영국 글래스고 대학교 연구팀이 획기적인 발전을 이루었습니다. 처음으로 성인의 두개골 전체를 관통하는 빛 신호를 성공적으로 감지했습니다.Neurophotonics 저널에 발표된 이 최신 연구는 기존 광학 뇌 영상 기술의 깊이 한계를 극복하고 더 깊은 뇌 조직을 감지할 수 있는 새로운 장치로 이어질 것으로 예상됩니다.
근적외선 분광법(fNIRS)은 뇌 기능을 탐지하는 비침습적 수단으로 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 원리는 뇌혈류에 의한 특정 파장의 근적외선 흡수 변화를 분석해 신경활동을 간접적으로 반영하는 것이다.
휴대성과 저렴한 비용이라는 장점이 있지만 기존의 fNIRS에는 상당한 한계가 있습니다. 빛은 뇌 표면의 약 4cm 깊이까지만 투과할 수 있어 기억, 감정 조절, 운동 기능 등과 밀접하게 관련된 뇌 심부 영역에 도달하기 어렵습니다. 이로 인해 비싸고 부피가 큰 자기공명영상(MRI) 장비에 의존하지 않고 뇌 심부 조직 연구에 기술적 병목 현상이 발생했습니다.
이 문제를 극복하기 위해 연구팀은 고출력 펄스 레이저를 광원으로 사용하고 초고감도 단일 광자 검출기와 결합하여 주변광이 엄격하게 차단된 조건에서 측정을 수행하는 혁신적인 실험 계획을 설계했습니다.결국 그들은 머리 한쪽에서 들어와 두개골 전체를 관통하고 반대쪽에서 나가는 희미한 빛 신호를 기록하는 데 성공했습니다.
연구팀은 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 정밀한 인간 두개골 침투 실험을 진행했을 뿐만 아니라, 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 활용해 두개골의 다층 구조(두피, 두개골, 뇌척수액, 뇌조직 등)에서 빛의 전파 경로를 완전히 재구성했다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 매우 일치하며 중요한 현상을 나타냅니다. 광자가 복잡한 뇌 조직을 통과할 때 뇌척수액과 같은 산란 계수가 낮은 구조를 따라 우선적으로 전파됩니다.
현재 기술에는 여전히 한계가 있습니다. 단일 감지 프로세스는 약 30분이 걸리고 피험자는 피부가 가늘고 털이 없어야 합니다. 이 원리 증명 연구는 차세대 fNIRS 시스템 개발을 위한 새로운 설계 아이디어와 물리적 기반을 제공합니다.
연구팀은 광원, 검출기 및 관련 알고리즘의 지속적인 반복 최적화를 통해 이 관통형 광학 검출 방법이 휴대 가능하고 경제적인 심부 뇌 영상 솔루션으로 발전할 것으로 예상합니다.앞으로 이 기술은 특히 대형 MRI 장비를 사용할 수 없는 특수한 시나리오(예: 현장 의료 및 자원이 부족한 지역)에서 뇌졸중, 뇌 외상, 뇌종양 및 기타 질병의 병상 또는 현장 신속 진단에 적용될 수 있습니다.
