שימוש באור ובקול כדי לחשוף פעילות מוחית מהירה בפירוט חסר תקדים: חוקרי דיוק משתמשים בשילוב של חידושי חומרה ואלגוריתמים של למידת מכונה כדי ליצור את כלי ההדמיה הפוטו-אקוסטית המהיר ביותר הזמין

גישת הדמיה חדשה זו שוברת מחסומי מהירות ורזולוציה ארוכי שנים בטכנולוגיות הדמיית מוח ויכולה לחשוף תובנות חדשות לגבי מחלות נוירווסקולריות כמו שבץ מוחי, דמנציה ואפילו פגיעה מוחית חריפה.

המחקר הופיע ב-17 במאי בכתב העת Nature אור: מדע ויישומים.

הדמיה של המוח היא פעולת איזון. הכלים צריכים להיות מהירים מספיק כדי ללכוד אירועים מהירים, כמו ירי נוירון או דם שזורם דרך נימי דם, והם צריכים להראות פעילות בקנה מידה שונה, בין אם זה על פני כל המוח או ברמה של עורק בודד.

"אתה יכול להשיג את הדברים האלה בנפרד, אבל זה מאוד קשה לעשות את כולם ביחד", אמר ג'ונג'י יאו, עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית ב-Duke. "זה כמו לבחור בין רכב מהיר שהוא קטן ולא נוח לישיבה, או מכונית גדולה ומרווחת שלא עוברת 30 ק"מ לשעה. במשך זמן רב לא הייתה דרך להשיג את כל מה שאתה רצה בבת אחת."

במחקר החדש שלהם, יאו והצוות שלו דנים כיצד הם פתרו את הפשרה ארוכת השנים הזו על ידי פיתוח מיקרוסקופיה פוטו-אקוסטית מהירה במיוחד, או UFF-PAM.

מיקרוסקופיה פוטו-אקוסטית משתמשת בתכונות האור והקול כדי ללכוד תמונות מפורטות של איברים, רקמות ותאים בכל הגוף. הטכניקה משתמשת בלייזר כדי לשלוח אור לתוך רקמה או תא ממוקדים. כאשר הלייזר פוגע בתא, הוא מתחמם ומתרחב באופן מיידי, ויוצר גל קולי החוזר בחזרה לחיישן.

UFF-PAM מסתמך על שילוב של התקדמות חומרה ואלגוריתמים של למידת מכונה כדי לשדרג את הטכניקה. בצד החומרה, מערכת סריקת מצולע שולחת יותר פרצי לייזר לאזור גדול יותר בעוד שמנגנון סריקה חדש מאפשר לסורק הלייזר ולחיישן האולטרסאונד לפעול בו זמנית. לדברי יאו, שינויים אלו הכפילו את מהירות המכשיר שלהם, מה שהפך את UFF-PAM לטכנולוגיית ההדמיה המהירה ביותר בקהילה הפוטו-אקוסטית.

לאחר מכן יאו והצוות שלו פיתחו אלגוריתם למידת מכונה ששיפר את הרזולוציה של התמונות שלהם. הם אימנו אותו לזהות כלי דם במוח באמצעות למעלה מ-400 תמונות של מוחות עכברים שנאספו בניסויים קודמים. למרות שכל מוח הוא ייחודי, האלגוריתם למד כיצד לזהות מבנים נפוצים והשתמש בידע הזה כדי למלא פיקסלים שחסרו בעבר.

"התמונות שהתקבלו נראו מפורטות כמו התמונות ברזולוציה גבוהה שהיינו מקבלים בדרך כלל אם היינו הולכים במהירות הרבה יותר איטית, ולא היינו צריכים להקריב שדה ראייה מלא", אמר יאו.

כהוכחה לקונספט, הצוות השתמש ב-UFF-PAM כדי להמחיש כיצד כלי דם במוח של עכבר הגיבו להיפוקסיה, תת לחץ דם שנגרם על ידי תרופות ושבץ איסכמי. במהלך אתגר ההיפוקסיה, UFF-PAM עקבה אחר האופן שבו חמצן עובר במוח והראה שרמות נמוכות של חמצן גורמות לכלי הדם להתרחב.

באתגר השני, הצוות השתמש בתרופה סודיום ניטרופרוסיד (SNP), המשמשת בדרך כלל לטיפול בלחץ דם גבוה. בעבר, חוקרים חשבו ש-SNP גורם לכל כלי הדם במוח להתרחב. אבל יאו והצוות שלו במקום זאת הראו שרק כלי הדם הגדולים יותר נפתחים, בעוד שכלי דם קטנים יותר מתכווצים.

"מכיוון שקיבלנו במהירות תצוגה ברזולוציה גבוהה של הכלים הקטנים יותר, ראינו שהתרחבות היא למעשה לא התגובה האוניברסלית לתרופה", אמר יאו. "ראינו שהכלים הקטנים האלה לא יכלו לספק מספיק חמצן וחומרי הזנה לרקמה, מה שגרם לנזק".

באתגר האחרון, הצוות השתמש ב-UFF-PAM כדי לראות כיצד המוח מגיב לשבץ ומתחיל להתאושש. הצוות ראה שמיד לאחר אירוע מוחי, כלי הדם באזור הפגוע מתכווצים. זה גורם לכלי השכנות שלהם להתכווץ גם בתופעה הנקראת גל דפולריזציה מתפשט. בגלל שדה הראייה הגדול ומהירות ההדמיה הגבוהה, הצוות הצליח לאתר במדויק את עמדת ההתחלה של הגל ולעקוב אחר תנועתו תוך כדי התפשטותו בכל המוח.

במבט קדימה, הצוות שואף להשתמש ב-UFF-PAM כדי לחקור מודלים נוספים של מחלות מוח, כמו דמנציה, מחלת אלצהיימר או אפילו Long COVID. הם גם מתכננים להרחיב את השימוש בכלי מחוץ למוח לצילום איברים כמו הלב, הכבד והשליה. איברים אלה היו מאתגרים באופן מסורתי לצלם מכיוון שהם תמיד בתנועה, כך שכלי הדמיה צריכים לפעול במהירות גבוהה יותר.

"יש הרבה שאנחנו יכולים לעשות עם הטכנולוגיה הזו עכשיו, לאחר שטיפלנו במחסומים ארוכי השנים האלה", אמר יאו. "אנחנו מנסים לבחור את הפרויקטים המאתגרים ביותר לעבוד עליהם כדי למקסם את ההשפעה של הטכנולוגיה הזו."

עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהמכונים הלאומיים לבריאות (R01 EB028143, R01 NS111039, RF1 NS115581, R21 EB027304, R21EB027981, R43 CA243822, R43 CA2394581, R43 CA2394581, R43 CA2394581, ו-R43 CA2394581), R43 CA2394581, 7A American Award, R43 CA2394581, ו-R43 CA2394581, R43 CA2394581, ו-R43 CA2394581, R43 CA2394581, ו-R43 CA2394581, 7A פרס אמריקאי מענק יוזמת צ'אן צוקרברג על הדמיית רקמות עמוקות 2020-226178 על ידי קרן הקהילה של עמק הסיליקון.