Onderzoekers van Sandia National Laboratories willen kleine magnetische sensoren gebruiken om de hersenen in beeld te brengen op een manier die eenvoudiger en goedkoper is dan het magneto-encefalografiesysteem dat nu wordt gebruikt.

Magneto-encefalografie is een niet-invasieve manier om minuscule magnetische velden te meten die worden geproduceerd door de elektrische activiteit van de hersenen. De maten, in staat om activiteit zo snel als een milliseconde te vangen, helpen identificeren hoe delen van de hersenen functioneren en kunnen bronnen van epilepsie en andere anomalieën lokaliseren.

De stand van de techniek is een reeks van honderden magnetische sensoren die rond het hoofd zijn geplaatst om de hersenen in beeld te brengen door te reageren op kleine veranderingen in de magnetische velden - sensoren die SQUID-magnetometers worden genoemd, voor supergeleidende magnetometers voor kwantuminterferentie-apparaten. Dergelijke systemen vereisen magnetische afscherming voor een hele kamer en gebruiken vloeibaar helium, een cryogeen dat werkt bij 4 graden boven het absolute nulpunt. Die dure eisen beperken de toegankelijkheid.

Sandia ontwikkelt een optisch gepompte magnetometer, of OPM, sensorarray die tegen het hoofd past en is gehuisvest in een schild ter grootte van een mens dat lijkt op een MRI-buis. Het vermijdt de noodzaak van cryogene temperaturen of een afgeschermde ruimte, dus het zou gemakkelijker en goedkoper zijn om te gebruiken.

Dat zou magneto-encefalografie nuttiger maken voor neurologie bij het diagnosticeren en bestuderen van hersenaandoeningen en voor cognitieve wetenschap, inclusief opkomend onderzoek naar posttraumatische stressstoornis en traumatisch hersenletsel, zeiden hoofdonderzoeker van het project Peter Schwindt en voormalig Sandia-manager Rob Boye.

"Wie is er niet geïnteresseerd in hersenwetenschap?" aldus Schwindt. "Het zijn fascinerende dingen."

Het Sandia-team publiceerde in november een paper in Natuurkunde in geneeskunde en biologie dat aantoont dat Sandia's systeem signalen van de hersenen kan detecteren. Het team publiceerde vorig jaar een paper in Optica Express die hun OPM-sensor beschrijven.

Demonstratiesysteem ontwikkeld tijdens een vierjarig project

Tijdens een vierjarig project gefinancierd door de National Institutes of Health, Sandia bouwde een prototype magneto-encefalografiesysteem met de OPM-array geplaatst in een magnetisch schild ter grootte van een persoon. De OPM is een kwantumsensor die een kleine glazen cel bevat die een gas van rubidium-atomen bevat, een pomplaser om de toestand van individuele atomen in het gas in te stellen en een sondelaser om de veranderende toestand van de atomen te lezen. Verandering in toestand hangt af van de sterkte van het magnetische veld van de hersenen dat door de array wordt waargenomen.

Het demonstratiesysteem bevatte 20 magnetometerkanalen in vijf sensoren die minder dan een kwart van de schedel van een volwassene beslaan. Het team wil in de toekomst meer van de hersenen in beeld brengen door een array te ontwikkelen die het hele hoofd bedekt, zoals de huidige SQUID-systemen.

Sandia vergeleek zijn bevindingen met die van een commercieel SQUID-systeem, neurologische tests gebruiken die goed begrepen resultaten opleveren. Eén test laat in beide oren een toon van een kwart seconde horen, produceren een piek in de auditieve cortex. Nog een proef, een zenuwprikkel, veroorzaakt een trilling van de duim, resulterend in een reactie in de somatosensorische cortex. Beide reacties worden gemakkelijk waargenomen met Sandia's systeem, en het team gebruikt beide reacties om het systeem te karakteriseren en te verfijnen.

