<p>測量人類大腦的活動仍然是科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。盡管最近在成像和納米科學(xué)等領(lǐng)域取得了技術(shù)進步，但研究人員仍然難以準(zhǔn)確檢測認知能力。目前，功能性磁共振成像(MRI)被用于測量大腦活動，但這種方法要求患者躺在一個巨大、嘈雜且昂貴的設(shè)備中不動。需要一種便攜式和非侵入性的方法來闡明大腦如何在更自然的環(huán)境中進行日常生活活動。</p> <p>&nbsp;</p> <p>2013年，美國國立衛(wèi)生研究院發(fā)起了一項倡議，通過資助該領(lǐng)域關(guān)鍵領(lǐng)域的項目，鼓勵對神經(jīng)科學(xué)進行更多研究。其中一個這樣的項目是由馬薩諸塞州總醫(yī)院(MGH) Athinoula a . Martinos生物醫(yī)學(xué)成像中心領(lǐng)導(dǎo)的，與麻省理工學(xué)院林肯實驗室和波士頓大學(xué)合作，開發(fā)一種高性能的腦成像方法，可以比以往任何時候都更準(zhǔn)確地監(jiān)測腦血流。大腦對血液流動的調(diào)節(jié)取決于一個人所從事的精神和身體任務(wù)。用便攜式系統(tǒng)精確繪制腦血流量將使研究人員深入了解認知。</p> <p>&nbsp;</p> <p>林肯實驗室高級成像儀技術(shù)小組的研究小組成員喬納森&middot;理查森說:&ldquo;這種新方法被稱為時域漫射相關(guān)光譜(TD-DCS)，它的工作原理是使用光纖將激光傳輸?shù)酱竽X和從大腦發(fā)送出去。&rdquo;該方法將被集成到一個類似帽子的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)有64個傳輸點和192個接收點，這些點被組織成一組，稱為光電器件，間隔1厘米，幾乎覆蓋整個頭皮。光從每個光導(dǎo)器的發(fā)射器擴散，在紅細胞的血紅蛋白上反彈，并返回到周圍的幾個接收器。</p> <p>&nbsp;</p> <p>血細胞是不斷移動的，它們移動得越快，返回光信號的強度波動就越快。研究人員可以利用這種波動率來測量血液流動速度。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在項目早期，該團隊致力于優(yōu)化用于脈沖的光的波長。組織和血液對不同波長的光有不同的吸收和散射。這些效應(yīng)可以吞噬光信號，這樣就不會有任何信號反射回接收器。通過建模和測量，他們確定1064納米激光可以安全地傳輸幾乎11倍多的光子，到達比目前使用的更短波長的大腦更深25%的區(qū)域。此外，一種1064納米的激光器很容易通過商業(yè)脈沖光纖激光技術(shù)生產(chǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了使接收器對從大腦深處返回的微弱光信號敏感，研究小組使用了林肯實驗室開發(fā)的一種自定義探測器技術(shù)，稱為蓋革模式雪崩光電二極管(GmAPDs)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員Brian Aull說:&ldquo;GmAPD是一種可以對單個光子做出快速電脈沖響應(yīng)的設(shè)備。&rdquo;&ldquo;我們可以檢測到脈沖，并以數(shù)字方式測量其發(fā)生時間，這使得探測器非常敏感。我們需要這一點，因為大多數(shù)光散射到隨機的方向，只有一小部分散射到正確的方向，到達探測器。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>經(jīng)過20年的研制，這些gmapd參與了林肯實驗室的許多關(guān)鍵項目。該項目是gmapd的第一個醫(yī)療應(yīng)用，它與專門為此用途設(shè)計的新型讀出集成電路(ROIC)相結(jié)合。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;經(jīng)過多年的天文學(xué)和國家安全應(yīng)用的開發(fā)和演示，我們很高興看到我們的探測器技術(shù)在醫(yī)學(xué)上產(chǎn)生了影響。&rdquo;先進成像儀技術(shù)集團的負責(zé)人Erik Duerr說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>GmAPD技術(shù)還解決了不相關(guān)的返回光信號的問題&mdash;&mdash;特別是那些被頭皮細胞而不是大腦血液反射的光信號&mdash;&mdash;這可能會混淆結(jié)果。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;它們是有門控的。&rdquo;奧爾說，&ldquo;這意味著它們只能在選定的時間間隔內(nèi)打開。&rdquo;從頭皮反射回來的光子會比從大腦深處反射回來的光子更快地返回到光電器件。&ldquo;通過延遲開啟，系統(tǒng)可以忽略這些早期光子。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>到目前為止，該團隊成功地使用單個商業(yè)探測器在人體受試者中演示了1064納米的TD-DCS。他們現(xiàn)在專注于ROIC和GmAPD集成探測器的實現(xiàn)和測試。2024年，他們計劃將該系統(tǒng)移交給MGH團隊，后者將其與他們的激光系統(tǒng)集成。</p> <p>&nbsp;</p> <p>理查森說:&ldquo;這項技術(shù)與創(chuàng)傷性腦損傷的診斷和跟蹤具有直接的臨床相關(guān)性，并且可以在野外正向創(chuàng)傷護理期間監(jiān)測大腦灌注。&rdquo;&ldquo;從長遠來看，我們希望這項技術(shù)可以幫助治療士兵的精神疾病，如創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、抑郁癥和自殺傾向。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>