Нервные клетки активно генерируют и проводят слабые электрические импульсы, и это напрямую связано с процессом обработки мозгом полученной информации. Из-за этой работы образуется электромагнитное поле, у которого, конечно же, есть важная составляющая – магнитное поле. Вклад каждого отдельного нейрона мал, но находясь на конкретном участке в большом количестве (например, 50000 – 100000 нейронов), они способны создавать такое поле, которое уже могут зафиксировать высокочувствительные магнитометры. Активность этого поля отличается в клетках здорового мозга и при отклонениях, например, во время приступа эпилепсии или постинсультном состоянии, поэтому её необходимо изучать. И вот этим занимается магнитоэнцефалография.
Рисунок 1. МЭГ можно делать даже детям
Действие самого метода можно себе представить как огромный стетоскоп (в виде магнитометров и градиометров), который способен улавливать магнитные «ритмы» мозга.
“Намагниченный” холод
Считается, что первым зарегистрировал магнитные поля у живого организма Дэвид Коэн. Правда, первым органом стал не мозг, а сердце, что понятно – магнитные поля, создаваемые клетками сердцечной мускулатуры, «сильнее», чем поля нервных клеток (Рис. 2).
Рисунок 2. Место биомагнитных сигналов организма человека в шкале магнитных полей. Также показаны характерные уровни помех и частотные диапазоны сигналов. (Из [1]).
Почти в то же время Брайан Джозефсон обнаружил, что если расположить среди двух сверхпроводников диэлектрик, то при его нахождении рядом с электромагнитным полем между ними возникает ток. На основе этого открытия сконструированы сверхпроводящие сверхчувствительные квантовые интерферометры СКВИДы (от английского SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), способные измерять даже очень слабые магнитные поля. И на настоящий момент СКВИДы используются в медицине и в науке для регистрации магнитного поля мозга.
Чтобы обеспечить качественную детекцию такими интерферометрами, необходима сверхпроводимость сенсоров, для чего прибор охлаждают жидким гелием с температурой ~ 269о С. Если говорить упрощённо, СКВИД – это индукционная катушка, помещённая в сосуд с жидким гелием и способная детектировать магнитное поле, расположенное в нескольких сантиметрах от неё. Самый первый магнитометр был одноканальным, а сейчас число каналов перевалило за 300.
Чуть позже в качестве альтернативы затратному и достаточно сложному в использовании СКВИДу предложили магнитометры с оптической накачкой (МОН), где вместо жидкого гелия, который постоянно требовалось восполнять, использовались пары цезия.
Первый в мире портативный сканер МЭГ
Слева:
обычная 275-канальная криогенная система МЭГ. Она весит около 450 кг, зафиксирована в одном положении и громоздкая, а человек должен длительное время находиться в неподвижном состоянии относительно блока датчика.
Справа:
прототип шлема OPM-MEG. Он весит 905 г и настроен так, что датчики непосредственно примыкают к поверхности головы (в этом прототипе они охватывают только правую сенсомоторную кору). Человек может свободно двигать головой
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 2021 года в журнале Nature
(doi: 10.1038/nature26147, pdf).
Голова-магнит
Метод МЭГ – неинвазивный и бесконтактный. Прибор представляет собой «шлем», в который «надевается» сверху на голову пациента. По сути, это – сканер, который имеет множество экранированных датчиков или сенсоров, считывающих магнитные поля мозга. В МЭГ используются в качестве сенсоров магнитометры и/или градиометры. Магнитометры улавливают сигнал и более чувствительны к полям более глубоких участков мозга, но при этом они и хорошо “ловят” посторонний шум. Градиометры лучше фильтруют этот шум, но, как легко догадаться, чуть менее чувствительны и к магнитному полю мозга [2].
Рисунок 3. Процедура МЭГ в NIMH
Интересно, что мозговые поля не превышают нескольких сотен фемто-тесла 10-15 Т. Для сравнения магнитное поле Земли где-то между 10-4 – 10-5 Т, то есть поле Земли больше в 100 млн раз [2].
Для того, чтобы снизить шум от других магнитных полей, МЭГ проводят в специальной комнате, которая экранирована и защищает слабые магнитные поля мозга от воздействия таких же полей извне.
