Napredno mapiranje nevrovaskularne sklopitve z združenima tehnikama bližnje infrardeče spektroskopije in magnetoencefalografije na osnovi optičnih magnetometrov

Nevrovaskularna sklopitev (NVC, angl. neurovascular coupling) je osnovni mehanizem zagotavljanja energije aktivnim možganskim področjem. Za preučevanje NVC so potrebni sočasno pridobljeni podatki iz dveh načinov slikanja možganov. V našem projektu bomo razvili in uporabili sistem, ki bo združeval dva neinvazivna načina slikanja možganov; funkcionalna bližnja infrardeča spektroskopija (fNIRS, angl. functional near-infrared spectroscopy) in magnetoencefalografija (MEG, angl. magnetoencephalography). Z fNIRS določimo hemodinamsko aktivnost na možganski skorji z merjenjem sprememb v koncentracijah oksi- in deoksihemoglobina. MEG določa aktivnost znotraj skorje na podlagi merjenja magnetnega polja v bližini glave. Standardni MEG sistemi uporabljajo tekoči helij za hlajenje superprevodnih magnetometrov SQUID, v tem projektu pa bomo uporabili nove optične magnetometre (OPM). MEG na osnovi OPM (oMEG) ne potrebuje hlajenja s tekočim helijem, magnetometre je mogoče podobno kot optode pri fNIRS postaviti direktno na površino glave. To odpira številne nove aplikacije za preučevanje NVC, kjer je vključeno premikanje subjekta med meritvijo. Do nedavnega je bila edina kombinacija načinov, ki omogoča premikanje, elektroencefalografija (EEG) in fNIRS. MEG ima veliko prednost pred EEG, saj ima zaradi natančnejše inverzne rešitve višjo prostorsko ločljivost. Optode fNIRS, ki so pritrjene na glavo, ne potrebujejo nobene elektronike, njihovo ohišje je lahko paramagnetno, zato ne motijo delovanja OPM senzorjev; kar smo potrdili v naših preliminarnih rezultatih.

Kombinirani sistem MEG-fNIRS bo sestavljen iz treh ključnih delov: optode za fNIRS, OPM za MEG in nosilec za obe vrsti merilnikov. Za vsako osebo bomo s 3D tiskanjem izdelali individualni nosilec merilnikov. Pri tem bomo uporabili magnetne resonančne slike (MRI) subjektove glave, tako da se bo tesno prilegal glavi subjekta. Cilj te študije je razviti izboljšano metodologijo NVC, zato bomo s tem sistemom preizkusili več merskih scenarijev. Z obema merskima sistemoma bomo sočasno merili odzive na posamezne senzorične naloge, na stanje mirovanja in tudi na več senzoričnih nalog, ki bodo hkrati vzbudile tako v vizualni kot v motorični del možganske skorje. Za določitev NVC bomo primerjali in združili meritve z obeh merskih sistemov ter uporabil različne metode: navzkrižna korelacija in spektralna analiza; rekonstrukcija izvorov; izračun funkcionalne povezljivosti.

Projekt izvajamo v sodelovanju raziskovalnih skupin treh osrednjih organizacij: Univerze v Ljubljani (UL) z Inštitutom za matematiko, fiziko in mehaniko (IMFM) kot soizvajalcem, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Inštitutom za biokibernetiko in biomedicinski inženiring, Poljske akademije znanosti (IBIB PAS). Vsaka skupina ima svoje prednosti, PTB ima vso infrastrukturo in znanje za izvajanje meritev MEG in IBIB PAS za izvajanje meritev fNIRS. Skupina z UL in IMFM ima odlične izkušnje pri delu z različnimi nabori biomedicinskih podatkov, njihovo znanje bo uporabljeno za obdelavo merskih rezultatov in določitev NVC.

Ključni cilji:

Razvoj merskega sistema in študij nevrovaskularne sklopitve s sočasnim merjenem elektrofiziološke aktivnosti možganov z optičnimi magnetometri in hemodinamičnega odziva s funkcionalno infrardečo spektroskopijo.

Delovni sklopi oziroma cilji

Cilj 1.1: Nadgraditi obstoječi sistem fNIRS, ki temelji na optičnih vlaknih, da bo primeren za večmodalno meritev, ki posnema vsakodnevno aktivnost.

