多模光纤如何加快神经成像的速度
发布时间：2023-03-31 08:00:00 阅读数： 103
神经影像学揭示了人类大脑的结构和功能。MRI、fMRI、CT、PET、EEG等技术在发展我们对大脑如何工作以及在影响大脑的疾病中如何改变的知识方面起到了基础作用，如神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏病、帕金森氏病）。
它对于揭示大脑在精神健康疾病（如抑郁症、焦虑症、成瘾症、精神分裂症）中的运作方式至关重要。因此，神经影像学帮助我们创新了疾病治疗的新方法，从而使各种疾病患者得到更有效的治疗。
光学技术的发展正在影响着神经成像平台的能力。光学技术的发展正在使神经影像学领域受益，比以往任何时候都更进一步，帮助它实现其全部潜力。在这里，我们讨论了在利用多模光纤的发展这一具体例子中是如何发生的。我们思考这可能会如何影响未来的神经影像学结果，以及为什么这对整体健康很重要。
什么是多模光纤？
多模光纤是专门用于同时传输多种光线或光模式的光纤。这些光纤的光纤芯以不同的反射角度传输每条光线或模式，使其有可能同时传输多种光线。
人们普遍认为，多模光纤是目前神经科学实验室与脑电图和fMRI等传统成像技术无法进入的大脑深层区域对接的最普及的工具。
虽然多模光纤通常被认为是非常有限的系统，但最近的神经影像学研究表明，光学和光子学的进步可以被利用到神经科学研究中，克服传统系统中多模光纤的限制。
多模光纤是如何被用于神经成像的？
多模光纤正在帮助加强目前的神经成像技术，使其能够克服目前的局限性，从而使我们能够收集关于人脑工作的更可靠、更深入的数据。有了这些数据，我们应该能够极大地扩展我们对人脑的理解，并因此开发出治疗神经疾病的新方法。
2022年发表在《APL光子学》杂志上的一篇论文说明了多模光纤是如何被利用来改进用于可视化大脑亚细胞结构的成像技术的，这些亚细胞结构是众所周知的难以研究的。
通常利用微型内窥镜来观察大脑的深层结构。然而，这种方法是有限的，因为它依赖于梯度指数（GRIN）微透镜，随着它们被开发成更小和更少的侵入性，这些微透镜受到越来越多的畸变和视场的限制。这个主要的局限性使他们无法对大脑的深层结构进行必要的详细可视化，以揭示关键的结构和功能信息。
荷兰的研究人员通过在他们的内窥镜中利用多模光纤，结合先进的波前工程技术，克服了这一限制，使他们能够在高分辨率成像时以最小的创口进入深层组织。这项研究是首次成功展示这一概念。
该团队通过单个50微米芯的多模光纤探头使用自动荧光人脑成像。该团队测试了两种方法：一种是通过光栅扫描成像获取图像的主动波前整形方法，另一种是使用基于斑点的压缩成像技术的计算图像恢复方法。
研究人员报告说，使用压缩成像的方法使感兴趣区域的图像采集时间大大减少，比传统技术允许的大三倍，同时保持高水平的空间分辨率。
他们的结果证明了脂褐素的积累，这是牵涉到阿尔茨海默病的与年龄有关的色素。所捕获的可视化数据比传统方法快18倍。
为什么神经成像很重要，它在未来将如何发展？
发表在《APL Photonics》上的研究中所描述的多模光纤方法展示了一种对深层大脑结构进行成像的微创解决方案。
所提出的方法通过测量像一根头发纤维一样细的仪器，提供了一种快速、高灵敏度和高分辨率的成像技术。
这种方法的适应性很可能对开发敏感和有效的微妙和难以观察的生物环境的成像方法至关重要，如深层脑组织、内部器官和其他生物医学深层组织。
其他神经成像和临床研究领域可能会从这项技术的发展和以下进展中受益。有可能在未来几年，这种方法将加速神经成像领域的发展，因为它提供了一种捕捉难以研究的领域数据的方法。
因此，我们可能会看到治疗神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏病）的新方法的出现，并增加我们对精神健康疾病的神经相关因素的了解。
参考资料
De Vittorio, M. and Pisanello, F., 2021. Multimode Optical Fibers for Optical Neural Interfaces. Advances in Experimental Medicine and Biology, pp.565-583. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33398843/
Lochocki, B., Verweg, M., Hoozemans, J., de Boer, J. and Amitonova, L., 2022. Epi-fluorescence imaging of the human brain through a multimode fiber. APL Photonics, 7(7), p.071301. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0080672
Turtaev, S., Leite, I., Altwegg-Boussac, T., Pakan, J., Rochefort, N. and Čižmár, T., 2018. High-fidelity multimode fibre-based endoscopy for deep brain in vivo imaging. Light: Science & Applications, 7(1). https://www.nature.com/articles/s41377-018-0094-x
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