Functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) is een instrument dat wordt gebruikt om indirect de hersenactiviteit te meten door de bloedstroom in de hersenen te volgen. In tegenstelling tot de populaire fMRI, die de magnetische eigenschappen van het bloed meet, meet fNIRS de optische eigenschappen van het bloed.
Biofysische grondslagen
De optische eigenschappen van een materiaal hebben betrekking op hoe het materiaal met licht interageert. De eigenschappen die belangrijk zijn voor fNIRS zijn transmissie en absorptie: glas laat bijvoorbeeld licht door. Een materiaal als steenkool daarentegen lijkt donker omdat het licht van bijna alle golflengten absorbeert, wat betekent dat er weinig licht van de steenkool komt dat wij kunnen zien.
Deze eigenschappen worden relevant in de neurowetenschap wanneer we kijken naar de infrarode golflengte. Infraroodlicht (de IR in fNIRS) is onzichtbaar voor het blote oog en kan door menselijk weefsel heen gaan, waaronder huid, botten en hersenweefsel. Het is belangrijk om te beseffen dat, net als glas en steenkool, verschillende soorten menselijk weefsel ook op hun eigen unieke manier licht absorberen en doorlaten. Als je bijvoorbeeld infraroodlicht afzonderlijk door de huid (lage absorptie zoals glas) en botten (hoge absorptie zoals steenkool) stuurt, kun je meten hoeveel licht de andere kant bereikt om te bepalen welke van de twee het is. Het zwakkere van de twee lichtsignalen (d.w.z. meer geabsorbeerd licht) moet bot zijn.
Om met deze procedure hersenactiviteit te meten, kunnen we bloedcellen gebruiken. In bloedcellen zit een eiwit dat hemoglobine heet en dat zuurstof kan transporteren naar waar het lichaam dat nodig heeft. Het bestaat dus in twee toestanden: 1) zuurstof transporteren (geoxygeneerd hemoglobine) en 2) geen zuurstof transporteren (gedeoxygeneerd hemoglobine). Cruciaal is dat deze twee toestanden van hemoglobine verschillende hoeveelheden infraroodlicht absorberen, zodat ze met fNIRS kunnen worden onderscheiden.
Het volledige proces ziet er als volgt uit: wanneer een hersengebied wordt geactiveerd, heeft het meer zuurstof nodig, waardoor er een toestroom van geoxygeneerd hemoglobine in dat gebied komt. Als gevolg daarvan zal het actieve gebied een hogere verhouding tussen zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine hebben. Wanneer de verhouding verandert, kunnen we dit detecteren door met fNIRS te meten hoeveel infraroodlicht werd geabsorbeerd voordat het hersengebied actief werd (vóór de zuurstof instroom) in vergelijking met hoeveel er wordt geabsorbeerd tijdens de activering (na de zuurstof instroom). Samengevat meet fNIRS de verandering in de verhouding tussen zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine in bloedcellen in de loop van de tijd door de verandering in de hoeveelheid geabsorbeerd infraroodlicht te detecteren.
Praktische toepassing
Zo werkt fNIRS in de praktijk: net zoals bij elektro-encefalografie (EEG) elektroden op de hoofdhuid worden geplakt om elektriciteit te meten, worden bij fNIRS zogenaamde optodes op de hoofdhuid gezet om licht te meten. Optodes zijn kleine cilindervormige knopjes die zowel als zender als detector kunnen fungeren. De zender bevat een led die infraroodlicht door de huid en de schedel naar de hersenen stuurt, waar zich de bloedvaten bevinden. De detector bevat een detectieapparaat dat de intensiteit meet van het licht dat met succes door het weefsel tussen de zender en de detector is gegaan zonder onderweg te worden geabsorbeerd (zie het gedeelte van de afbeelding met het label “fNIRS”). Om een goede dekking van de hersenen te garanderen, worden zenders en detectoren gewoonlijk min of meer afwisselend op de hoofdhuid geplaatst.
(Bron: Wikimedia Commons)
Elk zender-detectorpaar wordt een kanaal genoemd en meet één locatie in de hersenen. Kanalen worden over de hoofdhuid verdeeld om verschillende delen van de hersenen te meten. Ze worden daarom aan een kapje (zie afbeelding hieronder) bevestigd, dat ze stevig tegen het hoofd drukt om ervoor te zorgen dat het licht rechtstreeks door de hoofdhuid binnenkomt, zonder dat er lucht of haar tussen zit. Door verstrooiing is het pad van het licht van de zender naar de detector niet recht, maar gebogen, waardoor het meer op een banaan lijkt. Bovendien beïnvloedt de afstand tussen de zender en de detector de concrete vorm van het pad van het licht, wat cruciaal is voor de diepte van de meting. Als de zender en detector bijvoorbeeld te dicht bij elkaar staan, zal het licht een sterk gebogen en zeer kort pad afleggen, waarbij het alleen door de huid of het bot gaat zonder het hersenweefsel te bereiken. In dit geval verkrijgen we geen gegevens over de hersenen. Als de zender en detector te ver uit elkaar staan, zal het licht een zwak gebogen en zeer lang pad afleggen dat diep in de hersenen doordringt. Dit geval is problematisch omdat het gedetecteerde signaal op elk punt langs het lange pad van het licht kan zijn ontstaan. Met andere woorden, het signaal wordt ruimtelijk aspecifiek (zie ruimtelijke resolutie).
