Light Scattering Changes during Nerve Activity

& Brain Functional Optical Imaging

brief summary 1996. 11. 11

B.H.Bae

* 최근의 저의 연구 분야 입니다.


단일 뉴런에서의 광산란 현상.

다음과 같이 진폭변화와 복굴절 현상이 1968년에 처음으로 제안 되었다.

  1. 1.산란광의 진폭변화
  1. 2.복굴절 현상(Action Potential과 동일한 모양)

출처-1

1968년 4월 L.B. Cohen, R.D. Keynes and B.Hille, "Light Scattering and Birefringence Changes during Nerve Activity", Nature, 218,438-441,1968.

Changes in light scattering originated from at least two different phenomena, while a large part of the birefrigence change seems to be directly dependent on the potential difference across the axon membrane.

--- 복굴절의 원인으로 kerr effect등을 제안

출처-2

1968년 9월 I. Tasaki, A. Watanabe, R.Sandlin and L. Carnay, "Changes in Flurescence, Turbity, and Bireferingence associated with nerve Excitation", Proc. N.A.S, 61, 883-888, 1968.

Experimental evidence which shows that the process of excitation in the nerve is accompanied by a transient change in optical properties of the nervous tissue. The optical properties examined include flourescence, turbidity, and birefrigence.

--- 출처-1의 실험 재연


비 침습 광산란 이미징 시스템을 위한 사전조사

  1. 뉴런 집단 광 산란의 정량적 기술
  2. 인체 조직의 광 특성


1. 뉴런 광 산란의 정량적 기술



입사광 : 다음과 같이 평면파로 두자


뉴런 집단의 광학적 특성 : 유전율 텐서를 다음으로 둔다.

where, is the dielectric constant fluctuation tensor at position r and time t.

산란광: 긴 계산 후에 다음이 얻어진다.

where,


where,


Spectral Density



Scattered Light Analysis

n : subregion index.

Es can be regarded as a sum of independent random variables (ES (1), ES (2), ... ).

Es ----> Gaussian distribution.

Correlation function of Scattered light

--- >

---- >


Correlation function of Scattered light + Unscattered light


if



인체 조직의 광 특성

  1. 1.투과성

뼈를 포함한 인체는 700 nm 에서 900nm 영역이 good window !

다음 그림은 손에 720nm의 빛을 비춘 것을 포토다이오드로 영상화 한 것. 결국 잘 투과한다는 이야기죠.

720 nm

다음 그림은 인체조직에서의 물과 산소 없는 헤모글로빈과 산소가 붙어있는 헤모글로빈의 광흡수정도를 파장별로 보여주는 그림.


Noninvasive functional mapping with multi-channel near infra-red spectroscopic topography in humans.

다음은 일본에서 최근에 개발된 혈액 중 헤모글로빈의 산소 소모량을 영상화 하는 장치를 보여주고 있다. 실험은 피검자가 오른쪽 손가락을 움직일때, 뇌의 어느 부위가 그 역할을 담당하는 지를 보여주고 있다. (오른쪽 그림에서 노란색으로 표현된것.)