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Aug 18, 2023

Tragbar, leicht

Wissenschaftler und Ingenieure erhalten Zuschuss für die Entwicklung kleiner Unternehmen von Tamara Bhandari•25. Mai 2023 Tragbare Technologie zur Bildgebung des Gehirns soll zeigen, wie das Gehirn in natürlichen, realistischen Situationen funktioniert.

Wissenschaftler und Ingenieure erhalten Zuschüsse für die Entwicklung kleiner Unternehmen

von Tamara Bhandari•25. Mai 2023

Tragbare Technologie zur Bildgebung des Gehirns soll zeigen, wie das Gehirn in natürlichen, realistischen Situationen funktioniert. Die Fakultätsmitglieder der Washington University in St. Louis (von links) Joseph P. Culver, PhD, (halten ein Teil eines Prototyps eines Bildgebungsgeräts), Jason Trobaugh, PhD, Ed Richter und Adam Eggebrecht, PhD, (nicht abgebildet) haben eine erhalten Zuschuss des NIH zur Entwicklung und Vermarktung einer Gehirn-Bildgebungskappe, die LED-Licht zur Messung der Gehirnaktivität verwendet.

Um herauszufinden, was in den Köpfen von Menschen vorgeht, sind in der Regel riesige, teure Geräte und Freiwillige erforderlich, die bereit sind, stundenlang in einem engen Metallrohr liegend sich wiederholende Aufgaben zu erledigen. Forscher der Washington University in St. Louis arbeiten an einer Alternative. Sie entwickeln eine Mütze, die bei normaler Bewegung getragen werden kann und mithilfe der Kraft des Lichts hochauflösende Bilder des Gehirns in Aktion erzeugt. Das Projekt wird durch ein Small Business Technology Transfer-Stipendium der National Institutes of Health (NIH) unterstützt.

„Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) ist der Goldstandard für die Bildgebung der Gehirnfunktion, aber fMRT ist sehr laut und sehr einschränkend, und das schränkt Ihre Möglichkeiten ein“, sagte Joseph P. Culver, PhD, Sherwood Moore-Professor für Radiologie an der Er ist Mitglied des Mallinckrodt Institute of Radiology (MIR) der School of Medicine und der Haupterfinder der Technologie. „Tragbare Technologie zur Bildgebung des Gehirns würde es uns ermöglichen, zu untersuchen, wie Gehirnbereiche zusammenarbeiten, um bestimmte Aufgaben zu lösen und das Verhalten unter naturalistischen Bedingungen zu steuern.“

Culver begann 2005 mit der Entwicklung des ersten Geräts für die diffuse optische Tomographie (HD-DOT) zur Bildgebung des Gehirns. Die Technik verwendet LED-Quellen, die Infrarotlicht von außerhalb des Kopfes einstrahlen, gepaart mit Detektoren, die das wieder austretende Licht messen. Die von jedem Quelle-Detektor-Paar gesammelten Signale enthalten Informationen über den lokalen Blutfluss im Gehirn. Durch die Platzierung zahlreicher Quellen und Detektoren in einem hochdichten Array rund um den Kopf können die Forscher die Blutdynamik – einen Indikator für die Gehirnaktivität – im gesamten Gehirn abbilden. Kürzlich haben Culver und Kollegen gezeigt, dass sie mit einer HD-DOT-Kappe Gehirnsignale erkennen und sie dann entschlüsseln können, um herauszufinden, was eine Person sieht.

Zuschüsse für den Technologietransfer von Kleinunternehmen sollen kleinen Unternehmen dabei helfen, in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen akademische Innovationen auf den Markt zu bringen. Dieses Stipendium wurde an EsperImage vergeben, ein Startup der Washington University, das von Culver zusammen mit Adam Eggebrecht, PhD, einem außerordentlichen Professor für Radiologie am MIR, und Jason Trobaugh, DSc, und Ed Richter, beide Praxisprofessoren für Elektro- und Systemtechnik an der McKelvey, gegründet wurde Ingenieursschule. Die vier arbeiten seit mehr als einem Jahrzehnt gemeinsam an der HD-DOT-Technologie.

Die Forscher stellen sich die Kappe als Forschungsinstrument für kognitive Neurowissenschaftler vor. Solche Wissenschaftler untersuchen, wie die durch Neuroimaging-Systeme gemessene Gehirnaktivität mit den komplexen kognitiven Funktionen des Geistes zusammenhängt. Wissenschaftler könnten beispielsweise eine solche Kappe verwenden, um das Gehirn von Kindern abzubilden, während sie frei mit ihren Betreuern sprechen und interagieren. Dies würde uns helfen, mehr darüber zu erfahren, wie sich Sprachnetzwerke im Gehirn entwickeln und zum normalen oder abnormalen Spracherwerb beitragen.

