脳活動の光学マーカーとしての超弱量光子放射の探索

人間の脳からのUPEが機能状態を追跡するための読み出しとして役立つという最初の概念実証として、私たちは、参加者が休んでいる間、または聴覚知覚タスクに従事している間、参加者の頭上の光子数を測定し、特徴付けました。我々は、脳由来のUPE信号が背景光子測定と区別できることを実証した。さらに、我々の結果は、特定のタスクに対して、UPEカウントが安定した値(定常状態)に達する可能性があることを示唆しています。データは、脳とバックグラウンドのUPEシグナルの主な区別因子は、異なるタスクにわたる脳UPEトレースの生数の変動であることを示した。.この変動は、変動性と情報含有量の増加に反映されました(図2 ) さらに、これらの変化は1Hz未満の周波数で発生し(図3)、電気(qEEG)信号とUPE信号の変化速度が異なることを示唆している。実際、速い脳状態のシフトは、UPEトレースダイナミクスに反映されない可能性があると予測しています。代謝駆動のUPE変動と電界振動が異なる時間スケールで動作する場合、相互情報または共有分散の分析を可能にする関連する変換を特定する必要があります。

最初の観測に基づいて、私たちは新しい仮説を提案し、探求し始めました。 UPEカウントは、長い十分なタスクで静止しています(Figure 4図4)。これは、UPE数と脳内の電気振動との関係を示唆していますが、現在のデータセットは、潜在的な接続の限られた分析(n = 18)のみをサポートしていました。それにもかかわらず、UPEとqEEGスペクトルパワー(Figure 5図5)の相関関係を特定し、高密度センサーアレイによる将来の調査を動機付けました。ただし、将来の調査には、独自のqEEGプロファイルを生成する個別のタスクを組み込んだ、より大きなサンプルサイズと設計が含まれる必要があります。PMTとqEEGの記録をミリ秒スケールで同期させる機能により、高度にステレオタイプ化されたイベント関連電位(ERP)中にUPEダイナミクスを観察する可能性があります。しかし、神経振動とUPEの強い相関関係は、異なる生成メカニズムと時間スケールを考慮すると、予測されるべきかどうかは不明のままである。脳UPEは、抑制性または興奮性ニューロン、ならびに複雑な代謝機能を果たすグリア細胞によっても異なる発現を有する。周期脳UPEが脳の局所代謝負荷を反映している場合、機能的接続性やその他の要因の個人差も反映する可能性があります。あるいは、UPEシグナルの変化率の変動は、さまざまな脳領域が異なる時間に定常状態を達成することを示唆している可能性があります。

もともと、UPEダイナミクスは、参加者の目が開いているか閉じているかの関数として異なると想定されており、脳波検査を用いたこの標準的な神経イメージングタスクに関連するアルファリズムに対する十分に文書化された影響を反映していた。アルファバンド内の神経振動は、視覚刺激の有無によって確実に調節されることを考えると、UPEの同様の変化が、特に後頭葉内の活性が活発な細胞集団間で代謝活性が増加すると予測した。脳のUPEカウントの違いを、参加者の目が開いているか閉じているかの関数として観察しました(図4 E)。しかし、これらのタスク間のカウントの相対的な変化は、被験者間で異なり、タスクだけではUPE変化の方向を完全に説明していないか、UPE変化の方向がタスクに弱くリンクされていることを示している可能性があります。UPE生成メカニズムと、この予期しない発見を説明する可能性のある神経振動の根底にあるメカニズムとの間には、時間的断絶がある可能性があります。

興味深いことに、背景光子数と後頭葉アルファSPDは、参加者の目が開いているときに相関していました(図5 A)。以前の研究では、後頭葉上のアルファリズムがリアルタイムの周囲磁場変動と相関することが判明したことが関連している可能性があります ^{43,,44,,45磁気シールドによって減衰し、地球の磁場の人工的に生成されたシミュレーションへの暴露によって救助される可能性がある。我々は以前、アルファリズムが部分的に外因性刺激によって駆動される可能性があることを強調した。}本研究では、参加者が目を閉じると、後頭葉上の背景光子とUPEが後頭葉のアルファリズムで体系的に変化すると判断しました。時間的UPEは、後頭頂UPEに類似し、背景光子とは異なるダイナミクスを示す一方で、脳SPDと相関しなかった。これらのデータは、脳リズム、UPE、および周囲の電磁条件との間の潜在的な接続を支持するが、決定的な記述を行うには、遮蔽条件に関するさらなる実験が必要である。

