Физики продемонстрировали первый успешный случай обнаружения света, прошедшего через весь череп взрослого человека, преодолев уровень затухания, который ранее считался невозможным.
Опубликованное в журнале исследование раскрывает, как тщательно разработанные лазерные системы и методы детектирования одиночных фотонов позволили ученым отследить фотоны, преодолевшие 15,5 см через человеческую голову — достижение, имеющее глубокие последствия для технологий неинвазивного сканирования мозга.
Команда использовала специальный импульсный лазер и систему подсчёта одиночных фотонов с временной корреляцией, чтобы зафиксировать фотоны, прошедшие через кожу, череп, спинномозговую жидкость и мозговую ткань. Несмотря на ослабление сигнала, эквивалентное выживанию всего одного фотона на квинтиллион испущенных, система регистрировала примерно один фотон в секунду после 30 минут сбора данных.
Так как же это выглядело на практике?
В экспериментальной установке, напоминающей самую точную в мире игру в лазертаг, исследователи направляли световые импульсы на одну сторону головы участника, в то время как сверхчувствительный детектор ждал с противоположной стороны, готовый поймать уцелевшие фотоны. Заблокировав весь остальной свет в помещении, ученые наблюдали, начнет ли детектор регистрировать какие-либо фотоны.
Предыдущие компьютерные моделирования предсказывали, что свет должен пройти через мозг по определенным траекториям, чтобы выйти с другой стороны, и экспериментальные результаты оказались поразительно близки к этим прогнозам. Хотя фотонам действительно удавалось пройти через плотную и сложную структуру мозга и выйти с противоположной стороны, чаще всего они предпочитали двигаться через спинномозговую жидкость (прозрачную защитную жидкость, окружающую головной и спинной мозг).
С клинической точки зрения, эта технология может революционизировать доступ к диагностике глубоких слоев мозга. Существующие оптические методы сканирования мозга, такие как функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS), проникают только на 4 см, что ограничивает мониторинг поверхностью мозга. В отличие от этого, проходящие фотоны в данном исследовании несли информацию из борозд (складки мозга), ядер среднего мозга и областей мозжечка, которые являются критически важными для понимания неврологических расстройств. Авторы предполагают, что портативные версии могут обнаруживать подкорковые кровоизлияния или опухоли в условиях ограниченных ресурсов, где МРТ остается недоступной.
Однако остаются значительные препятствия
Успешное обнаружение произошло только у одного из восьми испытуемых со светлой кожей и без волос, что подчеркивает биологическую изменчивость оптических свойств. Практические проблемы также создают 30-минутное время сбора данных и использование лазеров мощностью 1,2 Вт, которые находятся вблизи пределов безопасности для воздействия на кожу. Достаточно сказать, что хотя облучение головы лазером сработало, для практического применения в медицине необходимо доработать эту технологию.
Тем не менее, это исследование создает основу для разработки оптических систем, сочетающих в себе портативность ЭЭГ и глубинное разрешение фМРТ, что может стать значительным вкладом в доступность здравоохранения во всем мире. С развитием вычислительных методов и технологий детектирования мечта о доступной неинвазивной визуализации глубоких слоев мозга становится все более реальной.
Физики продемонстрировали первый успешный случай обнаружения света, прошедшего через весь череп взрослого человека, преодолев уровень затухания, который ранее считался невозможным.
Опубликованное в журнале исследование раскрывает, как тщательно разработанные лазерные системы и методы детектирования одиночных фотонов позволили ученым отследить фотоны, преодолевшие 15,5 см через человеческую голову — достижение, имеющее глубокие последствия для технологий неинвазивного сканирования мозга.
Команда использовала специальный импульсный лазер и систему подсчёта одиночных фотонов с временной корреляцией, чтобы зафиксировать фотоны, прошедшие через кожу, череп, спинномозговую жидкость и мозговую ткань. Несмотря на ослабление сигнала, эквивалентное выживанию всего одного фотона на квинтиллион испущенных, система регистрировала примерно один фотон в секунду после 30 минут сбора данных.
Так как же это выглядело на практике?
В экспериментальной установке, напоминающей самую точную в мире игру в лазертаг, исследователи направляли световые импульсы на одну сторону головы участника, в то время как сверхчувствительный детектор ждал с противоположной стороны, готовый поймать уцелевшие фотоны. Заблокировав весь остальной свет в помещении, ученые наблюдали, начнет ли детектор регистрировать какие-либо фотоны.
Предыдущие компьютерные моделирования предсказывали, что свет должен пройти через мозг по определенным траекториям, чтобы выйти с другой стороны, и экспериментальные результаты оказались поразительно близки к этим прогнозам. Хотя фотонам действительно удавалось пройти через плотную и сложную структуру мозга и выйти с противоположной стороны, чаще всего они предпочитали двигаться через спинномозговую жидкость (прозрачную защитную жидкость, окружающую головной и спинной мозг).
С клинической точки зрения, эта технология может революционизировать доступ к диагностике глубоких слоев мозга. Существующие оптические методы сканирования мозга, такие как функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS), проникают только на 4 см, что ограничивает мониторинг поверхностью мозга. В отличие от этого, проходящие фотоны в данном исследовании несли информацию из борозд (складки мозга), ядер среднего мозга и областей мозжечка, которые являются критически важными для понимания неврологических расстройств. Авторы предполагают, что портативные версии могут обнаруживать подкорковые кровоизлияния или опухоли в условиях ограниченных ресурсов, где МРТ остается недоступной.
Однако остаются значительные препятствия
Успешное обнаружение произошло только у одного из восьми испытуемых со светлой кожей и без волос, что подчеркивает биологическую изменчивость оптических свойств. Практические проблемы также создают 30-минутное время сбора данных и использование лазеров мощностью 1,2 Вт, которые находятся вблизи пределов безопасности для воздействия на кожу. Достаточно сказать, что хотя облучение головы лазером сработало, для практического применения в медицине необходимо доработать эту технологию.
Тем не менее, это исследование создает основу для разработки оптических систем, сочетающих в себе портативность ЭЭГ и глубинное разрешение фМРТ, что может стать значительным вкладом в доступность здравоохранения во всем мире. С развитием вычислительных методов и технологий детектирования мечта о доступной неинвазивной визуализации глубоких слоев мозга становится все более реальной.
