Elke hartslag of uitbarsting van hersenactiviteit is afhankelijk van kleine elektrofysiologische stroompjes die minuscule rimpelingen in het omringende magnetische veld genereren. Deze veldvariaties vormen de basis voor een reeks onderzoeksinstrumenten en diagnostische technieken met mondvolle namen als magneto-encefalografie (MEG) en magnetocardiografie (MCG). Maar om de zwakke magnetische velden van de biologie aan te boren, zijn heroïsche en kostbare maatregelen nodig. inclusief hightech schilden om de grotere, mogelijk verstorende magnetische krachten overal om ons heen en kleine magnetische veldsensoren die dure en omslachtige vloeibare heliumkoeling vereisen.

DARPA's nieuwe Atomic Magnetometer for Biological Imaging In Earth's Native Terrain (AMBIIENT) programma gaat helemaal over het inluiden van magnetische velddetectie in een nieuw tijdperk waarin MEG's, MCG's, en een assortiment van andere magnetische velddetectietechnieken die op de verlanglijst staan, worden praktische realiteiten voor een breed scala aan toepassingen. Mogelijk aan de horizon, bijvoorbeeld, zijn sensorsystemen voor het detecteren van spinale signalen, hersenschudding diagnosticeren, en brain-machine interfaces (BMI's) voor toepassingen zoals het besturen van prothetische ledematen en externe machines via de subtiele magnetische signalen die met het denken worden geassocieerd.

Een paar olifanten in de kamer hebben verhinderd dat de waarneming van biomagnetische velden verder reikte dan de huidige beperkingen. Planeet Aarde is de grootste buzz-kill geweest. Het gemiddelde magnetische veld is 50 miljoenste van een Tesla, een eenheid van magnetische veldsterkte genoemd naar de uitvinder Nikola Tesla uit het midden van de 19e en het begin van de 20e eeuw. Dit betekent dat het magnetische veld van de aarde een miljoen tot een miljard keer sterker is dan de 10 picoTesla (10 ^-11 Tesla) naar 10 femtoTesla (10 ^-14 Tesla) magnetische velden afkomstig van menselijke lichamen. Daarbovenop, zelfs de geavanceerde magnetische veldsensoren van vandaag, gebaseerd, bijvoorbeeld, op supergeleidende kwantuminterferentieapparaten (SQUID's) - die lijden aan een beperkt dynamisch bereik, wat betekent dat ze niet betrouwbaar kunnen reageren in de aanwezigheid van magnetische veldsterkten die vele ordes van grootte overspannen, zoals het geval is wanneer biologische magnetische velden superponeren op het eigen magnetisme van de aarde. Zonder intense afscherming, die magnetische fluisteringen uit de biologie zouden verloren gaan te midden van het schetterende geraas van het aardmagnetisme, zelfs met de best beschikbare sensoren in het spel.

"Traditioneel, het meten van kleine magnetische signalen in omgevingsomgevingen was gebaseerd op paren van hoogwaardige sensoren gescheiden door een basislijnafstand en vervolgens het meten van de kleine verschillen in veldsterkte tussen de twee sensoren, " zei Robert Lutwak, AMBIIENT's programmamanager in DARPA's Microsystems Technology Office. "Deze gradiometrische techniek heeft goed gewerkt voor toepassingen in geofysisch onderzoek en detectie van niet-ontplofte munitie, "Lutwak voegde toe, "maar door de combinatie van het beperkte dynamische bereik van de sensoren en de natuurlijke ruimtelijke variatie van de achtergrondsignalen, deze benadering schiet verschillende ordes van grootte tekort om biologische magnetische signalen te kunnen detecteren."

Het AMBIIENT-programma daagt de onderzoeksgemeenschap uit om nieuwe soorten magnetische gradiëntmeters te bedenken die picoTesla- en femtoTesla-magnetische handtekeningen in de open lucht kunnen detecteren, zonder afscherming en met wat de omringende magnetische veldomgeving ook mag zijn. Om dit te doen, moeten onderzoekers, in de woorden van Lutwak, "gebruik nieuwe atomaire fysica-technieken en -architecturen om extreem kleine gradiënten in magnetische velden direct te meten zonder het verschil te hoeven vergelijken tussen absolute veldmetingen van twee sensoren die langs een basislijn zijn gescheiden." Een op fysica gebaseerde benadering die AMBIIENT-artiesten waarschijnlijk zullen volgen, is het volgen van veranderingen in de polarisatie of andere meetbare kenmerken van een kleine laserstraal terwijl deze door dampcellen gaat die atomen bevatten die op laserstraalveranderende manieren reageren op zelfs femtoTesla-magnetische velden. Het volgen van veranderingen in de eigenschappen van het laserlicht zou daardoor een nieuw en praktisch venster openen op magnetische velden die voorheen onmeetbaar waren onder omgevingsomstandigheden. Dit opent scenario's waarin, zeggen, een hospik op een slagveld zou een toverstokachtige sensor kunnen hanteren om een ​​oorlogsjager snel te screenen op tekenen van een hersenschudding of ander hoofdtrauma geschreven in de subtiele magnetische velden van de hersenen

"Hooggevoelige magnetische detectie en beeldvorming zullen een krachtig nieuw hulpmiddel bieden voor medisch onderzoek en klinische diagnose van neurologische en cardiale activiteit, " zei Lutwak. "Het doel van DARPA is om te eindigen met de mogelijkheid van hooggevoelige magnetische detectie in een goedkoop apparaat dat in gewone omgevingen kan werken." Hij ziet ook enkele ongebruikelijke uitbreidingen van magnetische velddetectie, inclusief magnetische navigatie (MagNav) als back-up, alternatief, of aanvulling op GPS-gebaseerde navigatie. Uitgerust met het soort sensoren dat zou kunnen voortkomen uit het AMBIIENT-programma, bijvoorbeeld, een vliegtuig dat op vliegtuighoogte vliegt, kan de natuurlijk variërende en goed in kaart gebrachte magnetische veldvariaties op het aardoppervlak volgen om zijn bovengrondse locatie binnen ongeveer 250 meter te bepalen.