Bärbar skanner mäter hjärnans funktion hos människor i rörelse – Physics World

Bärbar skanner mäter hjärnans funktion hos människor i rörelse – Physics World

Tidsstämpel: 27 juni 2023 4:45

Forskaren Niall Holmes bär hjärnavbildningshjälmen
Bärbar MEG Forskaren Niall Holmes bär hjärnavbildningshjälmen; det magnetiska skärmsystemet för matrisspolen syns bakom honom. (Med tillstånd: University of Nottingham)

Ett brittiskt forskarlag har skapat en bärbar hjärnskanner som kan mäta hjärnans funktion medan människor står och går runt, vilket banar väg för bättre förståelse och diagnos av neurologiska problem som påverkar rörelse.

Som en del av projektet kombinerade ett team som leds av University of Nottingham kompakta sensorer med precisionskontroll av magnetfält för att mäta små magnetiska fält som genereras av hjärnan, vilket gör det möjligt att göra mycket exakta inspelningar under naturlig rörelse. Resultaten, presenterade i Neuroimage, beskriv hur teamet monterade runt 60 magnetfältssensorer i sockerkubstorlek, kända som optiskt pumpade magnetometrar (OPM), i lätta bärbara hjälmar för att möjliggöra rörelsefrihet under en magnetoencefalografi (MEG)-inspelning.

As Niall Holmes, forskare vid University of Nottingham, som ledde forskningen, förklarar, projektet fokuserar på att avbilda den mänskliga hjärnans funktion i "helt naturliga miljöer" för att fördjupa förståelsen av vad som händer i våra hjärnor när vi lär oss att gå – eller vad som går fel i hjärnan hos patienter med tillstånd där rörelsen blir försämrad eller okontrollerbar.

"Konventionella neuroavbildningssystem, såsom MRI-skannrar, är helt enkelt för restriktiva för oss att utföra naturliga rörelser, och EEG-inspelningar under rörelser producerar artefakt-ridna data," säger Holmes.

Nål i en höstack

Neuroner i hjärnan kommunicerar via elektriska potentialer och neuronala strömmar som producerar ett tillhörande magnetfält. Genom att mäta dessa fält utanför huvudet med MEG-inspelningar kan forskare bestämma den underliggande neuronala aktiviteten med unik hög spatiotemporal precision. Men enligt Holmes innebär denna process en betydande utmaning.

"De neuronala magnetfälten är på femtoteslanivån, över en miljard gånger mindre än jordens magnetfält, och många storleksordningar mindre än magnetfält som genereras av källor som elnät och fordon i rörelse; det är som att leta efter en nål i en höstack”, säger han.

För att ta itu med denna begränsning byggde teamet på den senaste utvecklingen inom miniatyriseringen av kvantteknologier för att skapa mycket exakta OPM som fungerar genom att mäta överföringen av laserljus genom en glascell fylld med en ånga av rubidiumatomer. Lasern pumpar optiskt atomerna, vilket justerar elektronsnurrarna. Vid noll magnetfält är alla spinn inriktade, och inget mer laserljus kan absorberas, så en mätning av intensiteten hos laserljuset som lämnar glascellen är maximal.

"När ett litet magnetfält appliceras nära cellen, faller spinnen ur linje och behöver absorbera fler fotoner av laserljus för att återinrikta sig med den pumpande lasern. När fotoner absorberas minskar den uppmätta intensiteten”, förklarar Holmes. "Genom att övervaka intensiteten hos laserljuset som sänds genom cellen kan vi sluta oss till det lokala magnetfält som atomerna upplever."

Matrisspole

Nottingham-teamet utvecklade också en "matrisspole" - en ny typ av aktiv magnetisk skärmning gjord av små, enkla enhetsspolar, var och en med individuellt styrbar ström - som kan omdesignas i realtid för att skärma valfri region i ett magnetiskt avskärmat rum ( MSR). Detta gör att OPM:erna kan fortsätta att fungera när patienterna rör sig fritt.

"Med vår matrisspole har vi för första gången visat att korrekt MEG-data kan erhållas under ambulerande rörelser. Detta lägger grunden för många kliniska och neurovetenskapliga paradigm som skulle vara omöjliga med konventionella neuroimagingsystem, säger Holmes.

"Till exempel kommer genomsökningen av patienter med störningar som påverkar rörelse och balans, såsom Parkinsons sjukdom, hjärnskakning och gångataxi, att direkt aktivera hjärnnätverken som är förknippade med de rörelser som de upplever som mest utmanande, vilket ökar vår känslighet för nervkorrelaten i hjärnan. störningar”, tillägger han.

Enligt Holmes möjliggör rörelsefrihet även studier av rumslig navigering och naturlig social interaktion, samt longitudinella neuroutvecklingsstudier och registrering av epileptisk aktivitet under anfall. Genom att göra det skapar det vad han beskriver som "en helt annan uppsättning gränser för forskare och kliniker".

”Det är spännande att tänka på vad vi kan lära oss inom dessa områden. Vi håller nu på att kommersialisera tekniken med vårt spin-out-bolag Cerca Magnetics för att möjliggöra dessa nya studier, säger han.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden