12 апреля 2008 г.

Изучение активности головного мозга путем свечения лазером в лоб

Заголовок -- вовсе не шутка и не черный юмор, а реально работающая методика наблюдения за активностью внешних отделов головного мозга без какого-либо механического вмешательства в организм (то, что по-английски называется non-invasive diagnostics).

Выглядит это примерно так. Человеку на череп светят коротким (меньше наносекунды) импульсом света совсем небольшой мощности, например, как от лазерной указки. Этот световой импульс частично отражается от поверхности, а частично заходит внутрь ткани и начинает там рассеиваться и поглощаться. Фотоны хаотично блуждают внутри ткани, многократно рассеиваясь на оптических неоднородностях, и при этом изредка возвращаются обратно на поверхность. Причем чем глубже фотоны забурились внутрь ткани, тем позже -- и тем меньшая их доля! -- выйдет наружу. Эти фотоны можно отловить фотодатчиком, изучить распределение вышедших фотонов по времени, и таким путем восстановить оптические (рассеивательные и поглощательные) свойства тканей на разной глубине.

Данные типичного эксперимента (см., например, недавнюю статью Phys.Rev.Lett. 100, 138101 (2008)) такие: выходящие фотоны еще видны через несколько наносекунд после импульса и отвечают глубине 1-2 см (т.е. проходят через череп, чувствуют поверхностные отделы мозга и возвращаются обратно). Легко увидеть, насколько диффузным является рассеяние фотонов: за такое время они проходят суммарную дистанцию порядка полуметра, но при этом не выходят за пределы области размером в несколько сантиметров.

Конечно, поскольку любая биологическая ткань не абсолютно прозрачна, свет будет частично поглощаться. Однако в мягких тканях поглощение не такое сильное, как можно было бы навскидку предположить -- в основном там идет рассеяние. Наверно многие "баловались" с лазерной указкой -- если в темной комнате посветить ею на ладонь, то с тыльной стороны видно, что рука как бы светится, а на месте костей есть заметные затемнения. Т.е. несколько сантиметров мягкой ткани свету пройти не проблема.

С черепом сложнее, но и его можно просветить насквозь, ведь это тоже не сплошная перегородка, а пористая среда. Конечно, при этом значительная доля фотонов поглотится, но для современной регистрирующей аппаратуры это не страшно. Милливаттный лазер дает порядка 1016 фотонов в секунду. Даже если обратно вернется всего одна триллионная доля фотонов, то все равно 10 тысяч фотонов в секунду фотодатчик легко зарегистрирует.

Такие эксперименты на человеке делались уже достаточно давно, правда ссылку на первую работу я пока не нахожу. Цитированная выше работа вовсе не пионерская, а посвящена чисто техническим усовершенствованиям этой методики. Но в ней описан простой реальный эксперимент на человеке. Пациент выполняет простое моторное задание (стучит пальцем руки по столу), а лазер с датчиком, установленные напротив левой моторной области коры головного мозга (которая управляет движениями правой руки), пытаются увидеть мозговые проявления этого действия. И действительно, были заметные четкие различия между случаями, когда пациент стучал пальцем левой руки, правой руки или вообще не стучал. В биологию этого явления (что именно там в могзу начинает сильнее отражать фотоны) авторы не вдаются, а только показывают работу этой методики.

В общем, вывод такой -- иногда для диагностики активности мозга не требуется дорогая и сложная аппаратура или высокотехнологические методики. Достаточно посветить лазером в лоб. У этого есть, конечно, и свои минусы -- невысокая (пока что!) разрешающая способность (порядка 1 см) и ограниченность только поверхностными слоями. Но зато эта методика, в отличие от МРТ, простая, дешева и мониторит активность мозга в реальном времени.

5 комментариев:

  1. Здесь основная проблема наверное будет не столько в регистрации отраженных фотонов, сколько в том как интерпретировать полученный результат.

    ОтветитьУдалить
  2. Я думаю, от этой методики не ожидают какой-то особо детальной интерпретации. Можно лишь заметить изменения в организме и более-менее их локализовать. Ну максимум ещё -- изучить, как это выглядит на разных длинах волн, т.е. изучить спектральные свойства этих локальных изменений. А уж физиологическая интерпретация -- то ли кровь приливает, то ли еще что-то -- тут, мне кажется, не пройдет. Хотя кто знает...

    ОтветитьУдалить
  3. У себя отписал подробнее - но суть такова: особо ценных данных тут не получить (разрешение слишком уж плохое), но вот если спектр еще посмотреть - уже может получится ценная диагностическая штуковина.

    ОтветитьУдалить
  4. В нынешнем виде эта методика действительно страдает от плохого пространственного разрешения, и мозги мышек ей особо не изучишь. Однако кто знает, до чего она разовьётся через несколько лет. Кроме очевидного развития -- спектроскопии -- можно "свести" эту методику с другими, что может тоже дать интересные результаты. Вот например статья в Nature Biotechnology за 2003 год: Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain, где высокое разрешение как-то достигается фокусированием ультразвуковых волн.

    ОтветитьУдалить
  5. Мерфи23/4/08 22:42

    Для инфракрасного света кости почти прозрачны. Жир нет.

    Не думаю, что это чудесно или революционно:

    Подобный метод, с бородой и широким применением: насыщенность гемоглобина при просвете пальца, например пульс видно.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Pulsoxymetrie
    При порезе глазом артериальную кровь видно, а при ДТП порой и не только пальци синеют.

    Вот только сахар крови уже таким образом трудно замерить.

    ОтветитьУдалить