(Bron: Wikimedia Commons)
Sterke en zwakke punten
Hoewel fNIRS minder populair is dan andere neuroimagingmethoden, zoals fMRI, heeft het een aantal aantrekkelijke sterke punten. Ten eerste zijn fNIRS-sets, met een prijs vanaf ongeveer 10.000 euro, redelijk betaalbaar in vergelijking met een MRI-scanner, die miljoenen euro's kost. Een tweede groot voordeel van fNIRS is de draagbaarheid. Sommige fNIRS-apparaten zijn speciaal ontworpen voor draagbaarheid, wat betekent dat alle benodigde apparatuur klein genoeg is om in een kofferbak te worden vervoerd, in tegenstelling tot de zeer grote MRI-apparatuur. Door deze draagbaarheid is fNIRS erg geschikt voor gebruik buiten het traditionele laboratorium. Vooral omdat de optodes zeer strak tegen de hoofdhuid worden gedrukt, is het risico dat bewegingen het signaal verstoren veel kleiner dan bij EEG. Deze algehele flexibiliteit stelt onderzoekers in staat om hersenactiviteit te meten in omgevingen waar deelnemers zich vrijer en natuurlijker kunnen bewegen. Op deze manier wordt het mogelijk om bijvoorbeeld de effecten te bestuderen van een wandeling door de buurt of van het maken van consumentenkeuzes in een echte supermarkt. Dit soort onderzoeken zijn mogelijk omdat de kap die de optodes op de hoofdhuid drukt ervoor zorgt dat ze niet wegglijden. Op die manier kunnen we er zeker van zijn dat het gemeten signaal altijd afkomstig is van dezelfde locatie. Een andere toepassing van fNIRS is het bezoeken van patiënten thuis, zodat ze niet naar een onderzoekscentrum hoeven te reizen om hersenmetingen te laten uitvoeren.
Het belangrijkste nadeel van fNIRS is dat het alleen de oppervlakkige lagen van de hersenen kan bereiken (ongeveer 1,5 cm diep in de cortex). Omdat de optodes op een bepaalde afstand van elkaar moeten worden geplaatst, kan het signaal niet doordringen tot diepe subcorticale structuren, zoals de hippocampus, die met fMRI makkelijker te bereiken zijn. Bovendien, omdat optodes ver genoeg uit elkaar moeten worden geplaatst om in de hersenen te kunnen komen, vertegenwoordigt elk kanaal een gebied in de hersenen van ~1 cm, wat vrij groot is. Hoewel dit niet zo grof is als EEG-gegevens, is het nog steeds inferieur aan de veel betere resolutie van fMRI met een bereik van enkele millimeters of zelfs minder. Wat de tijdsresolutie betreft, bevindt fNIRS zich in het middensegment, omdat het hersenactiviteit van tienden van seconden kan detecteren. Het is langzamer dan EEG, dat gebeurtenissen in de hersenen van milliseconden kan detecteren, en sneller dan fMRI, dat in de meeste gevallen gebeurtenissen van seconden kan detecteren. Een andere interessante overweging is dat deelnemers met dik, donker haar niet de voorkeur genieten voor fNIRS-onderzoek. Dit komt doordat het donker haar tussen de huid en de zender meer infraroodlicht absorbeert, wat leidt tot een zwakker signaal.
Samenvatting
Samenvattend is fNIRS een relatief betaalbaar en draagbaar meetinstrument dat veranderingen in de zuurstofvoorziening van het bloed volgt door de absorptie van infraroodlicht te meten om conclusies te trekken over de hersenactiviteit. De betaalbaarheid, draagbaarheid en geschiktheid voor verschillende omgevingen maken het een aantrekkelijk meetinstrument voor neurowetenschappers, vooral voor diegenen die onderzoek willen doen buiten de muren van een onderzoekslaboratorium, zoals bij (immobiele) patiënten thuis of in alledaagse situaties. Het is ook mogelijk om fNIRS te combineren met andere methoden, zoals EEG. Op deze manier kan fNIRS de zeer slechte ruimtelijke resolutie van EEG compenseren en kan EEG op zijn beurt de matige temporele resolutie van fNIRS compenseren.
Auteur: Emil Stroecker