Die HD-DOT-Geräte der ersten Generation wiegen Hunderte Pfund. Ein Teilnehmer saß auf einem festen Stuhl und trug ein Headset, das an einer Reihe elektronischer Geräte in der Größe einer Kommode befestigt war. Der aktuelle Prototyp wiegt 8 Pfund und verfügt über eine Stromquelle, die in einen Rucksack passt. Ziel ist es, die Kappe auf 4 Pfund zu reduzieren, was etwa dem Gewicht eines Football-Helms entspricht.

Das Arbeitsdesign sieht eine Kappe vor, die mit 288 optischen Sensoren, sogenannten Optoden, in Form kleiner kupferfarbener Kästchen von etwa der Größe des Daumens eines Erwachsenen besetzt ist. Jede Optode enthält eine Lichtquelle, einen Detektor und acht winzige Leiterplatten, die zusammen als winziger Computer funktionieren. Insgesamt sind 72 Minicomputer über die Kappe mit einem digitalen Netzwerk verbunden und ihre gesammelten Daten werden per WLAN an einen zentralen Computer übertragen, der die Daten erfasst, analysiert und anzeigt.

„Der Aufbau der Obergrenze, die wir jetzt haben, hat wahrscheinlich fünf Monate gedauert“, sagte Trobaugh, Mitbegründer und CEO von EsperImage. „Die Herausforderung besteht nun darin, den Laborprototyp in ein kommerzielles System umzuwandeln, das in Massenproduktion hergestellt und verbreitet werden kann.

„Dies ist eine Teamleistung, die ohne unsere vier verbundenen, aber unterschiedlichen Hintergründe nicht möglich wäre“, fuhr er fort. „Die HD-DOT-Bildgebung des Gehirns war ursprünglich Joes Idee, und Adam hat dazu beigetragen, die Fähigkeiten der Technologie zu entwickeln und zu erweitern, insbesondere im Hinblick auf die pädiatrische Bildgebung. Ed bringt Fachwissen in den Bereichen Elektrotechnik und Computertechnik sowie gemischtes analoges/digitales Hardware- und Softwaredesign mit, das es ihm ermöglicht hat, dieses System neu zu entwerfen und auf neue Weise aufzubauen. Mein Hintergrund liegt in der computergestützten Bildgebungswissenschaft und Signalverarbeitung. Um diese Obergrenze Wirklichkeit werden zu lassen, sind all unsere unterschiedlichen Fähigkeiten und unser Fachwissen erforderlich.“

Über die Washington University School of Medicine

WashU Medicine ist weltweit führend in der akademischen Medizin, einschließlich biomedizinischer Forschung, Patientenversorgung und Bildungsprogrammen mit 2.800 Lehrkräften. Sein Forschungsfinanzierungsportfolio der National Institutes of Health (NIH) ist das drittgrößte unter den US-amerikanischen medizinischen Fakultäten, ist in den letzten sechs Jahren um 52 % gewachsen, und zusammen mit institutionellen Investitionen stellt WashU Medicine jährlich weit über 1 Milliarde US-Dollar für Grundlagenforschung und klinische Forschung bereit Innovation und Ausbildung. Die Fakultätspraxis gehört durchweg zu den Top 5 des Landes. Mehr als 1.800 Fakultätsärzte praktizieren an 65 Standorten und sind auch das medizinische Personal der Kinderkrankenhäuser Barnes-Jewish und St. Louis von BJC HealthCare. WashU Medicine blickt auf eine lange Geschichte in der Ausbildung von Medizinern und Doktoranden zurück, hat kürzlich 100 Millionen US-Dollar für Stipendien und Lehrplanerneuerungen für seine Medizinstudenten bereitgestellt und bietet erstklassige Ausbildungsprogramme in allen medizinischen Fachgebieten sowie in der Physiotherapie, Ergotherapie und Audiologie und Kommunikationswissenschaften.

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Schriftsteller

Tamara Bhandari

Leitender Autor für medizinische Wissenschaft

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Tamara deckt Infektionskrankheiten, molekulare Mikrobiologie, Neurologie, Neurowissenschaften, Chirurgie, das Institut für Informatik, die Abteilung für Ärzte und Wissenschaftler sowie das MSTP-Programm ab. Sie verfügt über einen Doppel-Bachelor-Abschluss in molekularer Biophysik und Biochemie sowie in Soziologie von der Yale University, einen Master-Abschluss in öffentlicher Gesundheit von der University of California, Berkeley, und einen Doktortitel in biomedizinischer Wissenschaft von der University of California, San Diego. Sie kam 2016 zu WashU Medicine Marketing & Communications. Sie hat drei Robert G. Fenley-Schreibpreise von der American Association of Medical Colleges erhalten: einen Bronzepreis im Jahr 2020 für „Das Qualitätskontrollzentrum des Geistes befindet sich in einem lange ignorierten Gehirnbereich“, einen Silberpreis im Jahr 2020 2022 für „Mäuse mit halluzinationsähnlichem Verhalten geben Aufschluss über psychotische Erkrankungen“ und Bronze im Jahr 2023 für „Die Rasse der Menschen, bei denen Alzheimer-Bluttests durchgeführt werden, kann die Interpretation der Ergebnisse beeinflussen.“