На пути к портативному детектору сотрясения мозга, использующему инфракрасный лазер

Не имея возможности достоверно определить, есть ли у спортсмена сотрясение мозга, многие могут играть с невыявленной травмой. Точно так же 2 миллиона человек умирают каждый год, потому что у нас нет раннего предупреждения, когда клетки мозга умирают, и еще 4 миллиона испытывают когнитивные нарушения.

Теперь команда врачей и инженеров разработала неинвазивный способ измерения мозг клетки терпят бедствие с помощью инфракрасного лазера. Их устройство использует оптические волокна для доставки импульсов инфракрасного света на лоб человека. Этот свет может проникать через кожу и череп в мозг, не причиняя вреда. Он взаимодействует с важной для метаболизма молекулой, называемой цитохром С оксидазой, или ССО.

Хотя существующие технологии могут дать информация в реальном времени о том, получает ли мозг кислород, это новое устройство дает информацию о том, способны ли клетки мозга использовать этот кислород. Эта информация может позволить диагностировать сотрясения мозга в кулуарах спортивного события. Кроме того, это может обеспечить быструю обратную связь, поскольку врачи корректируют лечение в реанимации, операционной или отделении интенсивной терапии.

Мохаммед Ислам, профессор электротехники и компьютерных наук, представит исследование в воскресенье на Суперкубке на конференции Photonics West в Сан-Франциско. Он и его сотрудники из Мичиганской Медицины, Школы Кинезиологии и Колледжа Литературы, Науки и Искусств рассказали нам о том, как работает новая техника.

Каким пациентам это может помочь?

Стивен Броглио, директор Мичиганского центра сотрясений и профессор спортивной подготовки: сотрясения мозга в легкой атлетике были в центре внимания в течение предыдущего десятилетия, но солдаты также подвергаются высокому риску. Сотрясение может случиться с кем угодно.

В настоящее время не существует ни одного теста, способного диагностировать сотрясение мозга. Там нет сканирования, нет анализ кровинет компьютерного теста. В настоящее время мы полагаемся на клиническое обследование и интерпретацию со стороны медицинского поставщика, поэтому диагноз является субъективным. Мы полагаем, что эта технология является первым шагом в изменении этой технологии путем измерения метаболизма мозга, что может привести к более быстрой и точной диагностике.

Чем быстрее вы обнаружите сотрясение мозга, тем быстрее вы сможете начать процесс восстановления отдыха и постепенного возвращения к нормальной деятельности. Исследования последних 10 лет показали, что более ранний отдых может сократить время восстановления, помогая людям вернуться в школу, на работу и военную службу.

Рэйчел Руссо, травматолог и хирург неотложной помощи и клинический лектор: это устройство может направлять лечение более серьезных травм головного мозга и других состояний, которые подвергают мозг риску. В самом широком применении он может помочь пациентам, у которых артериальное давление падает настолько, что не хватает кровотока для нормального функционирования клеток. Это может случиться, когда человек очень болен или потерял слишком много крови. Нам нужно держать их в «зоне Златовласки» — их кровяное давление должен быть достаточно высоким, чтобы снабжать клетки кислородом, и достаточно низким, чтобы препятствовать кровотечению в поврежденных тканях.

В отделении реанимации и отделении интенсивной терапии или отделении интенсивной терапии пациентов иногда держат в медицинских комах, пока они излечиваются от черепно-мозговых травм. Это было бы первое устройство, которое может измерить, насколько хорошо их клетки мозга делают прямо в больничной палате.

Что говорит измерение оксидазы цитохрома С?

Юлия Ковельман, адъюнкт-профессор психологии: она может сказать нам, здорова ли ткань, правильно ли она метаболизируется или «питается» — например, мозг здорового человека по сравнению с мозгом человека, который получил сотрясение мозга или болезнь Альцгеймера, амиотрофический боковой склероз (БАС) или другие виды дисфункции или травмы головного мозга.

Руссо: CCO уменьшается, когда клетки находятся в бедственном положении. Одна из проблем заключается в том, что мы не знаем, существует ли универсальный порог, который сигнализирует о проблеме, как у нас есть нормальные диапазоны для различных маркеров, когда мы проводим анализ крови. Это одна из областей, которую мы хотим изучить в будущем.

Но даже без порога для действия, мы полагаем, что мы могли бы наблюдать, как клеточный метаболизм пациента изменяется со временем, и соотносить его с другими жизненно важными признаками. Это может дать нам ранние признаки того, как они выздоравливают и нужно ли более агрессивное лечение.

Как устройство измеряет CCO?

Ислам: есть часть CCO, которая возбуждается светом с длинами волн от 750 до 900 нанометров. Если вы натяните струну на скрипке, вы услышите ее резонансную частоту. У CCO, если хотите, есть струна, которую мы отрываем нашим лазером, и мы видим резонансную частоту в свете, который мы записываем.

Почему это не было сделано раньше?

Ислам: в предыдущих экспериментах использовались инфракрасные лампы, но сигнал от CCO не очень отчетлив. Гемоглобин, который говорит нам об уровнях кислорода в крови, также реагирует на диапазон длин волн, которые мы используем для исследования CCO, и он в 10-20 раз больше в тканях человека. Нам нужен был более сильный сигнал от CCO, чтобы отличить его от гемоглобина и других молекул в организме, и мы получили более сильный отклик, используя лазер, который почти в 10 раз ярче ламп.

Это увеличение яркости, наряду с методами измерения для подавления шума во время измерений, имело решающее значение для обеспечения убедительных измерений CCO во время тестов когнитивного внимания с помощью портативного неинвазивного устройства. Такие тесты внимания часто используются с пациентами с сотрясением мозга.

Что показали твои эксперименты?

Ковельман: В нашем исследовании мы попросили участников выполнить задание на внимание, разработанное Дэниелом Вейсманом, профессором психологии, познания и когнитивной нейробиологии. Эта задача может быть использована для изучения здорового внимания, такого как развитие внимания у детей или дисфункция внимания у людей, которые могут иметь травму головного мозга или сотрясение мозга.

Когда люди выполняли эту задачу внимания, мы увидели увеличение притока кислорода к лобной доле мозга — той части мозга, которая находится за нашим лбом и необходима для возможности присутствия. Наряду с увеличением оксигенированного кровотока мы также наблюдали изменение окислительно-восстановительного состояния CCO в мозге — другими словами, по мере увеличения снабжения кислородом увеличивалось и потребление кислорода нейронами лобной доли, которые были заняты обслуживанием. задача. Это означает, что наш новый метод может эффективно измерять метаболизм мозга, индекс функции мозга.

Все клетки используют кислород и энергию, а не только в мозге. Может ли это устройство искать проблемы в других органах?

Руссо: Мы думаем, что можем. Нам пришлось бы регулировать глубину измерения, но мы могли бы наблюдать другие органы, подверженные риску отказа — например, сердце, легкие или почки.