Casque Kernel Flow. Crédit : Image fournie par Kernel
Un nouveau dispositif portable en forme de casque permet de surveiller l’activité cérébrale.
Les progrès récents des techniques d’imagerie cérébrale facilitent les observations précises et à haute résolution du cerveau et de ses fonctions. Par exemple, la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) est une technique d’imagerie non invasive largement utilisée qui utilise une lumière proche de l’infrarouge (longueur d’onde de 700 nm) pour déterminer la concentration relative d’hémoglobine dans le cerveau, par le biais de différences dans les profils d’absorption de l’hémoglobine.
La plupart des systèmes non invasifs de balayage du cerveau utilisent le fNIRS à ondes continues, où le tissu est irradié par un flux constant de photons. Cependant, ces systèmes ne peuvent pas différencier les photons diffusés des photons absorbés. Un progrès récent de cette technique est le fNIRS dans le domaine temporel (TD), qui utilise des impulsions de lumière picosecondes et des détecteurs rapides pour estimer la diffusion et l’absorption des photons dans les tissus. Cependant, ces systèmes sont coûteux et complexes et ont un facteur de forme important, ce qui limite leur adoption à grande échelle.
Pour surmonter ces difficultés, des chercheurs de Kernel, une entreprise de neurotechnologie, ont mis au point un casque portable basé sur la technologie TD-fNIRS. Ce dispositif, appelé “Kernel Flow,&rdquo ; pèse 2,05 kg et contient 52 modules disposés en quatre plaques qui s’adaptent de chaque côté de la tête. Les spécifications et les performances du système Kernel Flow sont présentées dans le Journal of Biomedical Optics (JBO).
Les modules du casque comportent deux sources laser qui génèrent des impulsions laser de moins de 150 picosecondes. Les photons sont ensuite réfléchis par un prisme et combinés dans un conduit de lumière source qui dirige le faisceau vers le cuir chevelu. Après avoir traversé le cuir chevelu, les impulsions laser sont capturées par six tubes lumineux de détection à ressort de 2 mm de diamètre, puis transmises à six détecteurs disposés en hexagone à 10 mm de la source laser. Les détecteurs enregistrent les temps d’arrivée des photons sous forme d’histogrammes et sont capables de traiter des taux de comptage de photons élevés (plus de 1 × ; 10 9 comptes par seconde).
Pour démontrer ses performances, le système Kernel Flow a été utilisé pour enregistrer les signaux cérébraux de deux participants qui effectuaient une tâche consistant à taper du doigt. Pendant la session de test, les histogrammes de plus de 2 000 canaux ont été recueillis dans tout le cerveau pour mesurer les changements dans les concentrations d’oxyhémoglobine et de désoxyhémoglobine. Nous avons démontré une performance similaire à celle des systèmes de laboratoire avec notre dispositif miniaturisé, comme le montrent les protocoles standardisés de tissus et de fantômes optiques pour les résultats de TD-fNIRS et de neuroscience humaine “, explique Ryan Field, directeur de la technologie chez Kernel et auteur correspondant de l’étude.
Bien que les résultats soient prometteurs, M. Field reconnaît la nécessité d’effectuer davantage de tests, car la lumière proche de l’infrarouge est absorbée différemment par certains types de cheveux et de peaux. Nous sommes également en train d’évaluer les performances du système avec différents types de cheveux et de peau, dit-il.
Kernel Flow regroupe des systèmes TD-fNIRS à grande échelle sous une forme portable, offrant ainsi la prochaine génération de dispositifs d’imagerie cérébrale optique non invasive. Des systèmes comme Kernel Flow rendront la neuro-imagerie beaucoup plus accessible, ce qui permettra d’en tirer des avantages considérables pour la santé et la science. Par exemple, la FDA a récemment autorisé une étude utilisant le système Kernel Flow pour mesurer l’effet psychédélique de la kétamine sur le cerveau. Dimitris Gorpas, du Helmholtz Zentrum de Munich, un centre de recherche allemand sur la santé environnementale, a déclaré : “Il s’agit du premier système TD-FNIRS portable à couverture intégrale de la tête qui maintient ou améliore les performances des systèmes de paillasse existants et qui a le potentiel d’accomplir sa mission de généralisation des mesures neurologiques. Je suis vraiment impatient de découvrir ce que le cerveau a encore à révéler.
Référence : “Kernel Flow : a high channel count scalable time-domain functional near-infrared spectroscopy system&rdquo ; by Han Y. Ban, Geoffrey M.. Barrett, Alex Borisevich, Ashutosh Chaturvedi, Jacob L. Dahle, Hamid Dehghani, Julien Dubois, Ryan M. Field, Viswanath Gopalakrishnan, Andrew Gundran, Michael Henninger, Wilson C. Ho, Howard D. Hughes, Rong Jin, JulianKates-Harbeck, Thanh Landy, Michael Leggiero, Gabriel Lerner, Zahra M. Aghajan, Michael Moon, Isai Olvera, Sangyong Park, Milin J. Patel, Katherine L. Perdue, Benjamin Siepser, Sebastian Sorgenfrei, Nathan Sun, Victor Szczepanski, Mary Zhang et Zhenye Zhu, 18 janvier 2022, Journal of Biomedical Optics .
DOI : 10.1117/1.JBO.27.7.074710
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