Forskere ved Sandia arbejder på en ny måde at afbilde hjerne på

Sandia National Laboratories forskere ønsker at bruge små magnetiske sensorer til at afbilde hjernen på en måde, der er enklere og billigere end det magnetoencefalografisystem, der nu bruges.

Magnetoencefalografi er en ikke-invasiv måde at måle små magnetiske felter produceret af hjernens elektriske aktivitet. Målingerne, i stand til at fange aktivitet så hurtigt som et millisekund, hjælpe med at identificere, hvordan dele af hjernen fungerer og kan lokalisere kilder til epilepsi og andre anomalier.

Det nyeste er en række af hundredvis af magnetiske sensorer placeret rundt om hovedet for at afbilde hjernen ved at reagere på små ændringer i dens magnetiske felter - sensorer kaldet SQUID magnetometre, til superledende kvanteinterferensmagnetometre. Sådanne systemer kræver magnetisk afskærmning for et helt rum og bruger flydende helium, et kryogen, der fungerer ved 4 grader over det absolutte nulpunkt. Disse dyre krav begrænser tilgængeligheden.

Sandia er ved at udvikle et optisk pumpet magnetometer, eller OPM, sensorarray, der passer mod hovedet og er anbragt inde i et skjold i menneskestørrelse, der ligner et MR-rør. Det undgår behovet for kryogene temperaturer eller et afskærmet rum, så det ville være nemmere og billigere at bruge.

Det ville gøre magnetoencefalografi mere nyttig for neurologi til diagnosticering og undersøgelse af hjernesygdomme og til kognitiv videnskab, herunder ny forskning om posttraumatisk stresslidelse og traumatisk hjerneskade, sagde projektets hovedefterforsker Peter Schwindt og tidligere Sandia-manager Rob Boye.

"Hvem er ikke interesseret i hjernevidenskab?" sagde Schwindt. "Det er fascinerende ting."

Sandia-teamet udgav et papir i november i Fysik i medicin og biologi som viser, at Sandias system kan registrere signaler fra hjernen. Holdet udgav et papir sidste år i Optik Express beskriver deres OPM-sensor.

Demonstrationssystem udviklet i løbet af et fireårigt projekt

Under et fireårigt projekt finansieret af National Institutes of Health, Sandia byggede et prototype af et magnetoencefalografisystem med OPM-arrayet placeret inde i et magnetisk skjold i personstørrelse. OPM er en kvantesensor, der inkluderer en lille glascelle, der indeholder en gas af rubidiumatomer, en pumpelaser til at indstille tilstanden af ​​individuelle atomer i gassen og en sondelaser til at aflæse atomernes skiftende tilstand. Ændring i tilstand afhænger af styrken af ​​hjernens magnetfelt, der registreres af arrayet.

Demonstrationssystemet indeholdt 20 magnetometerkanaler i fem sensorer, der dækkede mindre end en fjerdedel af en voksens kranium. Holdet ønsker at afbilde mere af hjernen i fremtiden ved at udvikle et array, der dækker hele hovedet, ligesom nutidens SQUID-systemer.

Sandia sammenlignede sine resultater med resultaterne fra et kommercielt SQUID-system, ved hjælp af neurologiske test, der giver velforståede resultater. En test lyder en kvart sekund lang tone i begge ører, producerer en spids i den auditive cortex. Endnu en test, en nervestimulus, forårsager et træk i tommelfingeren, resulterer i en respons i den somatosensoriske cortex. Begge svar kan let observeres med Sandias system, og teamet bruger begge svar til at karakterisere og forfine sit system.

"I bund og grund du kan tænke på atomerne som små snurretoppe, " sagde Boye. "Når der er et magnetfelt til stede, det vil få disse toppe til at rotere. Probelaseren kan mærke den rotation. I din hjerne, når en flok neuroner skyder, der er lidt elektrisk strøm. Strøm giver anledning til et magnetfelt, så det er strømmen af ​​ladninger i dine neuroner, der giver anledning til de magnetiske felter, der registreres af OPM."

Kommercielle SQUID-arrays bruger faste hjelme, med en hoved-til-sensor afstand på mindst 2 centimeter (ca. 0,78 tomme), og 10 cm (3,9 tommer) eller mere til børn, sagde Schwindt. Fordi Sandias array tilpasser sig hovedet, afstanden mellem hoved og sensor er kortere og konstant. Holdet ønsker at reducere sin nuværende afstand på 1,2 cm (0,47 tommer) til 0,5-0,7 cm (ca. 0,2-0,27 tommer), da kvaliteten af ​​signaler fra hjernen falder hurtigt med afstand, sagde Schwindt.

Gør magnetoencefalografi mere tilgængelig

Dr. Bruce Fisch, professor emeritus ved University of New Mexico Health Sciences Center og tidligere direktør for UNMs kliniske magnetoencefalografiprogram, sagde Sandias arbejde kunne gøre magnetoencefalografi mere tilgængelig. Fisk, der rådførte sig om projektet, sagde i evalueringen af ​​epilepsipatienter til operation med det formål at stoppe anfald, det er vigtigt at lokalisere kilden til hjernesignaler mere præcist end muligt med den mere velkendte MR. UNM bruger SQUID-systemet hos Mind Research Network til at udføre kliniske magnetoencefalografi-scanninger, sagde Fisch.

Schwindt sagde, at det er for tidligt at vurdere, hvor meget et OPM-baseret system ville koste. Afhængigt af faktorer såsom hjælpeenheder, et omfattende SQUID-baseret magnetoencefalografisystem kan koste fra $1,8 millioner til $4 millioner, inklusive et magnetisk afskærmet rum, sagde Miikka Putala, direktør for forretningsområdet magnetoencefalografi for Elekta Neuroscience i Finland, som laver sådanne systemer.

Det næste trin er at vise, at systemet ikke kun kan registrere signaler fra hjernen, men også finde ud af, hvor signalerne stammer fra. Handlinger som at tænke eller trække en muskel sammen skaber magnetiske felter i hjernen, men de er svære at isolere.

"Bare fordi du kan detektere et magnetfelt, betyder det ikke, at du ved, hvor det kommer fra, " sagde Boye.

OPM-arrayet er placeret over forskellige dele af hovedet for at fokusere arrayet på specifikke områder af hjernen. Operatører kombinerer information for at lokalisere kilden til det magnetiske felt for at finde ud af, hvor hjernen er aktiv.

Sandias team bruger de målte signaler til at lokalisere kilder i hjernen. Holdet arbejder på at forbedre den ufuldkomne kalibrering af sensorer og viden om OPM-arrayet i forhold til hjernens position for at fortsætte med at forbedre nøjagtigheden af ​​lokalisering af hjerneaktivitet.

Tilpasning af arrayet tættere på hovedbunden kan forbedre lokaliseringsnøjagtigheden og skelne mellem tætsiddende neuronale kilder. Et bedre passende array kan også registrere aktivitet, der ikke kan registreres nu.

"I særdeleshed, dette kan være meget interessant for pædiatriske og spædbørns undersøgelser af hjernens udvikling, " sagde Schwindt. "Jo tættere på du kommer, jo mere rumlig troskab vil du have."