科学家成功让激光穿透人类大脑

突破性技术为廉价医学成像设备铺平道路

长期以来，想要观察人类大脑内部活动的研究人员面临着一个两难选择：脑电图（EEG）设备价格便宜且便于携带，但只能读取大脑外层的信号；而功能性磁共振成像（fMRI）虽然能够深入探测大脑深层，但设备昂贵且体积庞大。如今，英国格拉斯哥大学的一个研究团队开发出了一种新技术，有望实现fMRI的探测深度，同时保持EEG设备的便携性和低成本特点。这项技术的核心在于一个此前被认为不可能实现的突破——让光线完全穿透人类头部。

光学脑成像的挑战

众所周知，人类头部几乎不透光。多年来，利用光线进行脑成像的技术（称为光学脑成像）一直受到这一障碍的限制，难以在研究和临床实践中得到广泛应用。光学脑成像主要使用近红外光，人体组织对这种波长的光相对透明。然而，人类头部对光线的阻挡能力极强，格拉斯哥研究团队发现，只有十亿分之一的十亿分之一的近红外光子能够从成年人头部的一侧完全穿透到另一侧。

这样的统计数据曾让该领域的许多专家认为，让光线穿透大脑深层是不可能的，直到格拉斯哥大学丹尼尔·法乔（Daniele Faccio）的研究团队最近成功实现了这一突破。

五年的坚持与突破

研究人员解释说：”有很多光学技术用于监测脑活动，它们的激光探测器通常相距三厘米或五厘米。但从来没有人真正尝试过让光线完全穿透头部。”

研究团队首先使用厚重的光散射材料进行实验，发现光线确实可以穿过相当于人类头部厚度的材料到达光电探测器。随后，他们设计了一个实验来测试近红外光穿透志愿者头部的极限。

研究团队测量了数百万个光子从1.2瓦特、波长800纳米的激光器出发，穿过志愿者头部一侧到达另一侧探测器所需的时间。每个时间数据代表单个光子可能穿过头部的路径。他们还模拟了光子的传播路径，并构建了实验和模拟时间的分布图。由于两个分布图非常相似，他们能够确认探测到的不是房间内的随机光子。

然而，这个过程并非一帆风顺。拉德福德坦言：”论文中没有写的是我们五年来进行的那些没有成功的实验。”研究团队需要经过多次实验设置的迭代，才最终找到了那十亿分之一的十亿分之一能够穿透头部的光子。

克服技术难题

研究团队做出的一个重要改进是减少背景噪声。由于穿透头部的光子数量极少，房间内反弹的光子比真正穿透头部的光子更容易被探测器捕获。为了解决这个问题，他们采取了多种措施：在受试者头部覆盖黑布，在黑盒中进行整个实验，让受试者穿上类似睡袋的装置，并在最上层再加一层黑色覆盖物。

除此之外，研究团队还尝试了不同的激光器，调整光束大小和波长，发明了新的实验装置来改善信号，其中一些甚至涉及自行车头盔和下巴带。

深层光学脑成像的前景

杜克大学生物医学工程系教授罗克·霍斯特迈尔（Roarke Horstmeyer）虽然没有参与格拉斯哥的研究，但他评价说：”迄今为止的应用几乎只专注于大脑表面——这是目前技术所能做到的。”这项研究”有助于评估和确定这种光学技术是否能够开始到达那些更深的区域。”

拉德福德正在探索未来深层穿透光学脑成像在临床和医疗环境中的应用方式，特别是帮助量化大脑健康状况。对于认知衰退、神经退行性疾病、脑雾和脑震荡等一系列难以量化的疾病，医院通常使用问卷调查来确定大脑功能。拉德福德指出：”目前还没有真正的生物标志物来评估大脑健康状况及其随时间的变化。”

能够到达大脑深层的光学成像工具可以提供一种更易获得和确定性的方法来识别这些难以量化的疾病。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

中风诊断的新希望

拉德福德感兴趣的另一个应用是中风的快速诊断。目前，要在发生严重神经损伤之前正确识别和治疗中风，需要在几小时内获得CT扫描和MRI来确定中风的确切原因。但这些扫描费用昂贵，使得治疗的可及性降低。如果在不知道原因的情况下开具中风治疗处方，可能会导致致命后果。使用光学脑成像方法的床边大脑扫描仪可以快速且更便宜地识别中风原因，从而实现快速诊断和治疗。

拉德福德对昂贵的深层穿透成像设备与便宜但浅层传感器之间的艰难权衡开始被打破感到兴奋。他说，医生和研究人员”没有意识到他们可以使用脑成像，因为他们一直认为使用MRI是不可能的……现在MRI不再是问题，与临床医生交谈并探索它在诊断和治疗中的不同潜在用途令人兴奋。”

仍需克服的挑战

然而，这项技术要在临床环境中成功应用还需要克服一些障碍。首先，这项研究本身并没有对大脑深层进行成像，只是让光子穿透了头部。霍斯特迈尔指出：”这项技术还有很长的路要走，仍处于起步阶段。”

另一个障碍是受试者头部解剖结构的差异。在对八名志愿者进行的实验试验中，拉德福德的团队只能在一名皮肤白皙且无头发的参与者身上检测到信号。

霍斯特迈尔解释说：”当你完全穿过头部时，光照水平非常低，仅仅是你的肤色、颅骨厚度或发型就可能造成能否检测到的差异。”

拉德福德认为，通过改变激光功率和光束大小可能有办法克服人体解剖结构的差异，但他承认这些改变可能会导致空间分辨率问题。他说，这”在我看来仍然是一个未解决的问题”。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

开启新的可能性

尽管面临这些挑战，拉德福德强调，这项研究的目的只是为了证明让光子穿透整个人类头部在物理上是可能的。他说：”测量的意义在于证明以前被认为不可能的事情，我们已经证明是可能的。希望这能够激励下一代这些设备的发展。”

现在，测量穿透大脑深层的光子的可能性为更便宜、更易获得、更深层穿透的脑成像技术开辟了一系列新的可能性。这项突破性研究不仅挑战了传统认知，也为未来的医学诊断和脑健康监测提供了新的希望。

随着技术的不断完善和改进，我们期待这种新型的光学脑成像技术能够在不久的将来走进临床，为更多患者提供便捷、经济且有效的脑部检查手段。