Scienty

Ученые-физики впервые успешно зафиксировали свет, прошедший сквозь череп взрослого человека, что позволило преодолеть уровень ослабления, который ранее признавался непреодолимым.

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, открывающее новые возможности для технологий неинвазивного сканирования мозга.

Для регистрации фотонов, проходящих через кожу, череп, спинномозговую жидкость и мозговую ткань, исследователи применили импульсный лазер и систему подсчёта одиночных фотонов с временной корреляцией. Даже с учётом значительного ослабления сигнала, когда на квинтиллион испущенных фотонов выживал всего один, система фиксировала приблизительно один фотон в секунду после получаса сбора данных.

Так как же это выглядело на практике?

Используя экспериментальную установку, схожую с высокоточной игрой в лазертаг, исследователи направляли световые импульсы на одну сторону головы участника. С другой стороны головы находился сверхчувствительный детектор, предназначенный для фиксации прошедших фотонов. Чтобы исключить влияние внешнего освещения, ученые затемнили помещение и наблюдали, будет ли детектор регистрировать световые фотоны.

На основе предыдущих компьютерных моделей предполагалось, что свет должен проходить через мозг по конкретным маршрутам, чтобы достичь другой стороны, и экспериментальные данные подтвердили эти прогнозы. Действительно, фотонам удавалось преодолевать плотную и сложную структуру мозга и выходить на противоположной стороне, однако чаще всего они выбирали путь через спинномозговую жидкость – прозрачную жидкость, которая окружает головной и спинной мозг).

С медицинской точки зрения, данная технология способна кардинально изменить возможности диагностики заболеваний глубоких структур мозга. Традиционные оптические методы сканирования мозга, например функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS), позволяют проникать лишь на глубину 4 см, что ограничивает возможность мониторинга областями, расположенными ближе к поверхности мозга. В данном исследовании фотоны, проходящие через ткани, передавали информацию из борозд, ядер среднего мозга и областей мозжечка, что имеет решающее значение для изучения неврологических расстройств. Авторы считают, что создание портативных устройств позволит выявлять подкорковые кровоизлияния или опухоли в условиях ограниченных ресурсов, где магнитно-резонансная томография (МРТ) недоступна.

Однако остаются значительные препятствия

Обнаружение оказалось успешным лишь у одного из восьми участников исследования со светлой кожей и отсутствием волос, что указывает на биологическую вариабельность оптических характеристик. Кроме того, практическая реализация затруднена из-за длительности сбора данных (30 минут) и использованием лазеров мощностью 1,2 Вт, что приближается к допустимым пределам безопасности для кожи. Следует отметить, что, несмотря на успешное лазерное облучение головы, для применения в медицине данная технология требует дальнейшей доработки.

Несмотря на это, данная работа закладывает фундамент для создания оптических систем, объединяющих удобство ЭЭГ и глубину фМРТ. Это может существенно повысить доступность медицинских услуг во всем мире. Благодаря прогрессу в области вычислительных методов и технологий обнаружения, перспектива доступной неинвазивной визуализации глубоких мозговых структур становится все более близкой.