Razvili smo integriran sistem, ki vključuje optične magnetometre za metodo MEG, optična vlakna za metodo fNIRS ter držalo za obojne senzorje. Najprej smo razvili prožno ovojnico za optična vlakna, ki omogoča manjše premikanje osebe med meritvami. Nadgradili smo tudi priključke optičnih vlaken (optode) narejene iz nemagnetnih materialov (plastika), ki se pritrdijo v čelado na glavi subjekta. To nam je omogočilo, da smo uspešno izvedli meritve, kjer se je merjena oseba med meritvami premikala. Rezultati meritev so pokazali, da je nadgrajeni sistem fNIRS primeren za meritve, ki posnemajo vsakodnevno aktivnost . V letu 2025 smo razširili fNIRS sistem z dodatnim optodami, kar nam omogoča razširitev meritev, pri katerih vzbudimo več možganskih regij sočasno (cilj 2.2).

Cilj 1.2: Integracija sistema MEG, ki temelji na optičnih magnetometrih (oMEG), po celotni glavi merjene osebe

Razvili smo personaliziran sistem oMEG, ki je primeren za meritve magnetnih signalov po celotni glavi osebe. Za vsako merjeno osebo smo skonstruirali model CAD držala za senzorje v obliki čelade, ki se tesno prilega površini glave. Podatke za površino glave smo dobili z rekonstrukcijo magnetoresonančnih slik (MRI). V model držala CAD smo po celotni površini čelade razvrstili luknjice za optične magnetometre in za priključke optičnih vlaken (optode). Optimizirali smo razmik med senzorji OPM in optodami. Ta model smo izdelali s 3D tiskalnikom z upogljivim filamentom. Upogljiv filament smo uporabili, da smo povečali udobje uporabnika.Rezultati meritev kažejo, da je razmerje med signalom in šumom (SNR) za kombiniran sistem enak kakor, če bi merili z vsako merilno tehniko posebej. Integriran sistem in rezultate meritev smo predstavili v ugledni reviji Neuroimage in na več znanstvenih konferencah.

Pri meritvah, kjer sočasno vzbujamo več možganskih regij (cilj 2.2) ali pri določitvi funkcionalne povezanosti (cilj.4.2), potrebujemo večjo pokritost glave s senzorji. fNIRS sistem smo v letu 2025 razširili z več optodami. Za oMEG sistem pa smo uporabili metodo za določitev optimalne postavitve omejenega števila senzorjev, ki zajamejo večino informacij, ki bi jih izmerili z velikim številom senzorjev, ki pokrivajo celotno glavo. Ta metoda temelji na statistični analizi velikega števila posnetkov ali simulacij s celotnim sistemom oMEG in zaporednim izbirnim algoritmom, kjer na vsakem koraku izberemo merilno mesto, ki vsebujejo večino preostalih informacij iz celotnega oMEG sistema. Rezultate smo predstavili v revijah in na konferencah.

Cilj 2.1: Razviti posamezno senzorično nalogo, ki bo vzbudila primeren odziv možganov za obe modalnosti (fNIRS in oMEG).

V sklopu te naloge smo načrtovali stimulacijske paradigme, ki aktivirajo le eno možgansko skorjo. Z merilnim sistemom oMEG-fNIRS smo preizkusili več merilnih paradigem. Prva je bila stimulacija medialnega živca (aktivacija primarnega senzoričnega korteksa), druga pa je bila stiskanje žogice ali periodično premikanje prstov (aktivacija primarnega motornega korteksa). Pri ostalih paradigmah smo merili odziv na aktivacijo vidnega korteksa. Pri teh meritvah je oseba opazovala zaslon z različnimi spremembami (na primer, utripajoča ali vrteča šahovnica). Ugotovili smo, da so vse omenjene merilne paradigme primerne za kombiniran sistem oMEG-fNIRS.

Cilj 2.2: Razviti senzorične naloge, ki bodo vzbudile več možganskih regij in so primerne za merjenje odziva s sistemom oMEG-fNIRS.

V začetni fazi smo na temelju pregleda literature izbrali senzorične naloge, ki bodo hkrati primerne za sistema fNIRS in oMEG. Naloge vključujejo vizualne, slušne in motorične elemente ter so namenjene aktiviranju raznolikih možganskih regij. Za same meritve smo razširili sistem fNIRS z več optodami (glej cilj 1.1) in optimizirali postavitev omejenega števila OPM senzorjev (glej cilj 1.2).

Cilj 3.1: Izvesti meritve s sistemom oMEG-fNIRS na večjem vzorcu ljudeh.

