用光和声穿透颅骨，观看大脑工作

功能磁共振成像（fMRI）彻底改变了我们观察人脑工作的方式。但它只能间接感知缺氧血液——通过其对水分子的影响——而且需要一台笨重、昂贵、嘈杂、封闭的超导磁体。其他工具则是以一种优势换另一种：电记录速度快，但空间上模糊；近红外光能看到血液，但散射太强，无法给出清晰的图像。

光声断层成像提供了另一条路。短激光脉冲进入组织；血红蛋白吸收光后会产生超声波，传感器接收这些超声波，从而重建三维图像。富氧血红蛋白和缺氧血红蛋白吸收不同颜色的光，因此用两束激光就能把它们区分开。这种设备比磁共振扫描仪更紧凑、更便宜、更安静，而且根本没有磁体。

问题在于：在成人身上，脑功能光声成像此前只在手术后缺失部分颅骨的人身上成功过。骨骼会削弱光和声，使波发生畸变，还会产生回波。而且心理或运动任务引起的信号变化只有百分之几——头部哪怕移动零点几毫米，就很容易把它淹没。

一个装有3,072只“耳朵”的碗

加州理工学院的Yilin Luo、Rui Cao、Manxiu Cui、汪立宏（Lihong Wang）及其同事，与南加州大学Danny Wang的团队一起，同时攻克了这两个问题。

• 他们在环绕头部的半球形碗里排布了3,072个超声传感器——这是迄今最高的通道数——每个传感器都配有自己的放大器。它们以1兆赫的低频接收信号，这种频率更容易穿过骨骼。
• 与该团队此前的系统相比，穿过颅骨的信噪比估计提高了约273倍，足以抵消颅骨约一百倍的信号衰减。
• 两束激光——波长分别为1,064纳米和755纳米——交替发射。每个脉冲都产生一幅完整的三维图像，每秒20个体积，没有任何活动部件——因此不会因扫描产生模糊。
• 每位志愿者都戴着一个个性化的3D打印头盔，根据其头部的三维扫描设计。在7.5分钟的检查过程中，头部运动通常保持在约0.1毫米和0.1度以内。

在一具从遗体上取下并填充了凝胶的人类颅骨上，即使放置在内部的充血管的信号比在颅骨外弱约300倍，该系统仍能看到它。

手指、嘴唇和7特斯拉的核对

四名年龄在24至56岁之间的健康男性做一只手的手指敲击或噘嘴动作，做30秒、停30秒。每人还在一台高场7特斯拉磁共振扫描仪中接受了扫描，作为参照。

• 该方法把手指敲击的响应定位在大脑中预期的运动与触觉区域，位于运动的手的对侧，与磁共振成像结果一致。
• 它能区分手和嘴：在人、大脑半球和任务的全部16种组合中，光声脑图都更接近同一任务的磁共振脑图，而不是另一任务的。
• 它可以重复：在一名志愿者身上，跨越相隔三个月的两次就诊所做的五次检查，全都落在同一区域。
• 任务期间，两种激光颜色的信号朝相反方向变化，这与它们对富氧和缺氧血液的不同敏感度预期相符。1,064纳米处的光声信号与磁共振信号紧密吻合，相关系数为0.92。

需要注意的细节

光声脑图与磁共振脑图平均相距11.4毫米，并系统性地偏向大脑表面。作者列出了几种目前还无法区分的可能原因：颅骨造成的畸变、不同设备之间的配准误差、大脑随体位发生的移动，以及不同检查之间的差异。只有四名参与者接受了测试，全部为男性，任务都是简单的运动任务，而且成像区域的头发被剃掉了。

汪立宏申明自己在三家光声成像公司中拥有经济利益，作者表示这些公司没有资助这项工作。

团队认为，这一平台可以与其他工具并用——电记录、脑刺激、脑机接口——这些工具很难与磁共振的磁体结合。借助更紧凑的激光器，他们希望在更自然的环境中研究大脑。