Bærbar skanner måler hjernefunksjonen hos mennesker på farten – Physics World

Bærbar skanner måler hjernefunksjonen hos mennesker på farten – Physics World

Tidsstempel: 27. juni 2023 4:45

Forsker Niall Holmes bruker hjernehjelmen
Bærbar MEG Forsker Niall Holmes bruker hjernehjelmen; det magnetiske skjermingssystemet for matrisespolen sees bak ham. (Med tillatelse: University of Nottingham)

Et britisk-basert forskerteam har laget en bærbar hjerneskanner som kan måle hjernefunksjonen mens folk står og går rundt, og baner vei for bedre forståelse og diagnose av nevrologiske problemer som påvirker bevegelse.

Som en del av prosjektet kombinerte et team ledet av University of Nottingham kompakte sensorer med presisjonsmagnetisk feltkontroll for å måle små magnetiske felt generert av hjernen, noe som muliggjorde svært nøyaktige opptak under naturlig bevegelse. Resultatene, presentert i NeuroImage, beskriv hvordan teamet monterte rundt 60 magnetiske feltsensorer på størrelse med sukkerbiter, kjent som optisk pumpede magnetometre (OPMs), i lette, bærbare hjelmer for å muliggjøre bevegelsesfrihet under en magnetoencefalografi (MEG)-opptak.

As Niall Holmes, stipendiat ved University of Nottingham, som ledet forskningen, forklarer at prosjektet fokuserer på å avbilde funksjonen til den menneskelige hjernen i "helt naturlige omgivelser" for å utdype forståelsen av hva som skjer i hjernen vår når vi lærer å gå - eller av hva som går galt i hjernen til pasienter med tilstander hvor bevegelsen blir svekket eller ukontrollerbar.

"Konvensjonelle nevroavbildningssystemer, som MR-skannere, er rett og slett for restriktive til at vi kan utføre naturlige bevegelser, og EEG-registreringer under bevegelser produserer gjenstandsbaserte data," sier Holmes.

Nål i en høystakk

Nevroner i hjernen kommuniserer via elektriske potensialer og nevronale strømmer som produserer et assosiert magnetfelt. Måling av disse feltene utenfor hodet med MEG-opptak gjør det mulig for forskere å bestemme den underliggende nevronale aktiviteten med en unik høy spatiotemporal presisjon. Men ifølge Holmes byr denne prosessen på en betydelig utfordring.

«De nevronale magnetfeltene er på femtotesla-nivå, over én milliard ganger mindre enn jordens magnetiske felt, og mange størrelsesordener mindre enn magnetiske felt generert av kilder som strømnettet og kjøretøy i bevegelse; det er som å lete etter en nål i en høystakk, sier han.

For å adressere denne begrensningen bygde teamet på nyere utviklinger innen miniatyrisering av kvanteteknologier for å lage svært nøyaktige OPM-er som fungerer ved å måle overføringen av laserlys gjennom en glasscelle fylt med en damp av rubidiumatomer. Laseren pumper optisk atomene, som justerer elektronspinnene. Ved null magnetfelt er alle spinn på linje, og ikke mer laserlys kan absorberes, så en måling av intensiteten til laserlyset som kommer ut av glasscellen er på et maksimum.

"Når et lite magnetfelt påføres i nærheten av cellen, faller spinnene ut av justering, og må absorbere flere fotoner av laserlys for å justere på nytt med pumpelaseren. Etter hvert som fotoner absorberes, avtar den målte intensiteten, forklarer Holmes. "Ved å overvåke intensiteten til laserlyset som sendes gjennom cellen, kan vi utlede det lokale magnetfeltet som atomene opplever."

Matrisespole

Nottingham-teamet utviklet også en "matrisespole" - en ny type aktiv magnetisk skjerming laget av små, enkle enhetsspoler, hver med individuelt kontrollerbar strøm - som kan redesignes i sanntid for å skjerme enhver region i et magnetisk skjermet rom ( MSR). Dette gjør at OPM-ene kan fortsette å fungere når pasientene beveger seg fritt.

«Ved å bruke matrisespolen vår har vi for første gang demonstrert at nøyaktige MEG-data kan innhentes under ambulerende bevegelser. Dette legger grunnlaget for mange kliniske og nevrovitenskapelige paradigmer som ville være umulige ved bruk av konvensjonelle nevroavbildningssystemer, sier Holmes.

"For eksempel vil skanning av pasienter med forstyrrelser som påvirker bevegelse og balanse, som Parkinsons sykdom, hjernerystelse og gangataksi, direkte aktivere hjernenettverkene assosiert med bevegelsene de finner mest utfordrende, og øke vår følsomhet for de nevrale korrelatene til lidelser, legger han til.

Ifølge Holmes muliggjør bevegelsesfrihet også studier av romlig navigasjon og naturlig sosial interaksjon, samt longitudinelle nevroutviklingsstudier og registrering av epileptisk aktivitet under anfall. Ved å gjøre det skaper det det han beskriver som "et helt annet sett med grenser for forskere og klinikere".

«Det er spennende å tenke på hva vi kan lære på disse områdene. Vi er nå i ferd med å kommersialisere teknologien med vårt spin-out-selskap Cerca Magnetics for å muliggjøre disse nye studiene, sier han.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden