Forskare vid University of Glasgow har för första gången lyckats detektera fotoner som färdats hela vägen från ena sidan av ett vuxet människohuvud till den andra. Resultaten, som publicerades i Neurophotonics i maj 2025, visar att ljus kan ta sig djupare in i hjärnan än vad man tidigare trott – trots en optisk dämpning på omkring 10¹⁸ ggr .
Sedan länge har funktionell nära-infraröd spektroskopi (fNIRS) ansetts nå maximalt 3–4 cm under skalpen hos vuxna, vilket begränsar tekniken till hjärnbarkens ytskikt (PMC). Den nya studien kullkastar denna siffra genom att visa att fotoner faktiskt kan ta sig igenom hela 15,5 cm vävnad – från tinning till tinning – och ändå detekteras.
Hur gick experimentet till?
Forskarna använde en pulserad laser på 800 nm (1,2 W, 140 fs pulslängd) för att belysa en 2,5 cm bred fläck ovanför ena örat. På motsatt sida placerades en högkänslig fotomultiplikator kopplad till time-correlated single-photon counting (TCSPC), en metod som mäter varje fotons exakta flygtid genom huvudet. Trots att bara cirka en foton per sekund nådde detektorn efter att ~10¹⁸ andra absorberats eller spritts bort, räckte detta för att bekräfta transporten .
Numeriska Monte-Carlo-simuleringar visade dessutom att vissa fotoner “guidades” via hjärnans cerebrospinalvätska (CSF) – ett låg-spridande skikt som fungerar som naturlig ljusledning . Detta innebär att rätt placerade ljuskällor och detektorer skulle kunna rikta känsligheten mot djupare strukturer som mitthjärna och cerebellum.
Varför är detta viktigt?
- Djupare men portabelt: fNIRS-utrustning är billig, tyst och bärbar jämfört med magnetkamera. Om metoden optimeras kan den i framtiden kombinera EEG-liknande enkelhet med fMRI-liknande djup (The Debrief).
- Klinisk nytta: Djupare optisk diagnostik kan bli värdefull vid akuta bed-side-bedömningar av stroke eller hjärnblödningar där snabb information är avgörande.
- Tekniskt språng: Resultaten visar att högre lasereffekt, större belysningsyta och större detektoröppning dramatiskt förbättrar signal-till-brus, en strategi som kan skalas ned när det kommer nya, mer känsliga detektorer.
Begränsningar och nästa steg
Experimentet lyckades bara på en hår- och ljushudslös deltagare; sju andra försökspersoner gav inget tydligt signalutslag . Insamlingen tog dessutom 30 minuter – för lång tid för realtidsdiagnostik. Förbättrade detektorer, längre våglängder (kortvågs-IR) och smart signalbehandling tros kunna korta ned mättiden avsevärt.
Sammanfattning
En ny studie bevisar att enstaka fotoner kan färdas genom ett helt vuxet människohuvud. Med kraftig pulserad laser och känslig TCSPC-detektor registrerades cirka en foton per sekund trots extrem dämpning. Fyndet öppnar för framtida fNIRS-system som kan avbilda djupare hjärnregioner på ett portabelt och kostnadseffektivt sätt.
Källor
- Radford J. m.fl. Photon transport through the entire adult human head, Neurophotonics 12(2):025014 (2025), DOI: 10.1117/1.NPh.12.2.025014
- Strangman G. E. m.fl. Depth Sensitivity and Source-Detector Separations for Near Infrared Spectroscopy, PLOS ONE 8:e66319 (2013) (PLOS)
- Banias M.J. Scientists Detect Light Passing Through a Human Head in Medical First, The Debrief (17 juni 2025) (The Debrief)
- Simmons L. Beam Of Light Shone All The Way Through A Human Head For The Very First Time, IFLScience (juni 2025) (IFLScience)
Kategorier
- Teknik – studien presenterar en ny optisk mätteknik med potentiella ingenjörslösningar för portabel hjärnavbildning.
- Hälsa – metoden syftar till framtida medicinska diagnoser av hjärnans djupare områden.
- Fysik – arbetet bygger på fotoners spridning, absorption och Monte-Carlo-modeller i diffusa medier.
Extra taggar
Optisk tomografi, Neurofotonik, fNIRS, Hjärnavbildning, Fotonspridning, TCSPC, Cerebrospinalvätska
