fNIRS: hersenactiviteit meten met infraroodlicht
Ken je dat knijpertje met een rood lampje dat een verpleegkundige op je vinger klikt om je zuurstofgehalte te meten? Dat heet een pulse-oximeter, en het trucje erachter is verrassend simpel: licht schijnen door weefsel en kijken hoeveel ervan wordt geabsorbeerd door het bloed. fNIRS, voluit functional Near-Infrared Spectroscopy (functionele nabij-infraroodspectroscopie), gebruikt precies datzelfde principe, maar dan om te zien wat er in je hersenen gebeurt.
In plaats van een vingertopje wordt bij fNIRS een soort badmuts met lichtjes en sensoren op het hoofd gezet. Infrarood licht, net buiten het zichtbare spectrum, dringt een paar centimeter door de schedel heen. Waar hersencellen actiever worden, stroomt er meer zuurstofrijk bloed naartoe, en dat verandert hoeveel licht wordt teruggekaatst. Door dat verschil te meten, kunnen onderzoekers zien welke hersengebieden actief zijn, zonder dat iemand in een grote, dure scanner hoeft te liggen.
Wat is het precies?
fNIRS bouwt voort op een natuurkundig gegeven: hemoglobine, het eiwit in rode bloedcellen dat zuurstof vervoert, absorbeert infrarood licht anders wanneer het zuurstof bij zich draagt (oxyhemoglobine) dan wanneer het dat niet doet (deoxyhemoglobine). Door licht van twee of meer golflengtes door de schedel te sturen en te meten hoeveel er terugkomt, kunnen wetenschappers berekenen hoe de verhouding tussen die twee vormen verandert.
Een fNIRS-opstelling bestaat uit lichtbronnen (kleine ledjes of lasers) en detectoren, samen 'optoden' genoemd, die op de hoofdhuid worden geplaatst. Een lichtbron en een detector die een paar centimeter uit elkaar staan, vormen samen een 'kanaal'. Het licht verspreidt zich boogvormig door huid, schedel en de buitenste laag hersenweefsel (de cortex) voordat het wordt opgevangen. Met tientallen van dit soort kanalen krijg je een grove kaart van de hersenactiviteit onder de schedel.
Belangrijk is dat fNIRS niet rechtstreeks elektrische hersensignalen meet, zoals EEG (elektro-encefalografie) dat doet. Het meet de bijwerking van hersenactiviteit: de toegenomen bloedtoevoer die nodig is om actieve neuronen van zuurstof te voorzien. Dat heet de hemodynamische respons, hetzelfde principe waarop de bekendere fMRI-scanner (functionele MRI) leunt, alleen meet fMRI dat met een sterk magneetveld en fNIRS met licht.
Een belangrijke beperking volgt direct uit de natuurkunde: infrarood licht dringt maar een paar centimeter diep door voordat het te veel verstrooid is om nog bruikbaar te zijn. fNIRS ziet daardoor alleen de buitenste laag van de hersenschors, en niet dieper gelegen structuren zoals de hippocampus (belangrijk bij geheugen) of de basale kernen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van fNIRS is een goedkoper, draagbaar en veiliger alternatief voor fMRI. Een fMRI-scanner kost al snel enkele miljoenen euro's, staat vast in een speciaal afgeschermde ruimte en vereist dat de proefpersoon stil in een nauwe buis ligt. Een fNIRS-systeem past in een rugzak, kost een fractie daarvan en laat mensen gewoon bewegen, praten of lopen tijdens de meting.
Dat opent onderzoek dat met fMRI simpelweg onmogelijk is: baby's die niet stil kunnen liggen, sporters die tijdens inspanning worden gemeten, of patiënten die tijdens loop- of revalidatieoefeningen worden gevolgd. Ook wordt gewerkt aan brein-computerinterfaces (BCI): systemen die hersensignalen direct omzetten in besturingscommando's, bijvoorbeeld voor mensen met een ernstige lichamelijke beperking.
Daarnaast hopen onderzoekers en artsen fNIRS te kunnen inzetten als hulpmiddel bij diagnose, bijvoorbeeld bij depressie, hersenbeschadiging na een beroerte, of het vroeg opsporen van ontwikkelingsstoornissen bij baby's. Het idee is niet dat fNIRS fMRI compleet vervangt, maar dat het een toegankelijker instrument wordt voor situaties waarin een MRI-scanner niet praktisch is.
Voorbeelden uit de praktijk
Nederland speelt in dit veld een opvallend grote rol. Artinis Medical Systems, gevestigd in Elst, ontwikkelt al sinds het begin van deze eeuw draagbare fNIRS-apparatuur, zoals de OctaMon- en Brite-systemen, die wereldwijd worden gebruikt in sport- en revalidatieonderzoek.
