Tragbarer Scanner misst die Gehirnfunktion von Menschen unterwegs – Physics World

Ein in Großbritannien ansässiges Forschungsteam hat einen tragbaren Gehirnscanner entwickelt, der die Gehirnfunktion beim Stehen und Gehen messen kann und so den Weg für ein besseres Verständnis und eine bessere Diagnose neurologischer Probleme ebnet, die sich auf die Bewegung auswirken.

Im Rahmen des Projekts kombinierte ein von der Universität Nottingham geleitetes Team kompakte Sensoren mit einer präzisen Magnetfeldsteuerung, um winzige, vom Gehirn erzeugte Magnetfelder zu messen und so hochpräzise Aufzeichnungen während natürlicher Bewegungen zu ermöglichen. Die Ergebnisse, präsentiert in NeuroImagebeschreiben, wie das Team etwa 60 zuckerwürfelgroße Magnetfeldsensoren, sogenannte optisch gepumpte Magnetometer (OPMs), in leichte tragbare Helme montierte, um Bewegungsfreiheit während einer Magnetenzephalographie (MEG)-Aufzeichnung zu ermöglichen.

As Niall Holmes, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Nottingham, der die Forschung leitete, erklärt, dass sich das Projekt auf die Abbildung der Funktion des menschlichen Gehirns in „völlig natürlichen Umgebungen“ konzentriert, um das Verständnis dafür zu vertiefen, was in unserem Gehirn passiert, wenn wir laufen lernen – oder was Was läuft im Gehirn von Patienten mit Erkrankungen, bei denen die Bewegung beeinträchtigt oder unkontrollierbar ist, schief?

„Herkömmliche Neuroimaging-Systeme wie MRT-Scanner sind einfach zu restriktiv, als dass wir natürliche Bewegungen ausführen könnten, und EEG-Aufzeichnungen während Bewegungen erzeugen artefaktbehaftete Daten“, sagt Holmes.

Nadel im Heuhaufen

Neuronen im Gehirn kommunizieren über elektrische Potenziale und neuronale Ströme, die ein zugehöriges Magnetfeld erzeugen. Die Messung dieser Felder außerhalb des Kopfes mit MEG-Aufzeichnungen ermöglicht es Forschern, die zugrunde liegende neuronale Aktivität mit einzigartig hoher räumlich-zeitlicher Präzision zu bestimmen. Laut Holmes stellt dieser Prozess jedoch eine erhebliche Herausforderung dar.

„Die neuronalen Magnetfelder liegen auf der Femtotesla-Ebene, über eine Milliarde Mal kleiner als das Magnetfeld der Erde und viele Größenordnungen kleiner als Magnetfelder, die von Quellen wie Stromnetz und fahrenden Fahrzeugen erzeugt werden; Es ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, sagt er.

Um dieser Einschränkung zu begegnen, baute das Team auf jüngsten Entwicklungen bei der Miniaturisierung von Quantentechnologien auf, um hochpräzise OPMs zu entwickeln, die durch Messung der Übertragung von Laserlicht durch eine mit einem Dampf aus Rubidiumatomen gefüllte Glaszelle funktionieren. Der Laser pumpt die Atome optisch, wodurch die Elektronenspins ausgerichtet werden. Bei einem Magnetfeld von Null sind alle Spins ausgerichtet und es kann kein Laserlicht mehr absorbiert werden, sodass die Messung der Intensität des aus der Glaszelle austretenden Laserlichts maximal ist.

„Wenn in der Nähe der Zelle ein kleines Magnetfeld angelegt wird, geraten die Spins aus der Ausrichtung und müssen mehr Laserlichtphotonen absorbieren, um sich wieder auf den Pumplaser auszurichten. Wenn Photonen absorbiert werden, nimmt die gemessene Intensität ab“, erklärt Holmes. „Indem wir die Intensität des Laserlichts überwachen, das durch die Zelle geleitet wird, können wir auf das lokale Magnetfeld schließen, dem die Atome ausgesetzt sind.“

Matrixspule

Das Nottingham-Team entwickelte außerdem eine „Matrixspule“ – eine neue Art aktiver magnetischer Abschirmung, die aus kleinen, einfachen Einheitsspulen mit jeweils individuell steuerbarem Strom besteht – die in Echtzeit neu gestaltet werden kann, um jeden Bereich in einem magnetisch abgeschirmten Raum abzuschirmen ( MSR). Dadurch können die OPMs weiterhin funktionieren, während sich der Patient frei bewegen kann.

„Mit unserer Matrixspule haben wir zum ersten Mal gezeigt, dass genaue MEG-Daten während ambulanter Bewegungen erfasst werden können. Dies bildet die Grundlage für viele klinische und neurowissenschaftliche Paradigmen, die mit herkömmlichen Neuroimaging-Systemen unmöglich wären“, sagt Holmes.

„Zum Beispiel wird das Scannen von Patienten mit Störungen, die Bewegung und Gleichgewicht beeinträchtigen, wie Parkinson, Gehirnerschütterungen und Gangataxie, direkt die Gehirnnetzwerke aktivieren, die mit den Bewegungen verbunden sind, die sie als die größte Herausforderung empfinden, und unsere Sensibilität für die neuronalen Korrelate dieser erhöhen.“ Störungen“, fügt er hinzu.

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Bewegungsfreiheit ermöglicht laut Holmes auch Studien zur räumlichen Navigation und natürlichen sozialen Interaktion sowie Längsschnittstudien zur neurologischen Entwicklung und die Aufzeichnung epileptischer Aktivität während Anfällen. Dadurch entstehen, wie er es nennt, „völlig andere Grenzen für Forscher und Kliniker“.

„Es ist spannend darüber nachzudenken, was wir in diesen Bereichen lernen können. Wir sind derzeit dabei, die Technologie mit unserem Spin-out-Unternehmen zu kommerzialisieren Cerca Magnetics um diese neuen Studien zu ermöglichen“, sagt er.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/wearable-scanner-measures-brain-function-in-people-on-the-move/