Ближняя инфракрасная спектроскопия при шизофрении

      Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) является относительно новой методикой, которая может измерять изменения уровня гемоглобина в тканях мозга. Несмотря на то, что fNIRS имеет несколько недостатков (например, относительно низкое пространственное разрешение и возможность небольшого охвата глубоких структур мозга) по сравнению с другими функциональными методами нейровизуализации (например, функционального магнитного резонанса и позитронной эмиссионной томографии), fNIRS может быть рекомендован для клинического использования в психиатрии, поскольку оfNIRS может легко и неинвазивно измерять активность мозга в естественной позе. Аппаратура для  fNIRS также небольшого размера и работают бесшумно  и ее можно легко транспортировать  почти повсеместно, включая отделения по уходу за психически больными.  Исследования fNIRS показали, что пациенты с шизофренией имеют нарушенную активность и характерные формы волны в префронтальной коре при буквенной версии задания на вербальную беглость , и часть этих результатов была одобрена как одна из передовых медицинских технологий в качестве помощи для дифференциальная диагностики депрессивных симптомов со стороны в Японии в 2009 году. Более того, исследования показывают, что активность во фронтополярном префронтальном кортексе (frontopolar prefrontal cortex)   ассоциируется с ее функциями при хронической шизофрении и является  биомаркером эффективности лечения этого расстройства.

        Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) представляет собой функциональный инструмент визуализации головного мозга , который может измерять уровни изменения гемоглобина более чем на поверхности мозга легко и неинвазивно. Метод fNIRS был разработан в 1977 году и был применен для измерения уровня гемодинамической активности мозга через кожу головы. Выпуск коммерческих fNIRS машины , которые являются небольшими, подвижными, и работают бесшумно в течение последнего десятилетия (Figureпозволил расширить круг исследований fNIRS в области психиатрии. В 2012 году на эту тему было опубликовано более 100 исследований; среди них около 20 статей относятся к области психиатрии.  Исследование fNIRS, посвященное шизофрении в настоящее время является самой популярной темой в применении fNIRS в области психиатрии.

           Когда ближний инфракрасный свет испускается из зонда источника на человеческий скальп, он проходит и рассеивается через ткани мозга с относительно низким поглощением. Впоследствии часть этого света поглощается гемоглобином крови в небольших сосудах. Детектор, обычно расположенный на расстоянии 3 см от зонда источника у взрослых, может обнаруживать рассеянный ближний инфракрасный свет, отраженный поверхностью коры.  fNIRS (ETG-4000, Hitachi Medical Corporation). Коммерческие машины FNIRS являются маленькими, подвижными и работают бесшумно, так что они просты в использовании в клинических условиях.  Многоканальные машины fNIRS используют несколько источников и детекторов и способны измерять активность мозга между зондами.

            Свет ближнего инфракрасного излучения, особенно с длиной волны 650-1000 нм, имеет характеристики, которые включают относительно высокое поглощение гемоглобином, а также относительно хорошее  проникновение через кость и кожу по сравнению со светом с другими длинами волн. Излучение ближнего инфракрасного света от исходного зонда на человеческом скальпе приводит к его прохождению и рассеянию через ткани мозга с относительно низким поглощением, за которым следует поглощение части этого света гемоглобином крови в небольших сосудах (<1 мм). Регион , расположенный между источником и зондами детектора , как правило , устанавливают как область измерения , ее часто называют «каналом».  Оборудование  fNIRS может измерять оксигенированный гемоглобин (O 2 Hb) и дезоксигенированный гемоглобин (HHb), а также общий гемоглобин (tHb) путем суммирования O 2 Hb и HHb, используя ближний инфракрасный свет с двумя или более разными длинами волн, которые слегка отличаются от скорости поглощения O 2Hb и HHb. В соответствии со световой манипуляцией аппараты fNIRS грубо делятся на три типа: аппараты  непрерывной волны (CW), частотной области (FD) и временной области (TD).  Аппараты FNIRS CW-типа не способны измерять абсолютную концентрацию гемоглобина в тканях, они относительно малы, имеют низкие затраты на установку и обслуживание и могут  выполнять измерения с высокой частотой дискретизации по сравнению с FDNIR-машинами FDN и TD-типа (FNIRS). 

             fNIRS имеет следующие недостатки: (1) низкое пространственное разрешение (10-30 мм); (2) возможность проведения измерений только на поверхности коры; (3) неспособность измерять абсолютное значение гемоглобина (CW-тип); и (4) на полученные данные могут влиять факторы размера головы, мышцы, черепа и цереброспинальной жидкости в дополнение к гемодинамическим изменениям в коре. fNIRS имеет следующие преимущества: (1) неинвазивность, которая позволяет проводить повторные измерения даже у младенцев; (2) легкая настройка; (3) малый размер и переносимость; (4) высокое временное разрешение по сравнению с ФМРТ и ПЭТ.  Помимо связанных с задачами определения изменений уровня гемоглобина, происходящих от  активностей нейронов при нейрососудистой связи, сигналы fNIRS варьируют в зависимости от связанных с задачей изменений артериального давления и кожного кровотока, а также спонтанной активности мозга, связанной с сердечным ритмом, дыханием и физиологическими колебаниями. 

           Одновременные измерения с помощью fNIRS и импульсной допплеровской сонографии или с помощью fNIRS с разными расстояниями зонда, например, мелкие (5 мм) и глубокие (30 мм) позволяют различать сигналы fNIRS от коры головного мозга и от других мозговых тканей. Исследование, основанное на fNIRS с различными расстояниями зонда и лазерной доплеровской велосиметрией, показало, что гемоглобин изменяется от коры во время VFT, может содержать только 6% данных fNIRS в PFC и что большинство изменений сигнала могут возникать из-за изменений в кровотоке кожи.  Около  50% сигналов fNIRS соответствовали компоненту сигнала fNIRS в глубоком слое, главным образом измеренным в коре, во время решения нескольких когнитивных задач, включая VFT.  Исследование одновременного измерения с применением  допплеровского расходомера с использованием fMRI, fNIRS и lase показало, что префронтальные сигналы fNIRS в значительной степени коррелированы с сигналами уровня оксигенации крови (BOLD) в сером веществе, а не в мягких тканях или лазерными допплеровскими сигналами. Предыдущие исследования показали , что отношение изменения сигнала fNIRS в коре головного мозга варьирует от 6 до 60%,  причем изменение рассматривались как обусловленные различиями в измерительных приборах, методах оценки, и исследований определенных областей мозга.