据中国激光杂志社网，于2025年07月15日报道，当下，人脑结构的光学探测研究技术，大多聚焦于以激光受大脑组织散射成像；这种技术成熟度较高，但局限性也十分明显——难以突破厘米量级深度，与记忆、情感、运动等功能相关的深层脑区，始终是这项技术的“视野盲区”。近日，英国格拉斯哥大学研究团队提出了一种新的设想，通过提升探测激光功率，寻觅低衰减路径，使得光子完全透射人脑组织，以实现深层脑区的成像。通过严谨计算和巧妙设计装置结构，他们完成了这项“不可能”实现的任务。这一突破照亮了深层脑成像的未知领域，为破解大脑深层活动密码提供了全新可能。这项工作发表于最新一期的Neurophotonics上。
破解大脑迷宫：突破极限的光子捕捉技术
对每个人来说，大脑都是如此熟悉而又陌生：我们的每一次动作，每一个表情，每一份感情，都离不开大脑的指挥协调；但没有人能够清晰地知道，大脑在下达指令时的运作细节。当下，用于人脑无创成像的技术，面临成本与精度难兼顾的困局：或是便宜便携、但分辨率却不足（如脑电图），或是空间分辨率较高、但建设成本极其昂贵（如核磁共振成像）。对于中风、脑损伤、肿瘤等疾病，早期诊断和实时监测至关重要，这就需要诊断设备兼具探测精度、成本优势以及便携性等特点。
近年来，以多光子成像为代表的散射成像手段，虽然能够兼顾成本与成像精度，但却难以深入皮下组织对大脑深处结构进行有效探测。根据传统理论的计算结果，光子想要穿透成年人的头颅，需要克服1053量级的衰减，这也被学界公认为是一项“不可能”实现的任务，而这一衰减“魔咒”，也是长期以来制约相关技术发展的关键瓶颈。就在最近，这项持续数十年的“魔咒”，终于被打破。
该团队通过数值模拟，发现了脑组织中能够传导光子的“捷径”，在特定轨迹上，光子能量的衰减会大幅下降（如图1所示）。而通过搭建精巧的实验系统，该团队也证实，在模拟确定传播轨迹的前提下，光子能够直接穿过人类大脑结构，进而被探测器精准捕捉。这一突破照亮了深层脑成像的未知领域，也为破解大脑深层的瞬态活动密码提供了可能。
脑内“光子高速公路”的精准导航，让深层脑区靶向探测成为可能
基于光子模拟软件蒙特卡洛极限(MCX)，该团队使用蒙特卡洛射线追踪方法，对穿过大脑组织光子的衰减及分布情况进行了模拟：他们采用了基于核磁共振探测数据的六层头部体积网络模型，并结合大脑各组织在810 nm波段下已测明的光学系数，对光子在不同组织层中的传播进行了精确模拟。模拟结果显示，若光集中在低散射和低吸收区域（如脑脊液层），那么最终能够实现的衰减水平，将降低至1016量级。这也为实验中光的穿透路径，提供了理论依据及指导。
为进一步验证理论结果，该团队设计了如图2 (a) 所示的实验系统，他们采用高功率激光脉冲 (1.2 W/ 800 nm/ 140 fs/ 80 MHz)，扩束至1英寸后，照射志愿者头部的一侧，在其对侧则放置有高灵敏度的光电倍增管(PMT) 探测器，通过时间相关单光子计数 (TCSPC) 模块记录光子的飞行时间 (ToF) 分布，以最大程度地捕获穿越大脑的微弱光子。该实验装置经过精心设计，能够有效隔绝背景光源所产生的影响，确保检测信号的纯净性。实验结果显示，PMT最终测得了穿透全脑（直径约15.5 cm）的光子（图2 (b)-(c)），实验所测得的ToF分布与模拟结果，在峰值延迟时间和分布宽度上具有良好的一致性，表明实验中检测到的光子确实经过了穿越全脑的路径。
进一步分析，实验中所测得的实际衰减，约为1018量级，相当于1.2W的激光光源，每秒能够被探测到的光子数为1个。此数值虽然十分微弱，但却是光子穿透成人大脑的直接证据，颠覆了学界此前“不可能”实现这一任务的认知。通过对光子迁移路径的分析，研究人员发现，通过优化光源及探测器的位置，可以对大脑组织的不同区域，实现选择性的探测（如图3）。这一发现为设计针对特定脑区的成像技术提供了可能。
从实验室到临床的破壁之路，或许就在脚下
尽管实验仍然存在一定局限性，比如30分钟时间才能采集完一组数据，但它为下一代功能性近红外光谱技术提供了研究思路。未来，若能将这一技术实用化，那么无创、便携、低成本的深层脑成像设备有望走进诊所甚至家庭，为多种脑疾病的诊断与监测带来革命性变化。在缺乏核磁共振或CT设备的地区，这种新型光成像技术可能成为挽救生命的关键工具。例如，通过监测大脑深层的血氧变化，可以更早地发现中风迹象，为及时治疗争取宝贵时间。
从近红外散射到穿透大脑的光子，人类对大脑的探索又迈出了关键一步。未来，随着技术的不断进步，我们有理由相信:无创、精准的深层脑成像将不再是梦想。在创新驱动发展战略和医工融合转化的背景下，光学工程正在成为与医学相交叉最为紧密的领域，《中国激光》也在近期连续推出两大特色专题：“近红外响应聚集体材料及其生物医学光学成像应用”，“从结构到功能：光学相干层析成像35周年”。欢迎各位读者赐稿，共同推动光与医学交叉研究向前发展！
