本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
這個部落格是為慶祝《大眾科學思想》雜誌創刊 10 週年而推出的關於技術和大腦的系列客座文章中的第五篇。該雜誌的11/12 月特刊同樣強調了程式碼和思想之間的介面，描述了一個未來更加數字化的你。
想象一下，你必須在牛奶碗的底部找到一粒麥片。現在想象一下，一位神經科學家或醫生必須透過渾濁的大腦組織尋找病變的細胞。這兩種情況的問題是相同的：光會散射。正如牛奶中的微小脂肪滴隨機地重新定向光子，使牛奶呈現白色外觀一樣，估計有 1000 億個神經細胞和 100 萬億個突觸儲存資訊，以及 400 英里的血管，遮擋了我們對皮質表面以下大腦的觀察。目前，視覺化這種複雜的細胞、軸突、樹突和血管網路的工具不足以理解大腦的複雜性。
然而，如果可以利用光的散射為我們所用呢？我們最近著手探索這種可能性，透過調整一種稱為光學相干斷層掃描（OCT）的成像方法。OCT 是一種類似於超聲波的光學版本，涉及將光照射到生物樣本上，並測量有多少光被反射或散射回來。當這些光“回聲”從各種組織型別反彈並返回到檢測器時，它們的強度和時間用於構建三維影像。OCT 已經臨床應用於眼科，用於製作視網膜影像以診斷疾病，但使用較短的波長。我們希望 OCT 最終有助於更好地理解諸如創傷性腦損傷、血管性痴呆和阿爾茨海默病等腦部疾病。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過
訂閱來支援我們屢獲殊榮的新聞報道。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
這項技術的潛力在於它是非侵入性的並且是安全的：只需將光照射到大腦上，我們就可以觀察到神經組織的微觀結構。其他觀察活人腦的方法不具備這種屬性組合。例如，磁共振成像被廣泛用於研究人腦的結構和功能，但其解析度僅限於毫米（如圖 A 所示）。在小鼠中，熒光顯微鏡可以顯示亞細胞細節，但這僅僅是因為我們可以進行侵入性操作以使小鼠大腦中的分子發光。我們需要更好的光學工具來對人腦進行成像。
進入 OCT。它可以根據光從光源返回到檢測器的時間來區分單次和多次散射的光，從而使我們能夠看到大腦中超過一毫米的深度。作為參考，想象一下在日落時觀察地平線。太陽的輪廓顯得模糊，因為光子被大氣中的粒子多次散射。霧霾是紅色的，因為較短的藍色波長被散射並偏離其原始路徑，以至於它們沒有到達您的眼睛，在這種情況下，眼睛是檢測器。OCT 的工作原理是僅檢測在一定時間內“回聲”返回並沿直線傳播的光子，這可以使組織的輪廓顯得清晰。
我們在加州大學戴維斯分校的團隊已成功地突出了動物體內的一系列組織型別。例如，我們發現，神經元細胞體（在下圖 B 中看到為黑點）比周圍的密集連線網散射的光更少。我們還可以根據它們的散射特徵來區分活神經元和死神經元。此外，我們現在知道，完全包裹在髓鞘（一種脂肪絕緣鞘）中的軸突比其他軸突散射更多的光，這有助於我們將注意力集中在可以長距離忠實地傳導神經衝動的纖維上（圖 C）。血流也會以我們現在可以識別的方式變化，以觀察營養物質如何輸送到飢餓的神經元（圖 D）。簡而言之，我們發現，簡單地關注大腦成分的基本特性可以揭示很多關於細胞水平大腦的資訊。
毫米級的成像深度是光學顯微鏡的一項突破，但我們當然希望更深入地觀察大腦。提高 OCT 的穿透深度是目前的研究領域。該技術使用電信行業開發的高階技術和方法，即光纖，這很重要，因為它使 OCT 價格合理。更重要的是，OCT 不需要基因工程來使分子在顯微鏡下發光，而是使用被大腦組織無害散射的光。
透過對其微觀內在特性進行成像來研究大腦的能力已經開啟了新的研究。例如，我們的小組已經成功地深入觀察了小鼠和大鼠的活體大腦一毫米以上，並且我們在手術修改以模擬腦血管疾病的小鼠中重複了一個月。由於我們的技術是無標記的，因此潛在的臨床應用非常多。當然，您仍然需要一個暴露的皮層，該技術無法穿透頭骨。但是，OCT 可以用於選擇接受腦部手術的人，無論是為了植入深部腦刺激的探針還是為了切除腫瘤。然後，OCT 可以幫助指導這些外科手術，例如避免切開血管。外科醫生和神經科學家也可以與這些患者合作，以瞭解有關大腦的新知識。OCT 在人類中具有前所未有的微觀解析度，這意味著可能性是無限的。
>>本系列下一篇：“在未來，您的治療和教育將根據您的大腦量身定製”