Bærbar scanner måler hjernefunktionen hos mennesker på farten – Physics World

Bærbar scanner måler hjernefunktionen hos mennesker på farten – Physics World

Tidsstempel: 27. juni 2023 kl. 4

Forsker Niall Holmes bærer hjernehjelmen
Bærbar MEG Forsker Niall Holmes bærer hjernebilledhjelmen; matrixspolens magnetiske afskærmningssystem ses bag ham. (Med høflighed: University of Nottingham)

Et britisk-baseret forskerhold har skabt en bærbar hjernescanner, der kan måle hjernefunktionen, mens folk står og går rundt, hvilket baner vejen for bedre forståelse og diagnosticering af neurologiske problemer, der påvirker bevægelse.

Som en del af projektet kombinerede et University of Nottingham-ledet team kompakte sensorer med præcisionsmagnetisk feltkontrol for at måle små magnetiske felter genereret af hjernen, hvilket muliggjorde meget nøjagtige optagelser under naturlig bevægelse. Resultaterne, præsenteret i NeuroImage, beskriver, hvordan holdet monterede omkring 60 magnetiske feltsensorer i sukkerkubestørrelse, kendt som optisk pumpede magnetometre (OPM'er), i letvægts-bærbare hjelme for at muliggøre bevægelsesfrihed under en magnetoencefalografi (MEG)-optagelse.

As Niall Holmes, forskningsstipendiat ved University of Nottingham, der ledede forskningen, forklarer, at projektet fokuserer på at afbilde den menneskelige hjernes funktion i "helt naturlige omgivelser" for at uddybe forståelsen af, hvad der sker i vores hjerner, når vi lærer at gå - eller af hvad der går galt i hjernen hos patienter med tilstande, hvor bevægelsen bliver svækket eller ukontrollerbar.

"Konventionelle neuroimaging-systemer, såsom MR-scannere, er simpelthen for restriktive til, at vi kan udføre naturlige bevægelser, og EEG-optagelser under bevægelser producerer artefakt-rede data," siger Holmes.

Nåle i en høstak

Neuroner i hjernen kommunikerer via elektriske potentialer og neuronale strømme, der producerer et tilhørende magnetfelt. Måling af disse felter uden for hovedet med MEG-optagelser gør det muligt for forskerne at bestemme den underliggende neuronale aktivitet med en unik høj spatiotemporal præcision. Men ifølge Holmes udgør denne proces en betydelig udfordring.

"De neuronale magnetfelter er på femtotesla-niveau, over en milliard gange mindre end Jordens magnetfelt, og mange størrelsesordener mindre end magnetiske felter, der genereres af kilder som el-nettet og køretøjer i bevægelse; det er som at lede efter en nål i en høstak,” siger han.

For at imødegå denne begrænsning byggede holdet på den seneste udvikling inden for miniaturisering af kvanteteknologier for at skabe meget nøjagtige OPM'er, der fungerer ved at måle transmissionen af ​​laserlys gennem en glascelle fyldt med en damp af rubidiumatomer. Laseren pumper optisk atomerne, hvilket justerer elektronspindene. Ved nul magnetfelt er alle spins justeret, og der kan ikke absorberes mere laserlys, så en måling af intensiteten af ​​laserlyset, der forlader glascellen, er på et maksimum.

"Når et lille magnetfelt påføres i nærheden af ​​cellen, falder spinsene ud af justering og skal absorbere flere fotoner af laserlys for at genjustere med pumpelaseren. Efterhånden som fotoner absorberes, falder den målte intensitet,” forklarer Holmes. "Ved at overvåge intensiteten af ​​laserlyset, der transmitteres gennem cellen, kan vi udlede det lokale magnetfelt, som atomerne oplever."

Matrix spole

Nottingham-teamet udviklede også en "matrixspole" - en ny type aktiv magnetisk afskærmning lavet af små, enkle enhedsspoler, hver med individuelt kontrollerbar strøm - der kan redesignes i realtid for at afskærme enhver region i et magnetisk afskærmet rum ( MSR). Dette gør det muligt for OPM'erne at fortsætte med at fungere, når patienterne bevæger sig frit.

"Ved at bruge vores matrixspole har vi for første gang demonstreret, at nøjagtige MEG-data kan opnås under ambulante bevægelser. Dette danner grundlaget for mange kliniske og neurovidenskabelige paradigmer, som ville være umulige ved brug af konventionelle neuroimaging-systemer,” siger Holmes.

"For eksempel vil scanning af patienter med forstyrrelser, der påvirker bevægelse og balance, såsom Parkinsons sygdom, hjernerystelse og gangataksi, direkte aktivere hjernenetværkene forbundet med de bevægelser, de finder mest udfordrende, hvilket øger vores følsomhed over for de neurale korrelater af lidelser,” tilføjer han.

Ifølge Holmes muliggør bevægelsesfrihed også studier af rumlig navigation og naturlig social interaktion, samt longitudinelle neuroudviklingsstudier og registrering af epileptisk aktivitet under anfald. På den måde skaber det, hvad han beskriver som "et helt andet sæt grænser for forskere og klinikere".

”Det er spændende at tænke på, hvad vi måske kan lære på disse områder. Vi er nu i gang med at kommercialisere teknologien med vores spin-out-virksomhed Cerca Magnetics for at muliggøre disse nye undersøgelser,” siger han.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden