Karanlık bir odada el fenerini parmağınızın ucuna bastırın. Parmağınız kırmızı kırmızı parlar. Işığın bir kısmı deriden, kemikten ve kandan geçip öbür taraftan çıkar. Hastanelerde parmağa takılan nabız oksimetresi de bu basit gözleme dayanır: kandaki oksijeni, içinden geçen ışığa bakarak ölçer.
fNIRS Bunu Nasıl Yapıyor?
fNIRS (fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi) aynı fikri kafaya uygular. Kafa derisine küçük ışık kaynakları ve onların birkaç santim yanına ışık dedektörleri yerleştiririz. Kaynaktan çıkan ışık doku içinde saçılır, bir kısmı beynin yüzeyine kadar inip geri döner ve dedektöre ulaşır. Dönen ışığın ne kadar azaldığına bakarak, o bölgedeki kanda neler olduğunu anlarız.
Neden Yakın Kızılötesi?
Görünür ışığın çoğu dokuya girer girmez yutulur. Ama yaklaşık 700–1000 nanometre arasındaki yakın kızılötesi ışık için biyolojik doku şaşırtıcı derecede “şeffaftır”. Bu “optik pencereyi” 1977’de Frans Jöbsis fark etti ve ışığın kafatasından geçip beyindeki oksijen değişimlerini gösterebildiğini gösterdi.
Bu pencerede işe yarayan asıl şey hemoglobindir. Oksijen taşıyan hemoglobin (HbO) ile oksijenini bırakmış hemoglobin (HbR) ışığı farklı dalga boylarında farklı miktarda yutar. İki ayrı dalga boyunda ölçüm yapınca, ikisinin miktarındaki değişimi ayrı ayrı hesaplayabiliriz.
Çalışan Bölge Kan İster
Beyin, enerji deposu olmayan bir organdır. Bir bölge çalışmaya başladığında oraya hızla taze, oksijenli kan gönderilir. Buna nörovasküler eşleşme diyoruz. Bunu yoğun saatte bir mahalleye ekstra otobüs seferi koyan bir belediye gibi düşünebilirsiniz: kalabalık artınca servis de artar, hatta ihtiyaçtan biraz fazlası gelir.
Sonuç olarak aktif bölgede oksijenli hemoglobin artar, oksijensiz hemoglobin azalır. fNIRS bu karşıt hareketi yakalar. Yani fNIRS nöronları doğrudan dinlemez, nöronların “sipariş verdiği” kanı izler.
Muz Şeklinde Bir Yol
Işık kaynaktan dedektöre düz bir çizgiyle gitmez. Dokuda saçılarak, muz şeklinde kavisli bir yol izler. Kaynakla dedektör arasındaki mesafe arttıkça bu muz daha derine iner ama dönen ışık da azalır. Pratikte yetişkinlerde yaklaşık 3 santimlik bir mesafeyle beynin dış yüzeyine, yani korteksin üst birkaç milimetresine ulaşırız. Daha derindeki yapılar fNIRS’in menzili dışındadır.
Çıktı Nasıl Görünür?
Her kaynak–dedektör çifti bir kanal oluşturur. Şekildeki S1-D1 gibi etiketler, hangi kaynakla hangi dedektörün eşleştiğini gösterir. Her kanal bize zaman içinde değişen iki eğri verir: oksijenli ve oksijensiz hemoglobindeki değişim.
Bu eğrileri görev sırasındaki belli bir zaman aralığında ortalayıp dinlenme anıyla karşılaştırınca, kafanın üzerinde bir renk haritası elde ederiz. Kırmızı bölgeler, görev sırasında oksijenli hemoglobinin belirgin biçimde arttığı, yani daha çok “kan sipariş eden” bölgelerdir. Mavi bölgelerde artış yoktur ya da azalma vardır.
EEG İle Karşılaştırınca
EEG stadyumdan gelen tezahüratı dinler: elektriksel etkinliği milisaniyeler içinde yakalar ama sesin tam olarak nereden geldiğini söylemekte zorlanır. fNIRS ise stadyuma giden otobüs trafiğini izler: kan akışındaki değişim birkaç saniyede ortaya çıkar, buna karşılık hangi bölgenin “kalabalıklaştığı” daha net görünür.
Bu yüzden ikisi rakip değil, tamamlayıcıdır. Birçok çalışmada EEG ve fNIRS aynı başlıkta birlikte kullanılır: biri “ne zaman”, diğeri “nerede” sorusuna daha iyi cevap verir.
Güçlü Ve Zayıf Yanları
Artıları:
- Taşınabilir ve sessizdir. Kişi bir tüpün içine yatmak zorunda kalmaz, masa başında, yürürken ya da alışveriş yaparken ölçüm alınabilir.
- fMRI’a göre harekete daha toleranslıdır ve çok daha ucuzdur.
- Bebeklerde ve çocuklarda rahatlıkla kullanılabilir.
Eksileri:
- Yalnızca beynin yüzeyini görür.
- Işık önce kafa derisinden geçtiği için deri altındaki kan akışı da sinyale karışır. Bunu ayıklamak için kısa mesafeli ek kanallar ve sinyal işleme yöntemleri kullanılır.
- Koyu ve gür saç ışığı engelleyebilir, optotları yerleştirmek sabır ister.
Laboratuvarda fNIRS
İnsan beyninde ilk fonksiyonel fNIRS ölçümleri 1992’de yapıldı. O günden bu yana tek kanallı cihazlardan bütün başı kaplayan, kablosuz sistemlere geçildi. Bizim laboratuvarımızda da tüm başı kaplayan, cihaz üzerinde yapay zeka çalıştırabilen geliştirilmiş bir fNIRS sistemi üzerinde çalışıyoruz. Bu çalışmanın son durumu için TÜSEB haberimize göz atabilirsiniz.
Kaynaklar
- Jöbsis, F. F. (1977). Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science, 198(4323), 1264–1267. doi:10.1126/science.929199
- Ferrari, M., Quaresima, V. (2012). A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application. NeuroImage, 63(2), 921–935. doi:10.1016/j.neuroimage.2012.03.049