"In essentie, je kunt de atomen zien als kleine tollen, Boye zei. "Als er een magnetisch veld aanwezig is, het zal die toppen laten draaien. De sondelaser kan die rotatie waarnemen. In je brein, wanneer een stel neuronen vuren, er is een beetje elektrische stroom. Stroom veroorzaakt een magnetisch veld, dus het is de stroom van ladingen in je neuronen die aanleiding geeft tot de magnetische velden die door de OPM worden waargenomen."

Commerciële SQUID-arrays gebruiken vaste helmen, met een afstand van hoofd tot sensor van minimaal 2 centimeter (ongeveer 0,78 inch), en 10 cm (3,9 inch) of meer voor kinderen, aldus Schwindt. Omdat Sandia's array zich aanpast aan het hoofd, de afstand tussen kop en sensor is korter en constant. Het team wil de huidige afstand van 1,2 cm (0,47 inch) verkleinen tot 0,5-0,7 cm (ongeveer 0,2-0,27 inch), omdat de kwaliteit van signalen van de hersenen snel afneemt met de afstand, aldus Schwindt.

Magneto-encefalografie meer beschikbaar maken

Dr. Bruce Fisch, emeritus hoogleraar aan het Health Sciences Center van de Universiteit van New Mexico en voormalig directeur van UNM's klinische magneto-encefalografieprogramma, zei dat het werk van Sandia magneto-encefalografie op grotere schaal beschikbaar zou kunnen maken. vis, die adviseerde over het project, zei bij het evalueren van epilepsiepatiënten voor een operatie gericht op het stoppen van aanvallen, het is belangrijk om de bron van hersensignalen nauwkeuriger te lokaliseren dan mogelijk is met de meer bekende MRI. UNM gebruikt het SQUID-systeem van het Mind Research Network om klinische magneto-encefalografiescans uit te voeren, zei Fisch.

Schwindt zei dat het te vroeg is om in te schatten hoeveel een OPM-gebaseerd systeem zou kosten. Afhankelijk van factoren zoals hulpapparatuur, een uitgebreid op SQUID gebaseerd magneto-encefalografiesysteem kan $ 1,8 miljoen tot $ 4 miljoen kosten, inclusief een magnetisch afgeschermde ruimte, zei Miikka Putaala, directeur van de business line magneto-encefalografie voor Elekta Neuroscience van Finland, die dergelijke systemen maakt.

De volgende stap is om te laten zien dat het systeem niet alleen signalen van de hersenen kan detecteren, maar ook lokaliseren waar de signalen vandaan komen. Handelingen zoals denken of het samentrekken van een spier creëren magnetische velden in de hersenen, maar ze zijn moeilijk te isoleren.

"Alleen omdat je een magnetisch veld kunt detecteren, wil nog niet zeggen dat je weet waar het vandaan komt, ' zei Boye.

De OPM-array wordt over verschillende delen van het hoofd geplaatst om de array op specifieke delen van de hersenen te concentreren. Operators combineren informatie om de bron van het magnetische veld te lokaliseren om te ontdekken waar de hersenen actief zijn.

Het team van Sandia gebruikt de gemeten signalen om bronnen in de hersenen te lokaliseren. Het team werkt aan het verbeteren van de imperfecte kalibratie van sensoren en kennis van de OPM-array ten opzichte van de positie van de hersenen om de nauwkeurigheid van het lokaliseren van hersenactiviteit te blijven verbeteren.

Door de array nauwer op de hoofdhuid aan te passen, kan de nauwkeurigheid van de lokalisatie worden verbeterd en kan onderscheid worden gemaakt tussen dicht bij elkaar gelegen neuronale bronnen. Een beter passende array kan ook activiteit detecteren die nu niet kan worden waargenomen.

"Vooral, dit kan erg interessant zijn voor pediatrische en zuigelingenstudies van hersenontwikkeling, " zei Schwindt. "Hoe dichterbij je komt, hoe meer ruimtelijke getrouwheid je zult hebben."