光学脑成像,用读脑头盔「看穿」你的大脑

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03-15 10:52

我们每天都用脑子思考,但人的大脑复杂,精妙,也十分神秘,因此我们对它的了解依旧很少。但这些年来脑成像技术的发展,让研究人类大脑如何工作的科学家们,有了新进展。

美国一家神经技术新创公司 Kernel 的研究人员,开发了一种名为「Kernel Flow」的可穿戴设备,这个形似头盔的设备,采用 TD-fNIRS(时域功能性近红外光谱)技术,可通过记录局部血氧变化来测量大脑活动。

▲图片来自:Kernel

大多数非侵入式大脑扫描系统采用的是 fNIRS (连续波近红外光谱成像) 技术,使用近红外光谱中的光来测量大脑循环血液中血红蛋白对光吸收的变化。 TD-fNIR 被认为是无创光学脑成像设备的黄金标准,也不是一项新技术,但高成本,复杂性,大尺寸,采样频率不高等问题,限制了它的应用。

▲ 图片来自:Kernel

Kernel Flow 由 52 个模块组成,模块分布的四个区域,可覆盖额叶、顶叶、颞叶和枕叶皮质。每个模块都包含探测器与激光源,光源可发射 690nm 与 850nm 两种不同波长的激光,并通过头皮到达大脑。

▲ 图片来自:Kernel

激光源周围有六个六角形排列的探测器,每个探测器与光源的距离为 10 mm。探测器会拾取反射光,记录光子到达时间,每秒大约可探测超过十亿个光子。

探测器会将检测到的光子到达时间以 200 Hz 的采样率记录为直方图,整个系统的采样频率为 7.1 Hz。这些专为高光子计数率而设计的探测器,针对漫射光学断层扫描的 ToF 测量进行了优化,处理速度超过 1 × 10 的 9 次方/秒。

▲ 图片来自:SPIE.DIGITALLIBRARY

在 Kernel 进行的神经科学测试中,参与的两名志愿者在手指敲击任务期间,运动皮层上的通道有明显的血流动力学变化。此外,Kernel Flow 的 TD-fNIR 系统,还借助高采样率在其中一名志愿者额头上的通道识别出了心跳的振荡。

▲志愿者的测试数据,图片来自:SPIE.DIGITALLIBRARY

除了这些测试,Kernel 还计划使用 Flow 进行多项目标不同的研究。比如通过大脑图像来了解情绪、氯胺酮等迷幻药物的副作用、注意力持续时间等研究。

不过,Kernel 的研究人员表示,这项技术目前还有一定的局限性,比如头发质地和皮肤类型会影响大脑成像的结果。

▲ 图片来自:Twitter

但目前这个仅重 2.2 公斤,由小型激光驱动器、定制集成电路和专用检测器构建的设备,性能已经与台式系统类似。虽然商业化的可行性还有待提高,但不久之后,我们或许就能像测试心率那样测量大脑功能。

 

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