Sandia National Laboratories forskare vill använda små magnetiska sensorer för att avbilda hjärnan på ett sätt som är enklare och billigare än det magnetoencefalografiska system som nu används.

Magnetoencefalografi är ett icke -invasivt sätt att mäta små magnetfält som produceras av hjärnans elektriska aktivitet. Mätningarna, kan fånga aktivitet så snabbt som en millisekund, hjälpa till att identifiera hur delar av hjärnan fungerar och kan hitta källor till epilepsi och andra avvikelser.

Teknikens ståndpunkt är en rad hundratals magnetiska sensorer placerade runt huvudet för att avbilda hjärnan genom att reagera på små förändringar i dess magnetfält - sensorer som kallas SQUID -magnetometrar, för superledande magnetometrar för kvantstörningar. Sådana system kräver magnetisk skärmning för ett helt rum och använder flytande helium, en kryogen som arbetar vid 4 grader över absolut noll. Dessa dyra krav begränsar tillgängligheten.

Sandia utvecklar en optiskt pumpad magnetometer, eller OPM, sensoruppsättning som passar mot huvudet och är inrymd inuti en människostorlek som liknar ett MR-rör. Det undviker behovet av kryogena temperaturer eller ett skyddat rum, så det skulle vara enklare och billigare att använda.

Det skulle göra magnetoencefalografi mer användbar för neurologi vid diagnos och studier av hjärnförhållanden och för kognitiv vetenskap, inklusive ny forskning om posttraumatisk stressstörning och traumatisk hjärnskada, sa projektets huvudutredare Peter Schwindt och tidigare Sandia -chefen Rob Boye.

"Vem är inte intresserad av hjärnvetenskap?" Sa Schwindt. "Det är fascinerande grejer."

Sandia -teamet publicerade ett papper i november Fysik i medicin och biologi som visar Sandias system kan upptäcka signaler från hjärnan. Teamet publicerade en uppsats förra året i Optik Express som beskriver deras OPM -sensor.

Demonstrationssystem utvecklat under fyraårigt projekt

Under ett fyraårigt projekt finansierat av National Institutes of Health, Sandia byggde ett prototypmagnetoencefalografisystem med OPM-arrayen placerad inuti en magnetstorlek i personstorlek. OPM är en kvantsensor som innehåller en liten glascell som innehåller en gas av rubidiumatomer, en pumplaser för att ställa in tillståndet för enskilda atomer i gasen och en sondlaser för att läsa av atomernas förändrade tillstånd. Förändring av tillstånd beror på styrkan hos hjärnans magnetfält som matas av.

Demonstrationssystemet innehöll 20 magnetometerkanaler i fem sensorer som täcker mindre än en fjärdedel av en vuxens skalle. Teamet vill föreställa sig mer av hjärnan i framtiden genom att utveckla en uppsättning som täcker hela huvudet, som dagens SQUID -system.

Sandia jämförde sina resultat med resultaten från ett kommersiellt SQUID -system, med hjälp av neurologitester som ger väl förstådda resultat. Ett test låter en kvartsekund lång ton i båda öronen, producerar en spik i hörselbarken. Ännu ett test, nervstimulans, orsakar tummen ryck, vilket resulterar i ett svar i den somatosensoriska cortexen. Båda svaren observeras lätt med Sandias system, och teamet använder båda svaren för att karakterisera och förfina sitt system.

"I huvudsak, du kan tänka dig atomerna som små snurror, "Boye sa." När det finns ett magnetfält närvarande, det får de där topparna att rotera. Sondlasern kan känna den rotationen. I din hjärna, när ett gäng neuroner eldar, det är lite elektrisk ström. Ström ger upphov till ett magnetfält, så det är laddningsflödet i dina nervceller som ger upphov till magnetfält som känns av OPM. "

Kommersiella SQUID -matriser använder fasta hjälmar, med ett avstånd från huvud till sensor på minst 2 centimeter (cirka 0,78 tum), och 10 cm (3,9 tum) eller mer för barn, Sa Schwindt. Eftersom Sandias matris överensstämmer med huvudet, avståndet mellan huvud och sensor är kortare och konstant. Teamet vill minska sitt nuvarande avstånd på 1,2 cm (0,47 tum) till 0,5-0,7 cm (cirka 0,2-0,27 tum), eftersom kvaliteten på signalerna från hjärnan sjunker snabbt med avstånd, Sa Schwindt.

Gör magnetoencefalografi mer tillgänglig

Dr Bruce Fisch, professor emeritus vid University of New Mexico Health Sciences Center och tidigare chef för UNM:s kliniska magnetoencefalografiprogram, sa Sandias arbete kan göra magnetoencefalografi mer allmänt tillgänglig. Fisch, som rådfrågade om projektet, sade vid utvärdering av epilepsipatienter för kirurgi som syftar till att stoppa anfall, Det är viktigt att lokalisera källan till hjärnsignaler mer exakt än möjligt med den mer välkända MRT. UNM använder SQUID -systemet vid Mind Research Network för att utföra kliniska magnetoencefalografiska skanningar, Sa Fisch.

Schwindt sa att det är för tidigt att uppskatta hur mycket ett OPM-baserat system skulle kosta. Beroende på faktorer som hjälpmedel, ett omfattande SQUID-baserat magnetoencefalografisystem kan kosta från 1,8 miljoner dollar till 4 miljoner dollar, inklusive ett magnetiskt skyddat rum, sa Miikka Putaala, chef för affärsområdet magnetoencefalografi för Elekta Neuroscience of Finland, som gör sådana system.

Nästa steg är att visa att systemet inte bara kan upptäcka signaler från hjärnan, men också bestämma varifrån signalerna kommer. Åtgärder som att tänka eller dra ihop en muskel skapar magnetiska fält i hjärnan, men de är svåra att isolera.

"Bara för att du kan upptäcka ett magnetfält betyder inte att du vet var det kommer ifrån, Sa Boye.

OPM -arrayen placeras över olika delar av huvudet för att fokusera arrayen på specifika områden i hjärnan. Operatörer kombinerar information för att lokalisera källan till magnetfältet för att hitta var hjärnan är aktiv.

Sandias team använder de uppmätta signalerna för att lokalisera källor i hjärnan. Teamet arbetar för att förbättra den ofullkomliga kalibreringen av sensorer och kunskap om OPM -arrayen i förhållande till hjärnans position för att fortsätta att förbättra noggrannheten i lokalisering av hjärnaktivitet.

Att anpassa matrisen närmare hårbotten kan förbättra lokaliseringsnoggrannheten och skilja mellan tätt åtskilda neuronala källor. En bättre passande uppsättning kan också upptäcka aktivitet som inte kan avkännas nu.

"Särskilt, detta kan vara mycket intressant för pediatriska och spädbarnsstudier av hjärnans utveckling, "Sade Schwindt." Ju närmare du kommer, desto mer rumslig trohet får du. "