Forskare vid University of Nottingham arbetar med University College London (UCL) på ett femårigt projekt som har potential att revolutionera världen av mänsklig hjärnavbildning.

Magnetoencefalografi (MEG) är en teknik för att kartlägga hjärnaktivitet - den mäter magnetfält som genereras av elektriska strömmar som förekommer naturligt i hjärnan. Ett 1,6 miljoner pund Collaborative Award in Science från Wellcome finansierar byggandet av en ny typ av MEG -skanner som, om det lyckas, kan fyrdubbla känsligheten för nuvarande toppmoderna enheter.

Dr Matthew Brookes och professor Richard Bowtell, i School of Physics and Astronomy leder forskningen i Nottingham, där de redan har designat och byggt en 3D-tryckt prototyp bärbar hjälm och är i ett mycket tidigt skede av utvecklingen av det nya MEG-systemet. Bilder finns tillgängliga via denna dropbox -länk.

Dr Brookes sa:"Kvantteknik har möjliggjort utveckling av en ny typ av optisk sensor som har känslighet för att upptäcka de svaga magnetfälten från hjärnan. Till skillnad från nuvarande teknik, dessa nya sensorer kan fungera vid rumstemperatur, så att de kan placeras direkt på hårbottenytan. Våra beräkningar visar att genom att få sensorerna närmare huvudet kan vi fyrdubbla känsligheten för fältdetektering. Detta kommer att revolutionera den typ av effekt som vi kan upptäcka från den mänskliga hjärnan. "

De flesta nuvarande MEG-system är besvärliga, byggd runt ett litet hål i vilket en deltagares huvud försiktigt klämts fast eftersom sensorerna, som måste hållas vid minus 269 grader, går inte att flytta. Det är en statisk, one-size-fits-all-system. Denna konstgjorda miljö begränsar både de ämnesgrupper som kan skannas och de experimentella frågor som kan tas upp.

Pilotförsök visade potential för nya kvantsensorer

Det samarbetsteamet började arbeta inom detta område för två år sedan, bedöma potentialen för kvantsensorer i beräkningssimuleringar. Efter detta, med hjälp av pump-priming-finansiering från UCL och University of Nottingham, laget köpte ett litet antal kvantsensorer, och använde dem för att visa, experimentellt, att den förväntade förbättringen av känsligheten kan bli verklighet. Baserat på dessa pilotdata, de har nu mottagit Wellcome-priset för att bygga ett fullt fungerande flerkanaligt MEG-system baserat på kvantsensorer-varav £ 800, 000 finansierar arbetet i Nottingham.

Medan den fysikbaserade utvecklingen som behövs för att skannern ska fungera utförs i Nottingham, experter på UCL utför detaljerad beräkningsmässig och teoretisk modellering av hjärnan för att rama in neurovetenskapen och fastställa vilka neurovetenskapliga frågor som kan tas upp.

En stor och utmanande uppgift ligger framför oss

Forskningsprojektet, 'Flytta funktionell hjärnbildning till den verkliga världen:En bärbar, kryogenfri, MEG -system ', leds av professor Gareth Barnes, i Wellcome Trust Center for Neuroimaging vid UCL. Han sa:"Förverkligandet av detta system är enormt, men extremt spännande, utmaning, med potential att revolutionera hjärnavbildningsområdet. Våra simuleringar och pilotförsök har redan visat den unika potentialen hos de nya kvantsensorerna. "

Professor Barnes fortsatte:"Vår skanner kommer att bäras på huvudet som en hjälm, vilket innebär att försökspersoner kan utföra uppgifter samtidigt som de rör sig fritt i en öppen och naturlig miljö."

Den nya skannern har potential att revolutionera hjärnbildning för alla ämnen, men kommer att vara särskilt användbart för barn. Professor Richard Bowtell, Medsökande och direktör för Sir Peter Mansfield Imaging Center i Nottingham sa:"Eftersom MEG-system i huvudsak är 'one size fits all', känsligheten är begränsad för försökspersoner med mindre huvuden såsom spädbarn eftersom deras huvuden är längre bort från detektorerna. Rumstemperatur kvantsensorer kan monteras direkt på hårbotten på vilket motiv som helst. Detta kommer att ge oss en beräknad fyrfaldig ökning av känsligheten för vuxna, men känsligheten kan potentiellt vara upp till en 15- eller 20-faldig ökning för barn eller spädbarn."

Den första etappen av deras arbete har redan publicerats. Vad forskargruppen verkligen vill göra är att översätta denna teknik till neurovetenskap och i slutändan ett kliniskt verktyg för tillstånd som läkemedelsresistent epilepsi och schizofreni.