Специальный выпуск журнала "Психофизиология" содержит восемь статей, направленных на освещение комплекса методик исследования мозга человека, основанных на использовании ближнего инфракрасного света с психофизиологической точки зрения. Все эти методы были разработаны в течение последнего десятилетия и открыли новые возможности по изучению функций мозга. Оптические методы имеют ряд преимуществ:
- Они могут отображать как нейронную, так и гемодинамическую активность, а в некоторых случаях и анатомические детали.
- Они могут быть адаптированы к ряду экспериментальных и практических условий и легко сочетаться с другими методами, такими как электрофизиологические, электромагнитные и магниторезонансные (МРТ) методы визуализации.
Основное ограничение этих методов связано с недостаточным проникновением света в живые ткани. Это исключает возможность проведения работ с конструкцией, расположенной на расстоянии более 5 см от поверхности головки.
Предположим, что только один из миллиарда фотонов (частицы света) попадает из источника света через ткань в детектор и далее предположим, что источник излучает, например, 1020 фотонов Fa кратковременно под воздействием солнечного света: Тогда сигнал все равно будет миллиард фотонов.
Учитывая, что современные устройства могут обнаруживать отдельные фотоны, становится очевидным, что сигнал может давать достаточно информации по разным параметрам, таким как плотность фотонов, время прохождения, фаза, дисперсия волновых пакетов, помехи и так далее.
Степень значимости этих разных типов информации для визуализации функций организма и мозга остается захватывающим экспериментальным приключением на долгие годы вперед.
Оптические устройства
При оптическом методе визуализации сигналов мы можем наглядно видеть взаимодействие фотонов с тканями. Существует четыре основных типа таких взаимодействий:
- поглощение (т.е. энергия фотона передается в ткань, как правило, в виде тепла),
- фосфоресценция (т.е. энергия фотона высвобождается тканями с опозданием, образуя фотон со схожим значением, для низкой энергии),
- флуоресценция (т.е, энергия фотона высвобождается частично в виде фотона меньшей энергии, остальное рассеивается в виде тепла или другого фотона, имеющего меньшую энергию) и
- рассеяние (то есть фотон остается такой же энергии и просто отклоняется по своей траектории).
Конечно, другой альтернативой является фотон со средним значением взаимодействия.
Методы визуализации оптического мозга
Существуют три возможных метода, которые позволяют измерять оптические свойства в естественных условиях. Сначала мы можем осветить расширенную часть ткани и исследовать свет, который отображается обратно (или рассеивается назад) на какой-то записывающий прибор.
Как показали исследования на животных и наблюдения во время операции, этот относительно простой измерительный аппарат может быть использован для получения очень полезной информации, а именно, об изменениях потока крови в различных областях коры головного мозга. При соответствующих параметрах измерения могут иметь очень высокое пространственное и даже заметное временное разрешение.
При таком подходе к измерению, большая часть отражений поступает от самого первого взаимодействия фотонов с освещенной тканью, которое в силу рассеивающих характеристик самой ткани происходит в пределах 1-2 мм от поверхности. Это первое "отражение" создаст высококогерентные изображения, которые, по сути, могут быть использованы для создания очень детальных схем. Часть фотонов, будет проникать в ткани глубже.
Однако, поскольку эти фотоны будут "отскакивать" от ткани, прежде чем появятся на поверхности, они будут создавать непоследовательное изображение, которое будет исчезать на фоне когерентного изображения, создаваемого исходным отражением, и его будет трудно визуализировать.
Статьи из журнал.
Из восьми статей этого специального выпуска одна из них посвящена обзору ОКТ, а семь - эмпирических и обзорных статей, связанных с методами фотонной миграции. Из них три статьи посвящены исследованию сигнала " быстро", в то время как остальные четыре статьи посвящены гемодинамическим сигналам ''медленно''.
По сравнению с другими методами визуализации, оптическая визуализация, когда она проводится на регулярной основе, будет недорогой и безопасной. Он легко добавляется в стандартные психофизиологические лаборатории и даже включается в амбулаторные измерения.
В условиях стремительного развития квантовой оптики и техники, например, возможности генерировать световые импульсы в фемтосекундах (10-15 с) или использовать многократное динамическое рассеяние света, на горизонте появляются совершенно новые способы оптической визуализации и вместе с уже существующими подходами открывают светлое будущее для психофизиологии.