測(cè)量人腦活動(dòng)仍然是科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨的最大挑戰(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(jìn)步，但研究人員仍在努力準(zhǔn)確檢測(cè)認(rèn)知。目前，功能性磁共振成像 (MRI) 用于測(cè)量大腦活動(dòng)，但這種方法需要患者靜止躺在大型、嘈雜且昂貴的設(shè)備中。需要一種便攜且無創(chuàng)的方法來闡明大腦在進(jìn)行日常生活活動(dòng)時(shí)如何在更自然的環(huán)境中運(yùn)作。
2013 年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院發(fā)起了一項(xiàng)倡議，通過資助該領(lǐng)域關(guān)鍵領(lǐng)域的項(xiàng)目來鼓勵(lì)對(duì)神經(jīng)科學(xué)研究進(jìn)行更多研究。其中一個(gè)項(xiàng)目由馬薩諸塞州總醫(yī)院 (MGH) Athinoula A. Martinos 生物醫(yī)學(xué)成像中心牽頭，與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室和波士頓大學(xué)合作，開發(fā)一種高性能腦成像方法，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)腦血流比以往任何時(shí)候都。大腦根據(jù)一個(gè)人從事的腦力和體力活動(dòng)以不同方式調(diào)節(jié)血流。使用便攜式系統(tǒng)準(zhǔn)確繪制腦血流圖將使研究人員深入了解認(rèn)知。
“這種新方法稱為時(shí)域漫反射相關(guān)光譜學(xué) (TD-DCS)，它通過使用光纖將激光傳輸?shù)酱竽X和從大腦傳輸，”林肯實(shí)驗(yàn)室高級(jí)成像技術(shù)小組的研究小組成員喬納森理查森說。該方法將被集成到一個(gè)類似于帽子的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)具有 64 個(gè)傳輸點(diǎn)和 192 個(gè)接收點(diǎn)，這些點(diǎn)被組織成稱為光極的組，間隔 1 厘米以覆蓋幾乎整個(gè)頭皮。“光從每個(gè)光極的發(fā)射器擴(kuò)散，從紅細(xì)胞中的血紅蛋白反射回來，然后返回到周圍的幾個(gè)接收器。”
血細(xì)胞在不斷地運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)得越快，返回的光信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)就越快。研究人員可以使用該波動(dòng)率來測(cè)量血流速度。
在該計(jì)劃的早期，該團(tuán)隊(duì)致力于優(yōu)化用于脈沖的光的波長(zhǎng)。組織和血液吸收和散射不同波長(zhǎng)的光的方式不同。這些效應(yīng)會(huì)吞噬光信號(hào)，以至于沒有任何東西會(huì)反彈回接收器。通過建模和測(cè)量，他們確定與目前使用的較短波長(zhǎng)相比，1,064 納米的激光可以安全地傳送近 11 倍的光子，并且可以到達(dá)更深 25% 的大腦區(qū)域。此外，商業(yè)脈沖光纖激光技術(shù)很容易產(chǎn)生 1,064 納米的激光。
為了使接收器對(duì)從大腦深處返回的微弱光信號(hào)敏感，該團(tuán)隊(duì)使用了一種由林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的定制檢測(cè)器技術(shù)，稱為蓋革模式雪崩光電二極管 (GmAPD)。
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