Магнитоэнцефалография (МЭГ) представляет собой методику, предназначенную для измерения и визуализации магнитных полей, генерируемых в результате электрической активности коры головного мозга. Для регистрации этих полей задействуются сверхпроводниковые квантовые высокоточные интерферометры, так называемые СКВИД-датчики. В этой технологичной системе, эффективное применение сверхпроводниковых технологий обусловливает, что оборудование для МЭГ традиционно является весьма габаритным и очень дорогостоящим. Однако эта ситуация изменилась после того, как коллектив исследователей из Ноттингемского университета, Университетского колледжа Лондона и компании QuSpin разработал первый в мире портативный сканер МЭГ. Краткое объяснение сложности оборудования связано с тем, что магнитные поля, возникающие вследствие электрических процессов в мозге, являются крайне слабыми и требуют использования высокочувствительных измерительных приборов.
Слева: обычная 275-канальная криогенная система МЭГ. Она весит около 450 кг, зафиксирована в одном положении и громоздкая, а человек должен длительное время находиться в неподвижном состоянии относительно блока датчика. Справа: прототип шлема OPM-MEG. Он весит 905 г и настроен так, что датчики непосредственно примыкают к поверхности головы (в этом прототипе они охватывают только правую сенсомоторную кору). Человек может свободно двигать головой
Именно поэтому здесь применяют сверхпроводниковые квантовые интерферометры, которые различают силу поля в несколько фемтотесл. Эти сенсоры работают при сверхнизких температурах, поэтому находятся в жидком гелии, а между ними и черепом пациента размещается вакуумное пространство.
Любое движение головы сильно ухудшает качество данных: даже перемещение на 5 мм может сделать результаты измерений непригодными. Критически важно и расстояние от сенсоров до головы, потому что сила сигнала зависит от квадрата расстояния. Всё вышесказанное не только осложняет исследования, но делает затруднительными участие в них людей с маленькой головой (детей и других пациентов).
Первый в мире портативный сканер OPM-MEG кардинально меняет ситуацию. Конечно, с ним нельзя ходить по улице, но даже в таком виде он значительно расширяет возможное поле для экспериментов. Впервые учёные могут полноценно сканировать мозг активных детей и людей с двигательными расстройствами. Кроме того, становятся возможными принципиально новые исследования. Например, исследования в области пространственной навигации, которые были крайне затруднены, когда человек должен был находиться в стационарном положении. Теперь можно наконец-то увидеть, что происходит в мозге человека при естественном общении с другими людьми, в том числе противоположного пола.
В новом шлеме сенсоры зафиксированы относительно мозга человека, а не относительно стационарной машины. Датчики — магнитометры с оптической накачкой (OPM) производства американской компании QuSpin — интегрированы непосредственно в поверхность шлема и подключены к системе для подавления внешних магнитных полей. Чтобы аннулировать влияние магнитного поля Земли, исследователи применили набор из бипланарных электромагнитных катушек. Они генерируют магнитное поле, в точности противоположное земному, чтобы аннулировать его влияние на измерения. Большое ограничение — что пациенту нельзя выходить за пределы этого защищённого поля: невидимого куба с гранью примерно 40 см.
Точность измерений требует, чтобы шлем идеально прилегал к черепу и лицу пациента, поэтому для каждого человека изделие придётся изготавливать индивидуально. Оно делается с применением 3D-печати.
Учёные проверили точность измерений в шлеме OPM-MEG по сравнению с традицонной магнитоэнцефалографией. В ходе экспериментов пациенты выполняли одну и ту же задачу (поднятие пальца) в разных сканерах — и результаты оказались одинаковыми. Кроме того, исследователи впервые изучили активность мозга в задачах, которые принципиально невозможно было исследовать раньше. Это задачи, которые требуют подвижности, в том числе перемещения головы. Например, выпить воды из кружки или набивать шарик на ракетке.
Команда исследователей из Российского квантового центра, Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ представила сверхчувствительный твердотельный магнитометр и впервые экспериментально применила его в магнитоэнцефалографии — технологии измерения электрической активности головного мозга. Устройство позволит в разы снизить стоимость магнитоэнцефалографии.
