Ученые впервые зафиксировали прохождение света через голову человека

Физики продемонстрировали первый успешный случай обнаружения света, прошедшего через весь череп взрослого человека, преодолев уровень затухания, который ранее считался невозможным.

Опубликованное в журнале Neurophotonics 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.

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.