В течение многих лет исследователи применяли инфракрасное освещение для анализа структуры мозга. Этот метод был безопасен для пациента и позволял достигать лишь поверхностных слоев мозга, на глубину около 4 сантиметров, что часто бывает достаточно для исследования поверхности головного мозга.
Однако, для изучения более глубоких областей мозга, отвечающих за память, эмоции и двигательные функции, требовались другие, более сложные и затратные методы, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ), которые включают в себя громоздкое оборудование.
Ученые из Глазго сумели показать, что лазерное излучение может проникать вглубь мозга, и этот свет можно зафиксировать. В рамках эксперимента использовался инфракрасный лазер со следующими характеристиками: мощность 1,2 Вт, длина волны 800 нм, импульс длительностью 140 фемтосекунд и частота повторения 80 мегагерц. Лазерный луч расширялся до равномерного кругового пятна диаметром около 2,5 см и направлялся на боковую поверхность головы над ухом. Однофотонный детектор располагался на противоположной стороне головы.
Конструкция установки была разработана для подавления всего постороннего света и увеличения вероятности регистрации фотонов, прошедших сквозь череп и мозг. Чтобы исключить влияние внешних источников света на детектор, эксперимент проводился внутри светонепроницаемой камеры, полностью окружавшей голову. Камера была изготовлена из черного пенокартона и покрыта двумя слоями черной ткани, а также лазерной защитной пленкой. Верхняя часть туловища участника, начиная от талии, также была обернута двумя слоями черной ткани.
Ученые дополнительно использовали детальное компьютерное моделирование для прогнозирования пути света сквозь многослойную структуру мозга. Полученные результаты симуляций оказались очень близки к фактическим экспериментальным данным, что убедительно доказывает, что зафиксированные фотоны прошли через весь мозг.
Анализ моделирования выявил, что свет, как правило, движется по предсказуемым маршрутам, подчиняясь влиянию участков мозга с минимальным рассеянием, например, спинномозговой жидкости.
Это достижение открывает перспективу создания инновационных оптических приборов, способных проникать в более удаленные области мозга, чем это возможно с использованием существующих технологий.
На данный момент применяемый метод пока не пригоден для повседневного использования, поскольку для сбора необходимого объема данных требуется полчаса, и он эффективен только при работе с людьми со светлой кожей и отсутствием волос.
В перспективе, дальнейшее совершенствование этой методики может способствовать внедрению глубокой визуализации мозга в медицинские учреждения и домашние условия в более удобной и компактной форме. В конечном счете это может привести к разработке более эффективных средств для диагностики и контроля таких заболеваний, как инсульты, травмы головы или новообразования, особенно в тех местах, где недоступны МРТ или КТ.
Изучение мозга с помощью лазерного излучения