Разработка описана в международном журнале Human Brain Mapping, специализирующемся на научных исследованиях в области визуализации активности человеческого мозга.
Основное преимущество магнитоэнцефалографии (МЭГ) в сравнении с другими методами исследования электрической активности мозга — высокая точность: биологические ткани прозрачны для магнитных полей. Однако на сегодняшний день МЭГ доступна лишь в небольшом количестве лабораторий по всему миру, что связано с высокой стоимостью и сложностью производства МЭГ-систем, в которых используется крайне холодный жидкий гелий или, наоборот, нагретый до высоких температур газ.
Разработанный Российским квантовым центром датчик на основе пленки из железо-иттриевого граната стал первым в мире твердотельным сверхчувствительным магнитометром, работающим при комнатной температуре. Система, построенная на основе квантового сенсора, имеет более высокую чувствительность и дает возможность регистрировать даже слабые или глубинные электрические источники головного мозга. Широкий динамический диапазон позволит потенциально уменьшить степень магнитной защиты, что существенно снизит цену как самого устройства, так и необходимой для исследований инфраструктуры.
Экспериментальное исследование применимости новых сенсоров провели сотрудники Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ. Оно базировалось на регистрации простого сигнала головного мозга — альфа-ритма, который представляет синусоидальные токи, возникающие в затылочной области головного мозга. Успешная регистрация альфа-ритма разработанным магнитометром валидирована с использованием других методов.
В будущем ученые планируют рассмотреть различные схемы расположения сенсоров, в том числе гибкое соединение, фиксируемое вокруг головы для наиболее эффективной локализации электрической активности коры головного мозга. В целом полученные результаты обосновывают необходимость дальнейшего изучения технологии и постепенного создания МЭГ-системы на основе полностью твердотельных датчиков. Запуск такого устройства станет важным шагом в развитии областей неинвазивной нейровизуализации и неинвазивных нейроинтерфейсов.
«Разработка данного магнитометра была начата Петром Ветошко, техническим директором проекта, еще в середине 90-х годов. Интерес к МЭГ-системам в мире непрерывно растет: если в 2017 году рынок оценивался в 600 млн долларов, то к 2025 году аналитики прогнозируют увеличение до 1,3 млрд долларов. Важно отметить, что, несмотря на аналогичные принципы работы данного квантового сенсора и классического феррозонда, квантовое обменное взаимодействие позволило зарегистрировать значение магнитного поля в тысячу раз ниже, чем при использовании традиционных решений. Мы видим, что устройство идеально подходит для решения задач, связанных с исследованием мозга. Более того, при таком уровне чувствительности наш сенсор сохраняет все преимущества традиционных феррозондов и может считаться универсальным магнитометром», — сообщил Максим Острась, руководитель проекта в Российском квантовом центре.
«Даже первый опытный образец разработанного сверхчувствительного магнитометра в ряде случаев показывает более высокую чувствительность в контексте магнитоэнцефалографии по сравнению с существующими системами. Вкупе с простотой и твердотельной природой сенсора это позволяет предположить оптимистичное будущее систем, созданных на основе этой технологии. Разумеется, предстоит еще огромная работа. Требуется как продолжение физических исследований, так и разработка нового математического аппарата для наиболее эффективной обработки сигнала магнитометров нового типа с учетом его специфики», — подчеркнул Николай Кошев, Assistant Professor Сколковского института науки и технологий.
Алексей Осадчий, директор Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ
С новыми сенсорами, учитывая их потенциально низкую стоимость и надежность, мы можем надеяться, что в скором будущем технология магнитоэнцефалографии станет доступна большему кругу пациентов, врачей и исследователей, которые получат в свои руки устройство для функционального картирования мозга, способное с миллиметровой точностью локализовать источники нейрональной активности и нейронные сети. Это повысит качество медицинской помощи, точность диагностики ряда неврологических расстройств, включая эпилепсию, и даст дополнительный толчок исследованиям механизмов работы головного мозга в норме и патологии.
