Исследовательская группа из Университета Глазго в Великобритании совершила крупный прорыв: они впервые успешно обнаружили световые сигналы, проникающие через весь череп взрослого человека.Это последнее исследование, опубликованное в журнале Neurophotonics, преодолевает ограничения глубины существующей технологии оптической визуализации мозга и, как ожидается, приведет к созданию новых устройств, которые смогут обнаруживать более глубокие ткани мозга.
Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS) десятилетиями использовалась как неинвазивный метод определения функций мозга. Принцип состоит в том, чтобы косвенно отразить нервную активность путем анализа изменений в поглощении ближнего инфракрасного света определенных длин мозговым кровотоком.
Несмотря на преимущества портативности и низкой стоимости, традиционный fNIRS имеет существенные ограничения: свет может проникать только на глубину около 4 сантиметров на поверхность мозга, что затрудняет доступ к глубоким областям мозга, тесно связанным с памятью, регуляцией эмоций, двигательными функциями и т. д. Это привело к техническому затруднению в исследованиях глубоких тканей мозга без использования дорогостоящего и громоздкого оборудования для магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа разработала инновационный план эксперимента: использование мощного импульсного лазера в качестве источника света в сочетании со сверхвысокочувствительным однофотонным детектором и проведение измерений в условиях, строго защищенных от окружающего света.В конце концов им удалось зафиксировать слабые световые сигналы, которые входили с одной стороны головы, проникали через весь череп и выходили с другой стороны.
Чтобы гарантировать надежность результатов, команда не только провела точные эксперименты по проникновению в череп человека, но также использовала технологию компьютерного моделирования, чтобы полностью восстановить путь распространения света в многослойных структурах черепа (таких как скальп, череп, спинномозговая жидкость и ткань мозга). Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными и раскрывают важное явление: когда фотоны проходят через сложную ткань мозга, они преимущественно распространяются вдоль структур с более низкими коэффициентами рассеяния, таких как спинномозговая жидкость.
Хотя нынешняя технология все еще имеет ограничения — один процесс обнаружения занимает около 30 минут, а испытуемые должны быть светлокожими и не иметь участков с волосами — это экспериментальное исследование обеспечивает новую дизайнерскую идею и физическую основу для разработки систем fNIRS следующего поколения.
Исследовательская группа прогнозирует, что благодаря непрерывной итеративной оптимизации источников света, детекторов и связанных с ними алгоритмов этот метод проникающего оптического обнаружения, как ожидается, превратится в портативное и экономичное решение для глубокой визуализации мозга.В будущем эта технология может применяться для быстрой диагностики инсульта, травмы головного мозга, опухолей головного мозга и других заболеваний у постели больного или на месте, особенно в особых случаях, когда невозможно использовать крупное МРТ-оборудование (например, в полевых условиях и в районах с ограниченными ресурсами).
