Λειτουργική μελέτη εγκεφάλου με την τεχνική fNIRS (Functional Near-Infrared Spectroscopy)

Abstract

Η λειτουργική φασματοσκοπία εγγύς υπερύθρου (fNIRS), αποτελεί μία σχετικά νέα μη επεμβατική μέθοδο νευροαπεικόνισης του εγκεφάλου, που παρακολουθεί τις αλλαγές στην αιμοδυναμική απόκριση εντός του φλοιού, αξιολογώντας την εγκεφαλική δραστηριότητα που σχετίζεται κυρίως με γνωστικές και κινητικές εργασίες. Η τεχνική fNIRS χρησιμοποιεί συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός, που εισάγονται μέσω του τριχωτού της κεφαλής και του κρανίου, στον εγκέφαλο, έτσι ώστε να γίνει καταγραφή της έντασης του φωτός που επιστρέφει στους ανιχνευτές, εξασθενημένο πλέον από φαινόμενα όπως αυτά της σκέδασης και της απορρόφησης. Μέσω της καταγραφής του εξασθενημένου φωτός μπορεί να υπολογιστούν οι αλλαγές των σχετικών αναλογιών των συγκεντρώσεων της οξυγονωμένης (HbO2) και αποξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης (HbR) στον εγκέφαλο, κατά την διάρκεια της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Η ιδιότητα της κάθε αιμοσφαιρίνης, να έχει το δικό της μοναδικό φάσμα απορρόφησης, εντός του συγκεκριμένου εύρους μηκών κύματος φωτός που χρησιμοποιεί η μέθοδος fNIRS, παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην πραγματοποίηση όλων των παραπάνω διαδικασιών. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, γίνεται αρχικά μια αναφορά στην βασική ανατομία, το νευρικό σύστημα και την φυσιολογία του εγκεφάλου, διότι είναι σημαντικό να είναι γνωστά κάποια βασικά στοιχεία της λειτουργίας και της δομής αυτού, ώστε να συνεχιστεί η περαιτέρω ανάλυση της μελέτης του και της λειτουργίας του συστήματος fNIRS. Στη συνέχεια γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή της εξέλιξης των συστημάτων fNIRS, για να παρουσιαστεί η πρόοδος που έχει πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια στα συστήματα αυτά. Το θεωρητικό κομμάτι της διπλωματικής εργασίας συνεχίζεται με την περιγραφή της λειτουργίας και των φυσικών αρχών του συστήματος fNIRS, αναλύοντας τα φαινόμενα διασποράς, απορρόφησης και τον νόμο Beer-Lambert. Ακολουθούν η περιγραφή των διαφορετικών τύπων φασματόμετρων που υπάρχουν, καθώς και σύγκριση αυτών μεταξύ τους. Ένα μεγάλο κεφάλαιο αποτελούν οι εφαρμογές της τεχνικής fNIRS, οι οποίες σχετίζονται κυρίως με τους κλάδους της νευρολογίας, της ψυχιατρικής, της εκπαίδευσης και της γνωστικής νευροεπιστήμης, με τους ερευνητές να προσπαθούν να εξελίξουν όλο και περισσότερο τις εφαρμογές αυτής της μεθόδου σε περισσότερους τομείς, με σκοπό την κατανόηση της λειτουργικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Επίσης έχει γίνει αναφορά και σε άλλες μεθόδους νευροαπεικόνισης, όπου συγκρίνονται με την τεχνική fNIRS και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεθόδου fNIRS. Τέλος στο θεωρητικό κομμάτι, γίνεται μια αναφορά γενικότερα στον εξοπλισμό των συστημάτων fNIRS, καθώς και στην επεξεργασία και ανάλυση των δεδομένων που λαμβάνονται από αυτά. Στο πειραματικό στάδιο της διπλωματικής εργασίας, έγινε μια προσπάθεια δημιουργίας μιας σειράς πρωτοκόλλων λήψης και επεξεργασίας δεδομένων, με την εφαρμογή της συσκευής fNIRS 2000c σε έναν συμμετέχοντα, για την καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας σε καταστάσεις ηρεμίας και δραστηριότητας, μέσα από πέντε διαφορετικούς τύπους δοκιμασιών, που περιείχαν εντολές κλιμακωτής δυσκολίας, για αυξημένη απαίτηση εγκεφαλικής λειτουργίας. Μετά την εφαρμογή φίλτρου αφαίρεσης υψηλών συχνοτήτων και στατιστικής επεξεργασίας των δεδομένων καταγραφής, βγήκαν συμπεράσματα και σχολιάστηκαν. Η δοκιμασία παρατηρητικότητας εμφάνισε καλύτερο διαχωρισμό των περιόδων ηρεμίας, δραστηριότητας και διαφοράς βαθμού δυσκολίας στα περισσότερα οπτόδια, τα δεδομένα που λήφθηκαν εξαρτιόνταν από τον τύπο της δοκιμασίας (π.χ. ομιλία, κίνηση) και οι παράμετροι HbO2, HbR, HbT (άθροισμα αιμοσφαιρινών), Difference Hb (διαφορά αιμοσφαιρινών), παρείχαν διαφορετικές πληροφορίες, επιλέγοντας κάθε φορά διαφορετική για την ανάδειξη καλύτερου διαχωρισμού των περιόδων ηρεμίας και δραστηριότητας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι δεν είναι επαναλήψιμο και σίγουρο ότι μόνο η HbO2 ή η HbR δίνει καλύτερη πληροφορία, αλλά και ο συνδυασμός αυτών.