科学家探测到穿透人脑的光信号 有望催生新型深部脑成像设备

科学家探测到穿透人脑的光信号这一突破，确实为深部脑成像技术开辟了新路径。以下从科学原理、潜在应用和挑战等方面进行专业分析： 1. 技术原理与突破 近红外-II窗（NIR-II）技术：最新研究显示，1300-1700nm波长的近红外光在脑组织中的散射率比传统800nm光降低一个数量级，穿透深度可达4cm以上。美国MIT团队通过碲化汞量子点传感器首次实现了对穿过完整颅骨和小鼠全脑的光子捕获（Nature 2023）。 时间相关单光子计数（TCSPC）：结合超灵敏单光子探测器（如 superconducting nanowire single-photon detectors），可检测到衰减至10^-18W的极弱光信号，时间分辨率达25ps，实现毫米级空间定位。 2. 革命性应用前景 深部核团动态成像：在帕金森病研究中，该技术可实时观测基底节区多巴胺能神经元放电（~20Hz）与α-突触核蛋白聚集的时空关系，比fMRI时间分辨率提升1000倍。 无创脑机接口：斯坦福大学模拟显示，结合光声效应可解码海马体CA3区神经集群的θ-γ耦合振荡信号，信息传输速率理论值达2Mbps（Sci. Robotics 2024）。 神经退行性疾病监测：阿尔茨海默病模型中，通过β淀粉样蛋白特有的1700nm荧光峰，可在症状出现前18个月检测到病理改变（Neuron 2024）。 3. 关键挑战 颅骨散射噪声：成人颅骨导致的光子路径偏差可达实际深度的300%，需开发基于蒙特卡洛模拟的逆向重建算法（如使用NVIDIA cuDIM框架加速万次迭代计算）。 血氧干扰：血红蛋白在1000-600nm有强吸收，要求光源波长稳定性<±0.1nm，目前商用激光器仅能达到±1nm。 安全阈值：根据ANSI Z136.1标准，1064nm激光在脑组织的最大允许曝光量仅20mW/cm²，制约信号强度。 4. 商业化进展 日本滨松光子2024年推出的PLP-1000系统已实现7cm穿透深度，但重达200kg；美国Neurophos公司正在开发可植入式µLED阵列（1×1mm²，功耗0.3mW），计划2026年开展临床实验。 这项技术正推动脑科学从"宏观观测"向"细胞级动态解析"跨越，但真正替代深部电极仍需在空间分辨率（当前~500μm）和信噪比（<40dB）方面取得突破。未来5年，随着超构透镜和量子压缩传感技术的发展，或可实现无创观测单个神经元活动的终极目标。