光學腦成像，用讀腦頭盔「看穿」你的大腦
我們每天都用腦子思考，但人的大腦複雜，精妙，也十分神祕，因此我們對它的瞭解依舊很少。但這些年來腦成像技術的發展，讓研究人類大腦如何工作的科學家們，有了新進展。
美國一家神經技術新創公司 Kernel 的研究人員，開發了一種名為「Kernel Flow」的可穿戴設備，這個形似頭盔的設備，採用 TD-fNIRS（時域功能性近紅外光譜）技術，可通過記錄局部血氧變化來測量大腦活動。
▲圖片來自：Kernel
大多數非侵入式大腦掃描系統採用的是 fNIRS (連續波近紅外光譜成像) 技術，使用近紅外光譜中的光來測量大腦循環血液中血紅蛋白對光吸收的變化。 TD-fNIR 被認為是無創光學腦成像設備的黃金標準，也不是一項新技術，但高成本，複雜性，大尺寸，採樣頻率不高等問題，限制了它的應用。
▲ 圖片來自：Kernel
Kernel Flow 由 52 個模塊組成，模塊分佈的四個區域，可覆蓋額葉、頂葉、顳葉和枕葉皮質。每個模塊都包含探測器與激光源，光源可發射 690nm 與 850nm 兩種不同波長的激光，並通過頭皮到達大腦。
▲ 圖片來自：Kernel
激光源周圍有六個六角形排列的探測器，每個探測器與光源的距離為 10 mm。探測器會拾取反射光，記錄光子到達時間，每秒大約可探測超過十億個光子。
探測器會將檢測到的光子到達時間以 200 Hz 的採樣率記錄為直方圖，整個系統的採樣頻率為 7.1 Hz。這些專為高光子計數率而設計的探測器，針對漫射光學斷層掃描的 ToF 測量進行了優化，處理速度超過 1 × 10 的 9 次方/秒。
▲ 圖片來自：SPIE.DIGITALLIBRARY
在 Kernel 進行的神經科學測試中，參與的兩名志願者在手指敲擊任務期間，運動皮層上的通道有明顯的血流動力學變化。此外，Kernel Flow 的 TD-fNIR 系統，還藉助高採樣率在其中一名志願者額頭上的通道識別出了心跳的振盪。
▲志願者的測試數據，圖片來自：SPIE.DIGITALLIBRARY
除了這些測試，Kernel 還計劃使用 Flow 進行多項目標不同的研究。比如通過大腦圖像來了解情緒、氯胺酮等迷幻藥物的副作用、注意力持續時間等研究。
不過，Kernel 的研究人員表示，這項技術目前還有一定的侷限性，比如頭髮質地和皮膚類型會影響大腦成像的結果。
▲ 圖片來自：Twitter
但目前這個僅重 2.2 公斤，由小型激光驅動器、定製集成電路和專用檢測器構建的設備，性能已經與台式系統類似。雖然商業化的可行性還有待提高，但不久之後，我們或許就能像測試心率那樣測量大腦功能。
資料來源：愛範兒（ifanr）
美國一家神經技術新創公司 Kernel 的研究人員，開發了一種名為「Kernel Flow」的可穿戴設備，這個形似頭盔的設備，採用 TD-fNIRS（時域功能性近紅外光譜）技術，可通過記錄局部血氧變化來測量大腦活動。
▲圖片來自：Kernel
大多數非侵入式大腦掃描系統採用的是 fNIRS (連續波近紅外光譜成像) 技術，使用近紅外光譜中的光來測量大腦循環血液中血紅蛋白對光吸收的變化。 TD-fNIR 被認為是無創光學腦成像設備的黃金標準，也不是一項新技術，但高成本，複雜性，大尺寸，採樣頻率不高等問題，限制了它的應用。
▲ 圖片來自：Kernel
Kernel Flow 由 52 個模塊組成，模塊分佈的四個區域，可覆蓋額葉、頂葉、顳葉和枕葉皮質。每個模塊都包含探測器與激光源，光源可發射 690nm 與 850nm 兩種不同波長的激光，並通過頭皮到達大腦。
▲ 圖片來自：Kernel
激光源周圍有六個六角形排列的探測器，每個探測器與光源的距離為 10 mm。探測器會拾取反射光，記錄光子到達時間，每秒大約可探測超過十億個光子。
探測器會將檢測到的光子到達時間以 200 Hz 的採樣率記錄為直方圖，整個系統的採樣頻率為 7.1 Hz。這些專為高光子計數率而設計的探測器，針對漫射光學斷層掃描的 ToF 測量進行了優化，處理速度超過 1 × 10 的 9 次方/秒。
▲ 圖片來自：SPIE.DIGITALLIBRARY
在 Kernel 進行的神經科學測試中，參與的兩名志願者在手指敲擊任務期間，運動皮層上的通道有明顯的血流動力學變化。此外，Kernel Flow 的 TD-fNIR 系統，還藉助高採樣率在其中一名志願者額頭上的通道識別出了心跳的振盪。
▲志願者的測試數據，圖片來自：SPIE.DIGITALLIBRARY
除了這些測試，Kernel 還計劃使用 Flow 進行多項目標不同的研究。比如通過大腦圖像來了解情緒、氯胺酮等迷幻藥物的副作用、注意力持續時間等研究。
不過，Kernel 的研究人員表示，這項技術目前還有一定的侷限性，比如頭髮質地和皮膚類型會影響大腦成像的結果。
▲ 圖片來自：Twitter
但目前這個僅重 2.2 公斤，由小型激光驅動器、定製集成電路和專用檢測器構建的設備，性能已經與台式系統類似。雖然商業化的可行性還有待提高，但不久之後，我們或許就能像測試心率那樣測量大腦功能。
資料來源：愛範兒（ifanr）