本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
这个博客是为庆祝《大众科学思想》杂志创刊 10 周年而推出的关于技术和大脑的系列客座文章中的第五篇。该杂志的11/12 月特刊同样强调了代码和思想之间的接口，描述了一个未来更加数字化的你。
想象一下，你必须在牛奶碗的底部找到一粒麦片。现在想象一下，一位神经科学家或医生必须透过浑浊的大脑组织寻找病变的细胞。这两种情况的问题是相同的：光会散射。正如牛奶中的微小脂肪滴随机地重新定向光子，使牛奶呈现白色外观一样，估计有 1000 亿个神经细胞和 100 万亿个突触存储信息，以及 400 英里的血管，遮挡了我们对皮质表面以下大脑的观察。目前，可视化这种复杂的细胞、轴突、树突和血管网络的工具不足以理解大脑的复杂性。
然而，如果可以利用光的散射为我们所用呢？我们最近着手探索这种可能性，通过调整一种称为光学相干断层扫描（OCT）的成像方法。OCT 是一种类似于超声波的光学版本，涉及将光照射到生物样本上，并测量有多少光被反射或散射回来。当这些光“回声”从各种组织类型反弹并返回到检测器时，它们的强度和时间用于构建三维图像。OCT 已经临床应用于眼科，用于制作视网膜图像以诊断疾病，但使用较短的波长。我们希望 OCT 最终有助于更好地理解诸如创伤性脑损伤、血管性痴呆和阿尔茨海默病等脑部疾病。
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这项技术的潜力在于它是非侵入性的并且是安全的：只需将光照射到大脑上，我们就可以观察到神经组织的微观结构。其他观察活人脑的方法不具备这种属性组合。例如，磁共振成像被广泛用于研究人脑的结构和功能，但其分辨率仅限于毫米（如图 A 所示）。在小鼠中，荧光显微镜可以显示亚细胞细节，但这仅仅是因为我们可以进行侵入性操作以使小鼠大脑中的分子发光。我们需要更好的光学工具来对人脑进行成像。
进入 OCT。它可以根据光从光源返回到检测器的时间来区分单次和多次散射的光，从而使我们能够看到大脑中超过一毫米的深度。作为参考，想象一下在日落时观察地平线。太阳的轮廓显得模糊，因为光子被大气中的粒子多次散射。雾霾是红色的，因为较短的蓝色波长被散射并偏离其原始路径，以至于它们没有到达您的眼睛，在这种情况下，眼睛是检测器。OCT 的工作原理是仅检测在一定时间内“回声”返回并沿直线传播的光子，这可以使组织的轮廓显得清晰。
我们在加州大学戴维斯分校的团队已成功地突出了动物体内的一系列组织类型。例如，我们发现，神经元细胞体（在下图 B 中看到为黑点）比周围的密集连接网散射的光更少。我们还可以根据它们的散射特征来区分活神经元和死神经元。此外，我们现在知道，完全包裹在髓鞘（一种脂肪绝缘鞘）中的轴突比其他轴突散射更多的光，这有助于我们将注意力集中在可以长距离忠实地传导神经冲动的纤维上（图 C）。血流也会以我们现在可以识别的方式变化，以观察营养物质如何输送到饥饿的神经元（图 D）。简而言之，我们发现，简单地关注大脑成分的基本特性可以揭示很多关于细胞水平大脑的信息。
毫米级的成像深度是光学显微镜的一项突破，但我们当然希望更深入地观察大脑。提高 OCT 的穿透深度是目前的研究领域。该技术使用电信行业开发的高级技术和方法，即光纤，这很重要，因为它使 OCT 价格合理。更重要的是，OCT 不需要基因工程来使分子在显微镜下发光，而是使用被大脑组织无害散射的光。
通过对其微观内在特性进行成像来研究大脑的能力已经开启了新的研究。例如，我们的小组已经成功地深入观察了小鼠和大鼠的活体大脑一毫米以上，并且我们在手术修改以模拟脑血管疾病的小鼠中重复了一个月。由于我们的技术是无标记的，因此潜在的临床应用非常多。当然，您仍然需要一个暴露的皮层，该技术无法穿透头骨。但是，OCT 可以用于选择接受脑部手术的人，无论是为了植入深部脑刺激的探针还是为了切除肿瘤。然后，OCT 可以帮助指导这些外科手术，例如避免切开血管。外科医生和神经科学家也可以与这些患者合作，以了解有关大脑的新知识。OCT 在人类中具有前所未有的微观分辨率，这意味着可能性是无限的。
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