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雷射與奈米碳管好夥伴 ,讓我們透視大腦!

Credit: Dai Lab

Credit: Dai Lab

偏頭痛、中風甚至是阿滋海默症,這些疾病往往會使腦部的血流量產生異變,然而過去的技術往往無法讓我們輕易觀察到這些異變造成的影響,或是可以隨時監控腦部血管流量的變化。最近,科學家發展了一項新技術,結合雷射與奈米碳管,有望實現解析度高的非侵入性腦部血管偵測,為醫療研究帶來新的可能。

史丹佛大學(Stanford University)的Hongjie Dai團隊,於今年8月的Nature Photonics上發表了這項可以透視腦部的技術。在過去,想要一窺腦袋裡血流的模樣,主要採取兩種方法:第一種,是很直覺地……把頭蓋骨切一小塊下來(侵入式的觀察),如此理所當然可以清楚觀察到內部的活動狀況(觀測尺度可以到細胞的層次),只是這樣的手術一方面較消耗人力和時間,另一方面我們也無法預期傷口是否會改變腦部的活動或是引發免疫反應,影響到血流量的觀測;第二種則是利用電腦斷層掃描(CT scan)或是核磁共振照影(MRI)進行的非侵入式檢查,此類方法不會直接對身體造成傷口,但是相較於侵入式的觀察,其最佳的應用範圍大致是在器官的層級,對於神經元或是小的血管便無法提供好的解析度。

比起上述方法,Hongjie Dai團隊的新技術「近紅外光-IIa照影(IIa表示雷射光的安全等級:超過1000秒連續照射,才會對視網膜造成損傷)」是利用奈米碳管和雷射的特性,來達到非侵入性但高解析度的腦部觀察結果。

 Credit: Dai Lab

利用螢光顯示的老鼠腦部血管圖。Credit: Dai Lab

在實驗上,研究團隊先將水溶性的奈米碳管注射到老鼠的血液裡,接著從外部以近紅外光雷射照射老鼠的頭腦。注射進去的奈米碳管可以吸收雷射並放出波長1300~1400奈米的螢光,此波段的螢光具好的穿透度,可以有效地在頭腦外部被偵測;同時,由於透出來的螢光散射比率低、集中度高,解析度也能達到不錯的水準(可看到血管甚至是神經元)。目前,這種新方法可以觀測到頭皮以下幾個毫米的深度,且足以呈現出微米等級微血管內部的血流,可以使我們不必打開老鼠頭殼,也能精準觀察血管的狀況。

雖說近紅外光-IIa照影看似有很多好處,但它距離真正應用到人體上還有些距離,其主要需要調整的有兩點:一是由於原本的實驗是以老鼠為對象,而人類的頭蓋骨明顯比起老鼠要厚的多,該技術要應用於人體首先要解決的便是提高穿透能力,才能提供完整腦部血管的影像;第二點則是需要評估奈米碳管對人類的安全性,作出更嚴謹的研究與確認(也有許多科學家目前正致力於尋找其他種螢光試劑作為替代)。

或許有ㄧ天,這項技術能夠有效地被應用,屆時我們便可以對中風或阿滋海默症等疾病作出更深入的研究,知己知彼,才有可能百戰百勝,協助我們克服更多困難。

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Through-skull fluorescence imaging of the brain in a new near-infrared window, Nature Photonics, 2014, DOI: 10.1038/nphoton.2014.166

資料來源:Scientists use lasers and carbon nanotubes to look inside living brains [PHYS.ORG, August 7, 2014]

關於作者

昱夫

PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。