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Wie kann Nahinfrarotlicht das Gehirn lesen? Die magische Anwendung der fNIRS-Technologie
Die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) ist eine innovative Technologie zur Gehirnüberwachung, die Nahinfrarotspektroskopie zur funktionellen Bildgebung des Gehirns nutzt. Das Grundprinzip dieser Technologie besteht darin, durch die Emission von Nahinfrarotlicht Informationen über die neuronale Aktivität zu erhalten und so dynamische Änderungen des Blutflusses im Gehirn zu messen. Mit der Entwicklung verschiedener nichtinvasiver Bildgebungsverfahren ist fNIRS zusammen mit der Elektroenzephalografie (EEG) zu einem der wichtigsten Werkzeuge für die portable Gehirnforschung geworden.
fNIRS konzentriert sich auf die Absorptionseigenschaften von Häm und kann Veränderungen von Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin, die mit neuronaler Aktivität in Zusammenhang stehen, genau messen.
Bei fNIRS-Experimenten dringt Nahinfrarotlicht in die Kopfhaut ein, wird gestreut und absorbiert. Aufgrund der starken Absorptionseigenschaften von Hämoglobin für Nahinfrarotlicht können Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Veränderungen der Hämoglobinkonzentration im Blut ziehen. Diese Technologie ist nicht nur sicher und nicht-invasiv, sie kann auch in Verbindung mit anderen Bildgebungsverfahren eingesetzt werden und bietet Forschern neue Werkzeuge zur Erforschung der Funktionsweise des Gehirns. Darüber hinaus wird fNIRS auch als optische Topographie (OT) bezeichnet. Mit der Weiterentwicklung der Technologie sind nach und nach mehrere Anwendungen entstanden.
Historischer Hintergrund von fNIRSDie Geschichte von fNIRS reicht bis ins Jahr 1977 zurück, als Jöbsis erstmals entdeckte, dass das Gehirn für Nahinfrarotlicht durchlässig ist, was den Weg für die Forschung zur nichtinvasiven Messung des Sauerstoffgehalts im Gehirn ebnete. In der Folgezeit wurde die Anwendung von NIRS schrittweise ausgeweitet. Insbesondere Anfang der 1990er Jahre wurde dessen Potenzial mit der Veröffentlichung mehrerer Studien zur Anwendung von fNIRS bei erwachsenen Menschen nach und nach erkannt.
Japanische Forschungsteams begannen Mitte der 1980er Jahre mit der Erforschung infrarotbasierter Gehirnüberwachungssysteme und schlugen 1995 erstmals das Konzept der „optischen Topographie“ vor.
Mit der Weiterentwicklung der Technologie stehen nach und nach viele neue tragbare fNIRS-Geräte zur Verfügung, die die Überwachung der Gehirnaktivität im klinischen oder täglichen Leben erleichtern können.
So funktioniert fNIRS
fNIRS funktioniert auf Basis der Absorption und Streuung von Licht. Nachdem die Lichtquelle Nahinfrarotlicht aussendet, dringt es in das Oberflächengewebe des Gehirns ein. Abhängig von den Eigenschaften verschiedener Gewebe und Hämoglobin wird ein Teil des Lichts absorbiert oder gestreut. Die Forscher haben diese Lichtveränderungen gemessen, um die Menge an sauerstoffhaltigem und sauerstoffarmem Hämoglobin im Blut zu bestimmen.
Die fNIRS-Technologie eignet sich besonders für die Untersuchung des Blutflusses und des Sauerstoffversorgungsstatus in lokalen Bereichen des Gehirns und liefert wichtige Einblicke in die neuronale Aktivität.
Anwendungsbereich
Die Anwendungen von fNIRS decken viele Bereiche ab, darunter die Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI), die Hypoxieforschung in Höhenlagen und die Analyse der funktionellen Konnektivität des Gehirns. Insbesondere in Höhenlagen kann fNIRS dabei helfen, den Umgang mit Sauerstoffmangel zu untersuchen.
Zukunftspotenzial
Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt wird das Anwendungspotenzial von fNIRS in den Bereichen Medizin und Psychologie immer größer. Sie wird nicht nur wertvolle Daten für die Erforschung von Gehirnerkrankungen liefern, sondern auch unser Verständnis der Gehirnfunktionen und ihrer Zusammenhänge erweitern.
Könnte die Entwicklung dieser Technologie unser Verständnis des Gehirns revolutionieren?
Die weitere Förderung und Verbesserung der erforderlichen Technologien und Standards wird in Zukunft für Wissenschaftler eine große Herausforderung darstellen. Gleichzeitig wird uns die weitere Erforschung von fNIRS nicht nur helfen, allgemeine neuronale Stressreaktionen zu verstehen, sondern könnte auch tiefere Zusammenhänge zwischen Gehirnaktivität und Verhalten aufdecken. Sind darin tiefere Geheimnisse verborgen?