Метод МЭГ используется и в научных исследованиях активности мозга, и в медицине для контроля за состоянием пациентов. В мозге всегда присутствует фоновая активность, но бывает и активность, вызыванная внешним воздействием. Учёным интересно исследовать, на какие стимулы и как она изменяется. Также любопытно понять, как развивается и учится детский мозг, какие процессы происходят при взрослении человека и при его старении.
Использовать в поле [ править ]
В исследованиях основное использование MEG — измерение динамики активности. МЭГ может разрешать события с точностью до 10 миллисекунд или быстрее, в то время как функциональная МРТ (фМРТ), которая зависит от изменений кровотока, может в лучшем случае разрешать события с точностью до нескольких сотен миллисекунд. МЭГ также точно определяет источники в первичной слуховой, соматосенсорной и моторной областях. Для создания функциональных карт коры головного мозга человека во время более сложных когнитивных задач МЭГ чаще всего сочетается с фМРТ, поскольку эти методы дополняют друг друга. Нейрональная (МЭГ) и гемодинамическая(fMRI) данные не обязательно совпадают, несмотря на тесную взаимосвязь между потенциалами локального поля (LFP) и сигналами, зависящими от уровня оксигенации крови (BOLD). Сигналы MEG и BOLD могут происходить из одного и того же источника (хотя сигналы BOLD фильтруются через гемодинамический ответ).
МЭГ также используется для лучшей локализации ответов в головном мозге. Открытость установки МЭГ позволяет легко вводить внешние слуховые и зрительные стимулы. Некоторое движение объекта также возможно, если оно не сотрясает голову объекта. Ответы в головном мозге до, во время и после введения таких стимулов / движения могут быть затем отображены с более высоким пространственным разрешением, чем это было ранее возможно с помощью ЭЭГ. [18]Психологи также используют нейровизуализацию МЭГ, чтобы лучше понять взаимосвязь между функцией мозга и поведением. Например, был проведен ряд исследований, в которых сравнивались МЭГ-ответы пациентов с психологическими проблемами на контрольных пациентов. Были достигнуты большие успехи в выявлении уникальных реакций у пациентов с шизофренией, таких как нарушение слухового прохода на человеческие голоса. [19] MEG также используется для корреляции стандартных психологических реакций, таких как эмоциональная зависимость от понимания языка. [20]
Недавние исследования сообщили об успешной классификации пациентов с рассеянным склерозом , болезнью Альцгеймера , шизофренией , синдромом Шегрена , хроническим алкоголизмом , лицевыми болями и таламокортикальными аритмиями . МЭГ можно использовать, чтобы отличить этих пациентов от здоровых контрольных субъектов, что предполагает будущую роль МЭГ в диагностике. [21] [22]
Фокальная эпилепсия [ править ]
Клиническое применение МЭГ заключается в обнаружении и локализации патологической активности у пациентов с эпилепсией , а также в локализации красноречивой коры головного мозга для хирургического планирования у пациентов с опухолями головного мозга или трудноизлечимой эпилепсией. Целью хирургического вмешательства при эпилепсии является удаление эпилептогенной ткани при сохранении здоровых участков мозга. [23] Знание точного положения основных областей мозга (таких как первичная моторная кора и первичная сенсорная кора , зрительная кора , а также области, участвующие в производстве и понимании речи) помогает избежать хирургического вмешательства в неврологический дефицит. Прямая корковая стимуляция и соматосенсорные вызванные потенциалы, регистрируемые на ЭКоГсчитаются золотым стандартом для локализации важных областей мозга. Эти процедуры могут быть выполнены либо во время операции, либо с постоянно установленных субдуральных сеточных электродов. Оба агрессивны.
Неинвазивная локализация МЭГ центральной борозды, полученная с помощью соматосенсорных вызванных магнитных полей, демонстрирует сильное согласие с этими инвазивными записями. [24] [25] [26] МЭГ-исследования помогают уточнить функциональную организацию первичной соматосенсорной коры и определить пространственную протяженность соматосенсорной коры руки путем стимуляции отдельных пальцев. Это согласие между инвазивной локализацией корковой ткани и записями МЭГ показывает эффективность анализа МЭГ и указывает на то, что МЭГ может заменить инвазивные процедуры в будущем.
Фетальный [ править ]
МЭГ использовалась для изучения когнитивных процессов, таких как зрение , слух и обработка речи у плодов и новорожденных. [27]
