Các nhà khoa học tại Đại học Boston đã đạt được điều trước đây được cho là không thể: chiếu ánh sáng hoàn toàn xuyên qua đầu người. Đột phá này có thể dẫn đến công nghệ chụp ảnh não bộ di động và giá cả phải chăng như máy EEG, nhưng có khả năng thâm nhập sâu như máy quét MRI đắt tiền.
Nghiên cứu do Giáo sư David Boas dẫn đầu, đại diện cho một bước tiến lớn trong lĩnh vực chụp ảnh não bộ quang học. Các tùy chọn chụp ảnh não bộ hiện tại còn hạn chế - EEG rẻ và di động nhưng chỉ hiển thị hoạt động bề mặt, trong khi fMRI có thể nhìn sâu hơn nhưng có giá hàng triệu đô la và cần một máy có kích thước cả phòng.
So sánh Công nghệ Chụp ảnh Não hiện tại:
- EEG: Có thể mang theo và giá cả phải chăng, nhưng chỉ giới hạn ở hoạt động bề mặt não
- fMRI: Thâm nhập sâu vào não, nhưng đắt tiền (hàng triệu USD) và có kích thước bằng cả căn phòng
- Phương pháp quang học mới: Có khả năng kết hợp tính phải chăng của EEG với khả năng thâm nhập sâu của fMRI
- Ứng dụng mục tiêu: Chẩn đoán đột quỵ, đánh giá sức khỏe tâm thần, giám sát hoạt động não nói chung
Thách thức của việc truyền ánh sáng
Đầu người nổi tiếng là không cho ánh sáng đi qua. Hộp sọ và mô não làm tán xạ ánh sáng nhiều đến mức thông thường chỉ có khoảng một trong một triệu photon có thể đi từ bên này sang bên kia của đầu. Đây là trở ngại chính ngăn cản việc chụp ảnh não bộ quang học tiếp cận các vùng não sâu hơn.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại ở bước sóng 800 nanometer từ laser 1,2 watt. Họ đã cẩn thận đo thời gian của hàng triệu photon khi chúng di chuyển qua đầu của các tình nguyện viên. Thiết lập này đòi hỏi độ chính xác cực cao - thí nghiệm phải được tiến hành trong một khu vực kín hoàn toàn ánh sáng được xây dựng bằng tấm xốp đen, các lớp vải và rèm an toàn laser để ngăn bất kỳ ánh sáng lạc nào can thiệp vào tín hiệu cực yếu.
Thông số kỹ thuật:
- Bước sóng laser: 800 nanometer (hồng ngoại gần)
- Công suất laser: 1,2 watt
- Tỷ lệ truyền ánh sáng: Khoảng 1 trong 1 triệu photon
- Hạn chế hiện tại: Chỉ hoạt động ổn định trên tông da sáng
- Hồ sơ an toàn: Tương tự như tiếp xúc với ánh sáng mặt trời tự nhiên ở bước sóng 800nm
An toàn và hạn chế hiện tại
Công suất laser được sử dụng được coi là an toàn, vì ánh sáng mặt trời tự nhiên chứa các bước sóng 800 nanometer tương tự. Tuy nhiên, công nghệ hiện tại đang đối mặt với một hạn chế đáng kể: nó chỉ hoạt động đáng tin cậy trên những người có làn da sáng. Nhóm nghiên cứu thừa nhận đây là một rào cản lớn cần được khắc phục trước khi công nghệ có thể được áp dụng rộng rãi.
Công nghệ này sẽ còn phải đi một chặng đường dài, nó sẽ làm như vậy trong công việc tương lai. Các mối quan hệ khác nhau của sự biến đổi trong sắc tố mô của các đối tượng—sự đa dạng hơn của các đối tượng sẽ là cần thiết.
Các nhà nghiên cứu đang khám phá cách thích ứng hệ thống cho các tông màu da khác nhau bằng cách điều chỉnh tính chất photon, mặc dù điều này có thể đưa ra những thách thức kỹ thuật mới.
Ứng dụng y tế tiềm năng
Đột phá này mở ra những khả năng thú vị cho chẩn đoán y tế. Boas đặc biệt quan tâm đến chẩn đoán đột quỵ nhanh chóng - hiện tại, việc xác định và điều trị đột quỵ nhanh chóng đòi hỏi máy quét CT hoặc máy MRI đắt tiền không phải lúc nào cũng có sẵn ngay lập tức. Máy quét não quang học di động có thể cung cấp đánh giá đột quỵ nhanh hơn, dễ tiếp cận hơn.
Công nghệ này cũng có thể cách mạng hóa chẩn đoán sức khỏe tâm thần bằng cách cho các bác sĩ một cách giá cả phải chăng hơn để quan sát các mẫu hoạt động của não. Không giống như các phương pháp hiện tại chỉ hiển thị hoạt động não bề mặt, cách tiếp cận này có thể tiềm năng tiết lộ các quá trình não sâu hơn liên quan đến các tình trạng sức khỏe tâm thần khác nhau.
 |
|---|
| Hình ảnh minh họa các đường dẫn thần kinh phức tạp bên trong não bộ, phản ánh tiềm năng quan sát sâu hơn các quá trình não bộ với công nghệ hình ảnh mới |
Phản ứng cộng đồng và triển vọng tương lai
Cộng đồng khoa học đã thể hiện cả sự phấn khích và sự hoài nghi lành mạnh về nghiên cứu này. Một số chuyên gia lưu ý rằng hầu hết hoạt động não quan tâm thực sự xảy ra ở vỏ não - lớp ngoài của não - mà các công nghệ hiện có đã có thể tiếp cận. Thách thức thực sự sẽ là phát triển các phương pháp để phân biệt tín hiệu từ các vùng não khác nhau và tạo ra hình ảnh y tế hữu ích từ ánh sáng truyền qua.
Nghiên cứu này đại diện cho một bằng chứng về khái niệm hơn là một thiết bị y tế hoàn chỉnh. Thành tựu chính của nhóm là chứng minh rằng việc truyền ánh sáng qua toàn bộ đầu người là có thể, bất chấp hàng thập kỷ giả định trái ngược. Nền tảng này có thể truyền cảm hứng cho thế hệ tiếp theo của các thiết bị chụp ảnh não kết hợp khả năng chi trả của EEG với khả năng thâm nhập sâu của MRI.
Mặc dù vẫn còn những rào cản kỹ thuật đáng kể, đặc biệt là xung quanh khả năng tương thích tông màu da và xử lý tín hiệu, đột phá này chứng minh rằng các phép đo quang học dường như không thể có thể trở thành hiện thực với cách tiếp cận và quyết tâm đúng đắn.