一项发表在《iScience》上的新研究表明，人类大脑会发出极其微弱的光信号，这些信号不仅能够穿透颅骨，还似乎会随着心理状态的变化而变化。研究人员发现，这些超微弱光信号可以在完全黑暗的环境中被记录下来，并且会在执行一些简单任务（如闭眼或聆听声音）时发生变化。研究结果表明，这种微弱的脑光可能携带着有关大脑活动的信息——这或许为研究大脑活动开辟了一条全新的途径（即“光脑电图”）。
所有生物组织在正常代谢过程中都会释放出极少量的光，这种现象被称为超微弱光子发射（ultraweak photon emissions）。当激发态分子回到较低能量状态时，会在此过程中释放出一个光子。这种光极其微弱——大约比我们肉眼可见的光弱一百万倍——并且位于可见光至近红外光范围内。与萤火虫等生物发光现象（涉及特定化学反应）不同，超微弱光子发射在所有组织中持续发生，不需要特殊酶或发光化合物。
由于大脑具有高能量消耗和密集的光活性分子，它发出的这种微弱光比大多数其他器官都多。这些光活性分子包括类黄素、血清素以及能够吸收和发射光的蛋白质。光子发射速率似乎也会在氧化应激和衰老过程中增加，并可能反映细胞健康或通信状态的变化。
由加拿大阿尔戈马大学、塔夫茨大学和劳伦森大学的Hayley Casey、Nirosha Murugan及其同事组成的研究团队，希望了解这些微弱的光信号是否可以用来监测大脑活动。与其他需要刺激的成像方法（如强磁场或红外光）不同，测量超微弱光子发射（UPEs）是一种完全被动的方式，这意味着它不会向大脑引入任何新物质。
研究人员提出，UPEs 可能提供一种安全且无干扰的大脑功能监测方式，类似于脑电图（EEG）追踪脑电波而不施加能量。他们还希望测试UPEs是否反映诸如闭眼休息或对声音作出反应等心理状态，以及这些信号是否与已知的脑电节律变化相符。
研究人员招募了20名健康的成年参与者，在他们坐在黑暗房间中时同时测量UPEs和大脑电活动。实验设备包括放置在头部枕部和颞部附近的光电倍增管（负责处理视觉和听觉信息的大脑区域），以及一个记录背景光的第三传感器。同时，参与者佩戴带有脑电图传感器的帽子，以记录大脑电节律。
整个记录过程持续10分钟，包含五种条件：首先睁眼静坐，然后闭眼；接着聆听一个简单的重复听觉刺激，再次闭眼，最后再次睁眼。目的是观察大脑UPEs是否会对已知的大脑活动操控（特别是闭眼时α节律的变化）作出反应。
光子发射被以短时间间隔记录，并分析其变异性、频率成分和随时间的稳定性。研究团队将结果与背景信号进行比较，并检查其与同时记录的大脑电节律的相关性。
研究人员发现，基于信号的变异性与复杂性，可以将大脑发出的光从背景光中区分出来。大脑UPEs表现出更高的熵值和更动态的信号。这些发射还显示出一种独特的频率特征，即低于1赫兹的频率，意味着光以每秒一到十次的缓慢节奏波动。这种特征在背景光中并不存在，尤其在枕部区域更为明显。
研究人员还观察到，大脑UPEs在每项任务中似乎达到了稳定状态，特别是在两分钟记录段结束时。这些稳定模式在参与者从睁眼转为闭眼状态时发生变化，表明这些发射反映了大脑内部状态的变化。然而，这种变化的方向在所有参与者之间并不一致，可能反映了个体差异或潜在代谢过程的复杂性。
当研究人员将UPEs与大脑电节律进行比较时，发现了中等程度的相关性。例如，α节律通常与清醒放松状态相关，并在闭眼时增强，与枕部区域的光子发射相关，但仅在闭眼状态下出现。在听觉刺激期间，研究人员还发现UPE变异性与颞叶节律之间存在某些关联。然而，这些关系并不强烈，许多预期的相关性并未出现，这凸显了进一步研究的必要性。
尽管研究结果令人鼓舞，但作者指出这是一项初步研究，存在若干局限性。样本量较小，记录设备仅覆盖头部的几个区域。传感器还检测了广泛的波长范围，可能掩盖了更具体的光模式。更精确的滤光片或探测器可能有助于揭示与不同大脑功能相关的特定波长特征。
研究人员还建议，扩大传感器阵列可以提高空间分辨率，并帮助确定UPEs在大脑中的起源。由于这些发射与代谢活动有关，它们可能来自多种细胞类型，包括神经元和胶质细胞，也可能来自大脑的不同深度。开发定位这些信号的方法将是下一步的重要工作。
该研究未包括来自身体其他部位的测量，这可能有助于澄清非脑组织是否也存在类似的光发射及其差异。纳入更多参与者，并探索年龄、性别或健康状况的差异，也可能揭示有意义的模式。未来，机器学习和先进成像技术可能使研究人员能够解码UPE模式，并利用它们检测大脑疾病或监测大脑健康。
研究人员写道：“我们认为目前的结果是一个概念验证演示，证明尽管相对信号强度极低，在黑暗环境中仍可将源自人脑的UPE信号模式与背景光信号区分开来。光脑电图将是一种最大程度的非侵入式（即被动记录）技术，具有高时间分辨率，类似于脑电图（EEG）或脑磁图（MEG）；然而，UPE测量将与氧化代谢相关，并具有其他临床应用潜力。未来的研究可能通过使用特定滤光片和放大器成功筛选和增强来自健康和病变大脑的UPE信号特征。”
该研究题为《Exploring ultraweak photon emissions as optical markers of brain activity》。
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