测量人类大脑的活动仍然是科学和医学领域最大的挑战之一。尽管最近在成像和纳米科学等领域取得了技术进步，但研究人员仍然难以准确检测认知能力。目前，功能性磁共振成像(MRI)被用于测量大脑活动，但这种方法要求患者躺在一个巨大、嘈杂且昂贵的设备中不动。需要一种便携式和非侵入性的方法来阐明大脑如何在更自然的环境中进行日常生活活动。

2013年，美国国立卫生研究院发起了一项倡议，通过资助该领域关键领域的项目，鼓励对神经科学进行更多研究。其中一个这样的项目是由马萨诸塞州总医院(MGH) Athinoula a . Martinos生物医学成像中心领导的，与麻省理工学院林肯实验室和波士顿大学合作，开发一种高性能的脑成像方法，可以比以往任何时候都更准确地监测脑血流。大脑对血液流动的调节取决于一个人所从事的精神和身体任务。用便携式系统精确绘制脑血流量将使研究人员深入了解认知。

林肯实验室高级成像仪技术小组的研究小组成员乔纳森·理查森说:“这种新方法被称为时域漫射相关光谱(TD-DCS)，它的工作原理是使用光纤将激光传输到大脑和从大脑发送出去。”该方法将被集成到一个类似帽子的系统中，该系统有64个传输点和192个接收点，这些点被组织成一组，称为光电器件，间隔1厘米，几乎覆盖整个头皮。光从每个光导器的发射器扩散，在红细胞的血红蛋白上反弹，并返回到周围的几个接收器。

血细胞是不断移动的，它们移动得越快，返回光信号的强度波动就越快。研究人员可以利用这种波动率来测量血液流动速度。

在项目早期，该团队致力于优化用于脉冲的光的波长。组织和血液对不同波长的光有不同的吸收和散射。这些效应可以吞噬光信号，这样就不会有任何信号反射回接收器。通过建模和测量，他们确定1064纳米激光可以安全地传输几乎11倍多的光子，到达比目前使用的更短波长的大脑更深25%的区域。此外，一种1064纳米的激光器很容易通过商业脉冲光纤激光技术生产。

为了使接收器对从大脑深处返回的微弱光信号敏感，研究小组使用了林肯实验室开发的一种自定义探测器技术，称为盖革模式雪崩光电二极管(GmAPDs)。

研究人员Brian Aull说:“GmAPD是一种可以对单个光子做出快速电脉冲响应的设备。”“我们可以检测到脉冲，并以数字方式测量其发生时间，这使得探测器非常敏感。我们需要这一点，因为大多数光散射到随机的方向，只有一小部分散射到正确的方向，到达探测器。”

经过20年的研制，这些gmapd参与了林肯实验室的许多关键项目。该项目是gmapd的第一个医疗应用，它与专门为此用途设计的新型读出集成电路(ROIC)相结合。

“经过多年的天文学和国家安全应用的开发和演示，我们很高兴看到我们的探测器技术在医学上产生了影响。”先进成像仪技术集团的负责人Erik Duerr说。

GmAPD技术还解决了不相关的返回光信号的问题——特别是那些被头皮细胞而不是大脑血液反射的光信号——这可能会混淆结果。

“它们是有门控的。”奥尔说，“这意味着它们只能在选定的时间间隔内打开。”从头皮反射回来的光子会比从大脑深处反射回来的光子更快地返回到光电器件。“通过延迟开启，系统可以忽略这些早期光子。”

到目前为止，该团队成功地使用单个商业探测器在人体受试者中演示了1064纳米的TD-DCS。他们现在专注于ROIC和GmAPD集成探测器的实现和测试。2024年，他们计划将该系统移交给MGH团队，后者将其与他们的激光系统集成。

理查森说:“这项技术与创伤性脑损伤的诊断和跟踪具有直接的临床相关性，并且可以在野外正向创伤护理期间监测大脑灌注。”“从长远来看，我们希望这项技术可以帮助治疗士兵的精神疾病，如创伤后应激障碍、抑郁症和自杀倾向。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。