Магнитометры улучшили качество и скорость нейровизуализации

Aikaterini Gialopsou et al. / Nature, 2021

Ученые показали, как можно усовершенствовать существующие методы нейровизуализации с помощью атомного магнитометра с оптической накачкой. Благодаря высокой чувствительности и использованию оптических лучей, такое устройство позволяет с лучшим разрешением детектировать сигналы мозга и оказывается более удобным в применении. Работа опубликована в журнале Scientific reports.

На сегодняшний день различные методы визуализации работы мозга оказываются востребованы в двух важных направлениях — изучение и моделирование процессов, происходящих в мозге, и предсказание развития и реакции при лечении нейродегенеративных заболеваний. К сожалению, большинство устройств не позволяет одновременно получать качественное изображение и корректно регистрировать подряд идущие сигналы с высокой частотой. Например, функциональная магнитно-резонансная томография позволяет разглядеть подробно мелкие детали (до миллиметра), но имеет низкое временное разрешение; электроэнцефалография, наоборот, используется для наблюдения за процессами в реальном времени, но дает не очень точную картинку в пространстве. Получать изображения выского качества и временного разрешения позволяет метод магнитоэнцефалографии (МЭГ), который тоже обладает рядом существенных недостатоков: имеет низкое соотношение сигнал-шум и требует специально оборудованных комнат и громоздкого оборудования.

В основе последнего метода лежит работа высокоточных сверхпроводниковых квантовых интерферометров (СКВИД-датчики), именно из-за которых технология не может обойтись без криогенных камер. Причем расположение детектирующих элементов внутри камеры нельзя менять, оно фиксировано и одинаково для каждого пациента. Из-за того, что сенсор приходится располагать далеко от источника сигналов — мозга — получаемый сигнал оказывается зашумлен и сильно подвержен влиянию окружающей среды.

Несмотря на то, что магнитоэнцефалография применяется для исследования нейродегенеративных заболеваний, более компактное устройство с высоким соотношением сигнал-шум значительно расширило бы ее возможности. Группа ученых под руководством Питера Крюгера (Peter Krüger) из Университета Сассекса показала, что таким устройством может стать МЭГ на основе магнитометров с оптической накачкой. Они сравнили удобство использования и ключевые параметры обоих методов. Для этого авторам пришлось подробно изучить влияние этих параметров на работу устройства и друг на друга.

От конструкции устройства зависит не только его удобство и компактность, но и разрешение детектируемого сигнала — чем ближе чувствительный сенсор расположен к голове пациента, тем сильнее сигнал, который доходит до детектора. Сигнал проходит меньшее расстояние от источника до детектора, поэтому меньше искажается внешней средой, а, значит, соотношение сигнала к шуму увеличивается. В случае магнитометра регистрируемый сигнал — слабое магнитное поле, а сама чувствительная часть представляет собой стеклянную колбу с атомами рубидия. Испытавший влияние магнитного поля нейронов лазерный пучок проходит через атомный газ и попадает на светочувствительный детектор. В зависимости от величины и направления магнитного поля изменится поглощение лазерного пучка атомами, что можно будет увидеть на детекторе. Атомные магнитометры имеют высокую чувствительность, но страдают из-за спин-обменного взаимодействия: после попадания лазерного пучка на облако из атомов, они начинают хаотично двигаться, сталкиваться и обмениваться спинами. В результате сигнал на детекторах получается не точным, а чувствительность метода снижается. В работе авторы использовали магнитометры, в которых этот эффект подавлен. Для этого чувствительные атомы помещают в облако другого, буферного газа. За счет высокой плотности столкнувшиеся однажды атомы сразу же столкнутся второй раз и снова обменяются спинами — в итоге каждый останется при своем изначальном. Высокая вероятность двойных столкновений помогает нивелировать негативный эффект от спин-обменного взаимодействия и добиться высокой чувствительности.

Кроме того, МЭГ на основе магнитометра позволяет измерять не только радиальную составляющую магнитного поля, как в случае магнитоэнцефалографии. Измерение только одной проекции магнитного поля даст одинаковые результаты для разных процессов — вращения магнитного поля и уменьшения его амплитуды. В обоих случаях уменьшится проекция, но во втором случае увеличится проекция на другую ось. Авторский метод позволяет следить за двумя проекциями магнитного поля и точнее характеризовать его изменения.

Теоретическое превосходство метода магнитометрии с оптической накачкой над классической магнитоэнцефалографией ученые проверяли экспериментально. Они регистрировали реакцию мозга трех здоровых пациентов двумя разными методами и сравнивали их по разным параметрам в одном и том же зрительном эксперименте. Испытуемые смотрели на экран, который мог отображать наборы картинок двух типов: случайное чередование светлого и темного кадров и последовательное чередование паттерна «шахматная доска» (чередование светлых и темных участков на одном кадре). Оба метода оказались стабильными при многократном повторении обоих экспериментов и отличались только для разных пациентов, что связано с их физиологическими особенностями. Параметр сигнал-шум для МЭГ с магнитометром оказался вдвое лучше МЭГ на базе СКВИД. Кроме того, ученым удалось зарегистрировать последовательные сигналы от двух соседних зрительных зон, что соответствует пространственному разрешению порядка десяти миллисекунд.

Поскольку выборка для экспериментального исследования была ограничена, авторы планируют нацелить будущие исследования на демонстрацию воспроизводимости полученных результатов.

Физики уже предпринимали попытки создания шлема на основе магнитометров, но смогли решить это задачу только частично. Кроме того, на основе магнитометров ученым уже удалось разработать прототип чувствительной VR-перчатки и создать компактный датчик прикосновений для роботизированных манипуляторов.

Оксана Борзенкова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.