Первый в мире портативный сканер МЭГ

Магнитоэнцефалография (МЭГ) — технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Для полей используются высокоточные сверхпроводниковые квантовые интерферометры (СКВИД-датчики).

Использование сверхпроводников само по себе предполагает, что установки МЭГ должны быть громоздкими и дорогими. Так и есть. Точнее, так и было до настоящего времени, пока группа исследователей из Ноттингемского университета (Великобритания), Университетского колледжа Лондона и компании QuSpin не представила первый в мире портативный сканер МЭГ.

Для начала нужно в двух словах объяснить, почему сканеры МЭГ такие громоздкие. Дело в том, что в результате электрической активности мозга генерируются чрезвычайно слабые магнитные поля, и зарегистрировать их может только очень чувствительный инструмент. 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.

Несмотря на оставшиеся ограничения, первый портативный сканер МЭГ позволит сделать значительный шаг вперёд в изучении мозга человека. Интересно, насколько далеко зайдёт прогресс в этом направлении когда появятся первые полноценные МЭГ-интерфейсы для связи с компьютером. Игры и приложения виртуальной реальности, которые реагируют на активность мозга и «понимают», что именно доставляет человеку удовольствие, а что его пугает — и подстраиваются под конкретного игрока. Наверное, беспроводные синхроканалы МЭГ-МЭГ между людьми будут примерно соответствовать тому, что наши предки называли телепатией.

Научная статья опубликована 21 марта 2018 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature26147, pdf)

Магнитоэнцефалография (МЭГ) — технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Для полей используются высокоточные сверхпроводниковые квантовые интерферометры (СКВИД-датчики).

Использование сверхпроводников само по себе предполагает, что установки МЭГ должны быть громоздкими и дорогими. Так и есть. Точнее, так и было до настоящего времени, пока группа исследователей из Ноттингемского университета (Великобритания), Университетского колледжа Лондона и компании QuSpin не представила первый в мире портативный сканер МЭГ.

Для начала нужно в двух словах объяснить, почему сканеры МЭГ такие громоздкие. Дело в том, что в результате электрической активности мозга генерируются чрезвычайно слабые магнитные поля, и зарегистрировать их может только очень чувствительный инструмент. 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.

Несмотря на оставшиеся ограничения, первый портативный сканер МЭГ позволит сделать значительный шаг вперёд в изучении мозга человека. Интересно, насколько далеко зайдёт прогресс в этом направлении когда появятся первые полноценные МЭГ-интерфейсы для связи с компьютером. Игры и приложения виртуальной реальности, которые реагируют на активность мозга и «понимают», что именно доставляет человеку удовольствие, а что его пугает — и подстраиваются под конкретного игрока. Наверное, беспроводные синхроканалы МЭГ-МЭГ между людьми будут примерно соответствовать тому, что наши предки называли телепатией.

Научная статья опубликована 21 марта 2018 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature26147, pdf)