Kernel Flow: dispositivo indossabile per l’imaging non invasivo del cervello

L’azienda di neurotecnologie Kernel ha sviluppato un dispositivo indossabile, della forma e dimensione di un casco, per monitorare l’attività del cervello attraverso una tecnica di imaging non invasiva. I recenti progressi nelle tecniche di imaging cerebrale facilitano osservazioni accurate e ad alta risoluzione del cervello e delle sue funzioni. Una delle tecniche di neuroimaging più utilizzate, sfruttata dal nuovo wearable di Kernel, è la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, chiamata anche fNIRS (Functional Near-Infrared Spectroscopy). Le specifiche e le prestazioni del dispositivo indossabile per l’imaging non invasivo del cervello sono state ampiamente descritto in un articolo pubblicato sul Journal of Biomedical Optics (JBO).

Quale tecnica di imaging non invasivo sfrutta il dispositivo indossabile sviluppato da Kernel?

La fNIRS è una tecnica ottica non invasiva e non ionizzante che impiega la radiazione elettromagnetica nella banda del vicino infrarosso (700 – 1000 nm) per lo studio dell’attività emodinamica della corteccia cerebrale che si verifica in risposta all’attività neurale. La fNIRS è un’alternativa economica alla risonanza magnetica funzionale (fMRI) per lo studio delle funzioni cerebrali. Infatti, si basano sullo stesso principio fisiologico: l’attività elettrica dei neuroni. I neuroni consumano energia sotto forma di glucosio il cui metabolismo richiede un maggior apporto di ossigeno. Pertanto, avremo una risposta emodinamica in concomitanza di un maggior apporto di emoglobina ossigenata (HbO₂) verso le zone che ne hanno fatto richiesta. Ci basiamo su aumento di HbO₂ e diminuzione di HbR (emoglobina deossigenata) per andare a tirare fuori informazioni relative all’attività cerebrale.

Però, il principio fisico è diverso rispetto alla fMRI. La fNIRS, infatti, sfrutta la luce, pertanto, è considerata una tecnica ottica. La fNIRS stima la concentrazione di emoglobina dai cambiamenti nell’assorbimento della luce nel vicino infrarosso. Quando la luce si muove o si propaga attraverso la testa, viene alternativamente dispersa o assorbita dal tessuto attraverso il quale viaggia. Poiché l’emoglobina è un significativo assorbitore della radiazione nel vicino infrarosso, i cambiamenti nella luce assorbita possono essere utilizzati per misurare in modo affidabile i cambiamenti nella concentrazione di emoglobina.

Il guadagno economico è dato dal fatto che la fNIRS, invece di utilizzare ingombranti strumentazioni come quelli per la fMRI, utilizza come sorgente di fotoni un LED che emette un raggio nel vicino infrarosso e una serie di rivelatori, tutti posizionati sul cuoio capelluto. I fotoni emessi dalla sorgente luminosa, dopo essere penetrati nei tessuti e aver seguito un loro percorso, verranno catturati dai rivelatori posti sulla cute.

La fNIRS nel dominio del tempo

I sistemi fNIRS più utilizzati sono quelli a onda continua, più economici, in cui il tessuto viene irradiato da un flusso costante di fotoni. Tuttavia, questi sistemi non consentono di arrivare a misurazioni assolute. Un progresso di questa tecnica è la TD-fNIRS, cioè la fNIRS nel dominio del tempo. Il sistema TD-fNIRS utilizzata delle sorgenti di impulsi luminosi nell’ordine dei picosecondi (10^-12 s) e rivelatori veloci per stimare la dispersione e l’assorbimento dei fotoni nei tessuti. Tuttavia, tali sistemi sono costosi e complessi, inoltre occupano molto spazio. Pertanto, il loro utilizzo è fortemente limitato.

Com’è fatto questo nuovo dispositivo indossabile per l’imaging del cervello?

Per superare queste sfide e realizzare un sistema per l’imaging non invasivo del cervello, i ricercatori di Kernel hanno sviluppato un dispositivo indossabile basato sulla tecnologia TD-fNIRS. Questo wearable, chiamato “Kernel Flow”, pesa 2.05 kg e contiene 52 moduli disposti in quattro piastre che si adattano su entrambi i lati della testa. I moduli nel casco sono dotati di due sorgenti che generano impulsi laser con un TOF (time of flight, tempo di volo) di 150 picosecondi. I fotoni vengono quindi riflessi da un prisma e combinati in una sorgente di luce che dirige il raggio sul cuoio capelluto. Dopo essere passati attraverso il cuoio capelluto, gli impulsi laser vengono catturati da sei rivelatori con un diametro di 2 mm e poi trasmessi a sei rivelatori disposti a forma di esagono a 10 mm di distanza dalla sorgente laser. I rivelatori registrano i tempi di arrivo dei fotoni su istogrammi e sono in grado di gestire conteggi di fotoni elevati (nell’ordine di 1 × 10⁹ conteggi al secondo).

I risultati preliminari di Kernel Flow

Per dimostrare le sue prestazioni, i ricercatori hanno utilizzato il sistema Kernel Flow per registrare i segnali cerebrali di due partecipanti che hanno eseguito un compito di finger-tapping. Durante la sessione di test, sono stati raccolti istogrammi da oltre 2.000 canali da tutto il cervello per misurare i cambiamenti nelle concentrazioni di ossiemoglobina (HbO₂) e deossiemoglobina (HbR). Il sistema è risultato compatibile con i sistemi TD-fNIRS convenzionali. “Abbiamo dimostrato prestazioni simili ai sistemi commerciali con il nostro dispositivo miniaturizzato”, spiega Ryan Field, Chief Technology Officer (CTO) di Kernel e corrispondente autore dello studio.

Sebbene i risultati siano promettenti, Field riconosce la necessità di ulteriori test poiché la luce nel vicino infrarosso viene assorbita in modo diverso a seconda dei tipi di capelli e di pelle. “Attualmente stiamo raccogliendo dati con Kernel Flow per dimostrare ulteriori applicazioni sulle neuroscienze. Stiamo anche valutando le prestazioni del sistema con diversi tipi di capelli e pelle”, afferma.

La prossima generazione di dispositivi ottici di imaging cerebrale non invasivi

Kernel Flow racchiude sistemi avanzati di TD-fNIRS in una forma indossabile, offrendo la prossima generazione di dispositivi ottici di imaging cerebrale non invasivi. Sistemi come Kernel Flow renderanno il neuroimaging molto più accessibile, per consentire benefici diffusi in termine di salute ma anche di ricerca scientifica. Ad esempio, la FDA (Food and Drug Administration) ha recentemente autorizzato uno studio che utilizza il sistema Kernel Flow per misurare l’effetto psichedelico della ketamina sul cervello.

Il guest editor di JBO Dimitris Gorpas dell’Helmholtz Zentrum Munich, un centro di ricerca tedesco per la salute ambientale, osserva: “Questo è il primo sistema TD-fNIRS indossabile a copertura totale della testa che mantiene o migliora le prestazioni dei sistemi commerciali esistenti e ha il potenziale per raggiungere la sua missione di rendere mainstream le misurazioni neurali. Non vedo l’ora di scoprire ciò che il cervello deve ancora rivelare”.