Een vroeg voorbeeld van klinische toepassing komt uit Japan: sinds 2014 vergoedt de Japanse zorgverzekering het gebruik van NIRS als hulpmiddel om onderscheid te maken tussen depressie, bipolaire stoornis en schizofrenie, als aanvulling op het gewone psychiatrische onderzoek. Het is een van de weinige plekken ter wereld waar de techniek al een officiële, terugbetaalde klinische rol heeft.
In de babyonderzoekswereld gebruikt ontwikkelingspsycholoog Sarah Lloyd-Fox (Birkbeck, University of London) fNIRS sinds ongeveer 2013 in de BASIS-studie, die kijkt naar vroege hersenreacties bij baby's van wie een broer of zus autisme heeft, op zoek naar signalen die al voor de eerste symptomen zichtbaar zijn.
Op het gebied van brein-computerinterfaces werkte Facebook (nu Meta) tussen 2017 en 2021 met academische partners aan een optische headset op basis van fNIRS-achtige technieken, die 'stille spraak' moest herkennen: gedachten aan woorden omzetten in tekst. In 2021 maakte het bedrijf bekend dit spoor te stoppen, omdat het signaal te traag en te ruisgevoelig bleek voor praktisch gebruik; men koos in plaats daarvan voor een polsbandje dat spiersignalen leest.
Het bedrijf Kernel, opgericht door ondernemer Bryan Johnson, presenteerde in 2021 de Kernel Flow: een helm die het hele hoofd bedekt met honderden fNIRS-kanalen. Het apparaat wordt vooral ingezet in onderzoekssamenwerkingen, onder meer om effecten van medicijnen en therapieën op hersenactiviteit te volgen.
Hoe ver is de techniek?
fNIRS is als onderzoeksinstrument volwassen: het wordt sinds de jaren negentig gebruikt en er verschijnen jaarlijks duizenden wetenschappelijke publicaties mee, vooral in de cognitieve neurowetenschap, kindontwikkeling en sportfysiologie. Als klinisch diagnose-instrument staat het echter nog in de kinderschoenen, met Japan als opvallende uitzondering.
De belangrijkste technische knelpunten zijn hardnekkig en volgen uit de natuurkunde zelf. De beperkte indringdiepte van het licht betekent dat diepere hersenstructuren buiten bereik blijven. De ruimtelijke resolutie, hoe scherp je onderscheid kunt maken tussen twee dicht bij elkaar liggende hersengebieden, is met ongeveer een centimeter veel grover dan de millimeters die fMRI haalt. Haar tussen de optoden en de hoofdhuid kan het signaal verstoren, wat vooral bij mensen met dik of donker haar een praktisch probleem blijft. En omdat fNIRS de bloedtoevoer meet in plaats van elektrische activiteit, is de reactie traag: het duurt enkele seconden voordat een verandering in hersenactiviteit zichtbaar wordt in het signaal.
Toch gaat de ontwikkeling door. Nieuwere systemen combineren fNIRS met EEG om zowel de snelle elektrische als de tragere bloedtoevoer-signalen te vangen, wat vooral bij brein-computerinterfaces betere resultaten belooft. Ook wordt geëxperimenteerd met zogeheten time-domain fNIRS, een preciezere maar duurdere variant die beter onderscheid kan maken tussen verschillende weefsellagen. Voor nu blijft fNIRS vooral een onderzoeksinstrument en een niche-toepassing in de kliniek, geen vervanger van fMRI of EEG in de meeste ziekenhuizen.
Wie werken eraan?
Naast het Nederlandse Artinis Medical Systems zijn NIRx Medical Technologies (Duitsland/Verenigde Staten) en het Japanse Hitachi, dat al sinds de jaren negentig optische hersenscanners bouwt, belangrijke fabrikanten van fNIRS-apparatuur. Kernel is de bekendste nieuwkomer die de techniek richting consumenten- en onderzoeksmarkten probeert te brengen.
Op onderzoeksgebied lopen groepen aan onder meer Boston University (waar natuurkundige David Boas een van de pioniers van het veld is), Tufts University, University College London en Birkbeck University of London voorop. De internationale Society for functional Near-Infrared Spectroscopy verbindt onderzoekers wereldwijd en organiseert een tweejaarlijks congres. Japan, de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en Nederland zijn de landen waar het meeste fNIRS-onderzoek en de meeste apparatuurontwikkeling plaatsvindt.