脳UPE検出技術が開発され続けるにつれて、予測力を最適化するためにいくつかの要因を考慮することが重要です。^{例えば、UPEの波長は、現在の研究では考慮されなかったが、以前に老化を予測することが判明した。,,25,,27,,28認知能力、29健康で病気の状態の本質的な識別と同様に。47,,48}当社のPMTは、広いバンドのUPE波長を検出するように校正されました。 これは意図的に包括的でしたが、狭帯域効果を不明瞭または希釈した可能性があります。したがって、フィルタまたは調整可能な光検出器の使用は、脳UPEパターンシグネチャの波長依存性を決定するために推奨される。同様に、本研究では、関心のあるいくつかの領域にわたって限定的なセンサーアレイの使用が含まれていました。脳のUPEパターンがコネクトームとどのように関連しているかをよりよく理解し、深部組織源の局在化を可能にするために、この技術の空間分解能を大幅に向上させる光検出器の高密度アレイを使用する必要があります。qEEGによって検出されると、近くの細胞の活性化(おそらく大脳皮質の最初の数ミリメートル以内)を反映する電界振動とは異なり、頭部の表面上で検出されたUPEは、大脳内の多くの放射点源、特に予想される減衰がそれほど極端ではない表面領域に由来する可能性がある。これは、右側頭葉内の左後頭部UPEと高周波振動の関係を観測した理由を説明することができます(図5 C ) 。UPEは分子反応によって生成されるため、排出の潜在的な点発生源の数は、システム内の細胞数をはるかに超えています。これはソースのローカリゼーションを複雑にする可能性がありますが、検出器アレイと機械学習ツールの組み合わせにより、エンジニアは神経イメージングアプリケーション用の3次元空間でUPEダイナミクスを再構築できることが示唆されます。 特に、UPEポイントソースが均質に分散するのではなく空間的にクラスタ化されている場合。UPEは酸化代謝に関連しているため、最も直接的な関連用途には、出芽性脳腫瘍、興奮性病変、軽度外傷性傷害、および神経毒性の侮辱(例えば、ケモブレイン)の検出が含まれる可能性がある。

神経組織からの酸化的代謝に結合した内因性光放射のベース上の機能的脳活性化を推測するための「光脳波」技術を設計するために、重要な信号パラメータを単離するための追加の実験が必要である。脳UPE測定が臨床用途の実用的な現実になる前に克服しなければならない大きな課題の1つは、ERPやその他のステレオタイプな機能に似た指紋のようなパターンの識別です。⁻¹⁴しかし、MEG測定が、マイクロテスラスケール⁻⁶(10−6T)の周囲磁気ノイズ(1億倍)の強度にもかかわらず、脳状態を予測するフェムトテスラスケール(10−14T)磁場変動を明らかにするのと同様に、現在の結果は、人間脳由来のUPE信号のパターンが、非常に低い相対信号強度にもかかわらず、暗い設定でバックグラウンドライト信号から区別できるという概念実証の実証であると考えています。光脳波は、EEGやMEGのような高時間分解能で最大非侵襲的(すなわち受動記録)であるが、UPEの測定は、他の場所で説明されているいくつかの臨床用途で酸化代謝と関連している。将来の研究では、特定のフィルターとアンプを使用して、健康で病気の脳からUPE信号機能をふるいにかけ、強化することに成功するかもしれません。

著者らは、カナダ国立科学・工学評議会(NSERC)、Discovery Grant RGPIN-2021-03783(N.J.M.へ)、およびNew Frontiers in Research – Exploration Program、Grant NFRFE-2020-01351(N.J.M.へ)、およびOptica Foundationからの支持を認めています。N.R.とN.M.は、タフツ大学のアレン・ディスカバリー・センターからの支持を認めています。

Study conition and design, N.M. and N.R.; data collection, H.C. and I.D.; data processing and management, H.C., I.D., and M.B.; analysis and interpretation of results, N.M., M.B. and N.R.; draft manuscript preparation, N.M., M., N.すべての著者は、原稿の最終版をレビューし、承認しました。

著者らは、利益相反、財務上またはその他の利益相反を報告していない。