Британские исследователи впервые испытали LUMO — портативный прибор для функциональной ИК-спектрометрии головного мозга — на шестимесячных младенцах. С помощью шапочки ученым удалось оценить активность мозга в лобных и височных долях при прослушивании детьми речи и других звуков. С помощью устройства ученым удалось добиться высокого пространственного разрешения визуализации.

Кроме того, LUMO практически полностью портативно: активность мозга младенцев можно изучать в том числе и в естественной среде — дома, пишут ученые в журнале NeuroImage.

Использование большинства методов нейровизуализации требуют минимальной подвижности участников: их движения во время исследования ограничены либо самой конструкцией аппарата (как в случае с фМРТ и МЭГ), либо высокой вероятностью погрешности (как в случае с ЭЭГ — впрочем, современные методы обработки позволяют убрать значительную часть моторных артефактов). Разумеется, взрослых участников исследований можно попросить лежать или сидеть смирно, но ситуация становится намного сложнее, когда исследования необходимо провести, например, на маленьких детях.

Простое решение — подождать, пока ребенок уснет, и уже тогда класть его, спящего, в томограф. Это, однако, может сильно ограничить исследование: таким образом нельзя изучить активность бодрствующего мозга. В последние годы в исследованиях с участием маленьких детей ученые используют методы спектроскопии — например, функциональной спектроскопии в ближней инфракрасной области (фБИКС). По принципу работы этот метод схож с фМРТ: так как гемоглобин хорошо поглощает инфракрасное излучение, ИК-спектроскопия позволяет визуализировать активность отдельных участков мозга.

С помощью фБИКС ученые уже проводили исследования с участием младенцев трехдневного возраста (тогда удалось выяснить, что в непрерывном потоке речи они могут выделять слова), а также изучали синхронизацию активности мозга маленьких детей и родителей во время игры. При этом ограничения у фБИКС все же есть: несмотря на портативность, у устройства довольно массивный контрольный модуль, к которой должен быть подключен каждый канал шапочки — подобно ЭЭГ.

Чтобы избавиться от всех недостатков фБИКС-устройств, несколько лет назад исследователи из лаборатории Gowerlabs при Королевском колледже в Лондоне создали LUMO — шапочку для функциональной ИК-спектрометрии со съемными модулями, каждый из которых оснащен излучающими светодиодоми и принимающими фотодиодами. Такая шапочка не требует прямого подключения каждого приемника к контрольному устройству через провода.

Всего для шапочки доступно два контрольных устройства, одно из которых даже можно носить с собой (что позволяет использовать устройство даже дома). Сами исследования можно проводить двумя методами. Помимо стандартной фБИКС, LUMO также позволяет проводить исследования с помощью диффузионной оптической визуализации (ДОВ) — разновидности ИК-спектрометрии, позволяющий реконструировать активность мозга трехмерно, а не в виде кривой.

Протестировать ДОВ с использованием LUMO на маленьких детях решили Роберт Купер (Robert Cooper) из Королевского колледжа в Лондоне: в их исследовании приняли участие 20 полугодовалых младенцев. Каждому из них надели шапочки с приемниками в области височных и лобных долей, а во время самого эксперимента участники, сидя на коленах у родителей, смотрели видео с женщиной, которая произносила слава или показывала руками какие-то движения под звуки либо речи, либо шума окружающей среды.

В результате ученым удалось получить отдельные карты активности мозга в трех условиях: при наблюдении за говорящей женщиной, молчащей женщиной со звуками на фоне и молчащей женщиной в полной тишине. Использование ДОВ позволило трехмерно визуализировать активность участков с высоким пространственным разрешением — сравнимо с фМРТ.

Активность мозга младенцев при прослушивании (сверху вниз) речи, посторонних звуков и в тишине. Слева — отмечены участки, насыщенные оксигемоглобином (гемоглобин с четырьмя присоединенными молекулами кислорода), справа — участки, насыщенные дезоксигемоглобином / Robert Cooper et al. / NeuroImage, 2020

Ученые, таким образом, впервые продемонстрировали эффективность использования портативного функционального ИК-спектрометра в экспериментах с участием маленьких детей. Также авторы работы уточнили, что шапочку можно использовать и вне лабораторий: используемый метод позволит изучать активность мозга детей и в привычных для них условиях — дома.