Учените за пръв път осветиха главата на човек от край до край – за какво е необходимо това?

Понастоящем основният начин за диагностициране на мозъчните заболявания са ЕЕГ и фМРТ, но и двата метода са далеч от идеалните. При ЕЕГ качеството на визуализацията не е много високо, а при fMRI се изисква използването на скъпи машини, които струват милиони. Възможно е обаче в близко бъдеще медицината да се сдобие с още един начин за диагностика – сканиране на главата с лазерна светлина. За първи път учени от университета в Глазгоу успяха да видят през главата на човек. До този момент всички съществуващи оптични методи позволяваха проникване на дълбочина не повече от 3-4 см.

Как работи методът за преминаване на светлината

Изследователите се сблъскват с почти невъзможната задача да прекарат светлината през тъканта на главата, където тя обикновено се разсейва и поглъща. Черепните кости, кожата, мозъчната тъкан – всички те създават огромна бариера, която отслабва светлината трилиони пъти. Но екипът от Глазгоу използва свръхбързи лазерни импулси (повече от трилион проблясъка в секунда) и свръхчувствителни фотоумножители, способни да улавят дори единичните фотони. От 10^18 фотона, насочени към слепоочието на доброволеца, само един е уловен от другата страна на главата – и това е достатъчно, за да се направи анализ.

Както съобщават изследователите, процесът е отнел около 30 минути. През това време те успели да уловят достатъчно сигнал, за да потвърдят преминаването на светлината през целия обем на главата, който е с диаметър около 15,5 см. Използваните лазери са били с мощност 1,2 вата при дължина на вълната 800 nm – параметри, безопасни за кожата, но достатъчно мощни, за да преодолеят масивния тъканен слой.

Как учените успяват да осветят главата от край до край

Тайната на успеха се оказа в анатомията. Фотоните, както са установили учените, предпочитат да „пътуват“ в областите с ниска дисперсия. Това е преди всичко ликвор – гръбначно-мозъчната течност, която обгражда и защитава мозъка. За разлика от костите и плътните тъкани ликворът има минимално разсейване и поглъщане на светлината, създавайки своеобразни светлинни тунели. Чрез компютърно моделиране изследователите са изчислили маршрутите, по които фотоните най-вероятно ще преминат през мозъка.

Когато лазерът е поставен по различен начин, светлината се движи по различни траектории – отгоре, отстрани или отдолу, заобикаляйки най-плътните зони. Тези вариации позволяват не само да се прекара фотон през главата, но и да се получи различна чувствителност към различните области на мозъка, включително тези, които преди това са били недостъпни за оптичните устройства.

Но въпреки успеха си методът все още не е универсален. Той проработи само при един доброволец от общо осем – мъж със светла кожа и без коса. Участниците с по-тъмна кожа и по-гъста коса давали твърде слаб сигнал – поглъщането и разсейването били твърде големи. Това е сериозно ограничение, което изисква по-нататъшно развитие и технически подобрения.

Освен това голямата продължителност на експеримента (30 минути) и необходимостта от скъпо оборудване правят метода засега неподходящ за масово приложение. Въпреки това изследователите са уверени, че подобренията в техниката ще позволят да се намали времето за визуализация и да се разшири обхватът на изследваните лица.

Как новото изобретение помага на медицината

Основното предимство на метода е възможността да се достигне до области на мозъка, където може да има тумори, кръвоизливи или възпаления, които не се виждат с помощта на традиционните повърхностни оптични технологии. За разлика от магнитно-резонансната томография, която изисква обемисто оборудване и продължително обучение, този метод може да се реализира в компактни устройства.

Учените вече са създали „карти на чувствителността“ на мозъка, които показват, че е възможно да се изследват структурите в малкия мозък, в гънките на кората и в средния мозък. Възможността да се анализират тези области е обещаваща за ранното откриване на инсулта, раковите процеси и мозъчните увреждания.

В бъдеще технологията би могла да се използва на „терен“ – например в линейки, селски клиники или в спешната медицина, където няма достъп до скъпоструваща диагностика. Лазерът и сензорът ще бъдат достатъчни, за да се получи първоначалната картина на състоянието на мозъка.