Pilotski podatki za ovrednotenje sistema oMEG-fNIRS so bili uspešno zbrani ločeno na partnerskih ustanovah IBIB (Poljska) in PTB (Nemčija). Raziskave na večjem vzorcu ljudi so bile izvedene na PTB. Do sedaj smo na PTB izvedli 7 merilnih sej, po dve v letih 2023 in 2024 in tri v letu 2025. Na prvi seji smo najprej pridobili anatomske slike glave (MRI). Te MRI podatke smo uspešno obdelali in jih uporabili za oblikovanje personaliziranih nosilcev senzorjev, ki smo jih nato izdelali s 3D tiskanjem. Za meritve smo sestavili dva merska protokola, enega za stimulacijo medialnega živca (aktivacija primarnega senzoričnega korteksa) in drugega za stiskanje žogice (aktivacija primarnega motornega korteksa).Na tej seji smo izvedli 8 meritev na 3 različnih osebah za oba merska protokola. Na drugi seji leta 2023 smo izvedli dodatnih 10 meritev na 3 različnih osebah in obeh merskih protokolih. Na seji marca 2024 pa smo izvedli še dodatnih 12 meritev na 4 različnih osebah samo za merski protokol, ki vzbudi motorni del možganov. Na seji oktobra 2024 smo na 4 osebah osebah izvedli 12 meritev, kjer smo preizkusili tudi merske protokole za vzbujanje vidnega dela korteksa. V letu 2025 na treh merilnih sejah, marca (3 osebe, 34 meritev), junij (8 oseb, 19 meritev) in oktobra (1 oseba, 6 meritev) izvedli dodatne meritve z vsemi protokoli. Vse merske protokole je odobrila komisija za etiko na PTB

Cilj 3.2: Implementacija nadzora kakovosti in predprocesiranje pridobljenih multimodalnih podatkov.

Uspešno smo implementirali programske skripte, s katerimi smo najprej preverili kakovost podatkov iz obeh merilnih sistemov (fNIRS in oMEG). Podatke smo nato predprocesirali. Ugotovili smo, da razne paradigme generirajo neželeni šum. Razvili in uporabili smo napredne metode za odstranitev teh neželenih signalov.

Cilj 4.1: Razviti metodo za časovno in prostorsko parametrizacijo nevrovaskularne sklopitve.

Uspešno smo implementirali programske skripte, s katerimi smo ocenili prostorsko in časovno razmerje med nevronsko aktivnostjo in hemodinamičnim odzivom z uporabo meritev, izvedenih s sistemom oMEG-fNIRS. Rezultate za aktivacijo primarnega senzoričnega korteksa in aktivacijo primarnega motornega korteksa smo objavili v članku in predstavili na dveh konferencah.

Cilj 4.2: Analizirati funkcionalno povezanosti možganov.

Pri pregledu literature smo ugotovili, da za izvedbo analize funkcionalne povezanosti za izmerjene podatke v mirovanju in stimulaciji za vsako merilni način posebej (fNIRS in oMEG), potrebujemo podatke, ki pokrivajo celotno glavo. Zato smo razširili fNIRS sistem z več optodami (glej cilj 1.1) in optimizirali postavitev omejenega števila OPM senzorjev (glej cilj 1.2), s katerimi lahko zelo dobro ocenimo signale po celotni glavi. Dodatno smo z rekonstrukcijo izvorov v možganih smo z oMEG ugotovili, da se pri stiskanju žogice in periodičnem premikanju prstov zaporedno vzbudita dva centra v možganih (somatosenzorični in motorni del korteksa).

Delovni paket 5: Razširjanje in upravljanje.

Načrtovane dejavnosti v tem delovnem paketu vključujejo organizacijo večjih projektih srečanj ter vzdrževanje komunikacije med partnerji.

Prvo projektno srečanje smo imeli v Varšavi oktobra 2023. Hkrati smo za širšo znanstveno skupnost izvedli seminar Seminar on Neurovascular Coupling Methods, kjer smo predstavili prve rezultate projekta. Drugo je bilo v sklopu konference EMBEC 2024 v Portorožu. Na tej konferenci smo organizirali posebni sekciji, kjer smo predstavili napredek projekta. V okviru zaključnega srečanja septembra 2026 bomo v Berlinu organizirali mednarodno delavnico o nevrovaskularnih metodah, kjer bomo predstavili tudi rezultate projekta. Večino teh smo že predstavili na znanstvenih konferencah in revijah.

Več o delu na projektu smo skupaj s partnerjema iz Poljske in Nemčije pripravili na povezavi: https://www.combine.ptb.de/home