محدودیت‌های fNIRS:

• عدم توانایی در بررسی لایه‌های عمقی مغز: این روش فقط می‌تواند فعالیت قشر مغز (کورتکس) را اندازه‌گیری کند و به نواحی عمیق‌تر مانند هیپوکامپ یا آمیگدال دسترسی ندارد.
• وضوح زمانی پایین‌تر نسبت به EEG: برخلاف EEG که در حد میلی‌ثانیه تغییرات فعالیت نورونی را ثبت می‌کند، fNIRS برای مشاهده تغییرات به چند ثانیه زمان نیاز دارد.
• عدم نفوذ به نواحی عمیق مغز: این روش فقط برای مطالعه قشر مغز مناسب است و نمی‌تواند نواحی عمقی مانند هیپوکامپ یا تالاموس را بررسی کند. 
• قدرت تفکیک مکانی پایین‌تر نسبت به fMRI: دقت مکانی در حد چند سانتی‌متر است، در حالی که fMRI دقت میلی‌متری دارد. 
• حساسیت به حرکت آزمودنی: حرکت بیش از حد سر می‌تواند دقت داده‌های ثبت‌شده را کاهش دهد. 

کاربرد‌های fNIRS در علوم اعصاب شناختی و روان‌شناسی

۱. مطالعه عملکرد مغزی هنگام انجام فعالیت‌های شناختی

از fNIRS می‌توان برای بررسی تغییرات فعالیت مغزی در هنگام انجام وظایف شناختی مانند حل مسئله، تصمیم‌گیری، یادگیری، توجه و حافظه استفاده کرد.

کهزاد توضیح می‌دهد: "یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های این دستگاه، بررسی عملکرد مغزی افراد در هنگام حل مسائل پیچیده است. برای مثال، می‌توانیم ببینیم که در افراد با مهارت‌های حل مسئله بالا، کدام نواحی مغز درگیرتر هستند و چگونه اکسیژن‌رسانی در این نواحی تغییر می‌کند."

۲. پژوهش‌های روانشناسی و علوم اجتماعی

یکی از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد fNIRS، امکان ثبت همزمان فعالیت مغزی چند فرد در حال تعامل با یکدیگر است. این روش، تحت عنوان هایپر اسکنینگ (Hyperscanning) شناخته می‌شود و به دانشمندان کمک می‌کند تا نحوه هماهنگی مغز‌ها در تعاملات اجتماعی را بررسی کنند.

او می‌گوید: "برای مثال، می‌توانیم مشاهده کنیم که در هنگام ارتباط بین مادر و کودک، معلم و دانش‌آموز یا حتی دو بازیکن شطرنج، فعالیت مغزی چگونه بین دو فرد هماهنگ می‌شود. این موضوع برای درک تأثیر تعاملات اجتماعی بر فعالیت مغزی بسیار مهم است."

۳. بررسی استرس و تأثیر آن بر عملکرد شناختی

یکی دیگر از کاربرد‌های fNIRS، بررسی تأثیر استرس بر فعالیت مغز است. این دستگاه به ما نشان می‌دهد که هنگام قرار گرفتن در شرایط پراسترس، تغییرات اکسیژن‌رسانی در قشر پیش‌پیشانی (Prefrontal Cortex) چگونه اتفاق می‌افتد.

۴. مطالعات در حوزه تربیت بدنی و عملکرد ورزشی

در برخی پژوهش‌ها، از fNIRS برای بررسی تأثیر ورزش بر فعالیت مغزی استفاده شده است. برای مثال، ثبت فعالیت مغزی دوچرخه‌سواران در هنگام رکاب زدن روی دوچرخه ثابت، می‌تواند نشان دهد که چگونه فعالیت بدنی بر عملکرد شناختی و سطح اکسیژن‌رسانی به مغ ز تأثیر می‌گذارد.

مطالعه تعاملات اجتماعی با روش هایپراسکنینگ

یکی از کاربرد‌های پیشرفته fNIRS، ثبت فعالیت مغزی هم‌زمان چند فرد است که به آن هایپراسکنینگ گفته می‌شود. این روش به‌ویژه در مطالعات روان‌شناختی و تعاملات اجتماعی اهمیت دارد. مسئول بخش ثبت پردازش سیگنال این آزمایشگاه توضیح می‌دهد: "با استفاده از هایپراسکنینگ، می‌توان فعالیت مغزی دو یا چند نفر را هنگام تعامل اجتماعی به‌صورت هم‌زمان ثبت و بررسی کرد. این قابلیت برای مطالعه ارتباط معلم و دانش‌آموز، روابط بین زوجین و همچنین بررسی تعاملات اجتماعی در افراد مبتلا به اختلالات عصبی و شناختی بسیار مفید است."

جایگاه fNIRS در ایران

فناوری fNIRS در سال‌های اخیر در ایران نیز مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. این فناوری در مطالعات مختلف، از بررسی عملکرد شناختی گرفته تا تحلیل بیماری‌های نورولوژیکی، کاربرد دارد.

کهزاد درباره استفاده از این روش در ایران می‌گوید: "در حال حاضر، محققان ایرانی از fNIRS برای مطالعه بیماری‌هایی مانند اوتیسم، افسردگی و زوال عقل استفاده می‌کنند. با پیشرفت‌های مداوم در این فناوری، انتظار داریم دقت و کارایی آن افزایش یابد و در آینده نزدیک، به‌عنوان یکی از ابزار‌های استاندارد در تحقیقات شناختی و بالینی مورد استفاده قرار گیرد."

نقش fNIRS در آینده علوم اعصاب ایران

طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک، به‌عنوان یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی، نقش مهمی در پیشبرد تحقیقات علوم شناختی، روانشناسی، تعاملات اجتماعی و علوم اعصاب ایفا می‌کند.

مزیت‌های کلیدی این روش شامل راحتی استفاده، قابلیت حمل، هزینه پایین‌تر نسبت به fMRI، و امکان ثبت همزمان فعالیت مغزی چند نفر است. با این حال، محدودیت‌های آن از جمله عدم توانایی در بررسی نواحی عمیق مغز و وضوح زمانی پایین‌تر نسبت به EEG، باعث شده که این روش بیشتر به‌عنوان یک ابزار مکمل در کنار دیگر روش‌های تصویربرداری مورد استفاده قرار گیرد.

در نهایت، fNIRS با پیشرفت فناوری و افزایش دقت آن، می‌تواند نقش مهم‌تری در تحقیقات علوم شناختی، آموزش، روانشناسی، و حتی کاربرد‌های بالینی ایفا کند.

انتهای پیام/