Британские исследователи создали носимый магнитоэнцефалограф — прибор для визуализации работы нейронов путем измерения магнитных полей, возникающих вследствие электрической активности головного мозга. Устройство работает на оптических магнитометрах и позволяет точно визуализировать мозговую активность даже при движениях головой. Разработка описана в статье, опубликованной в Nature.

В XX веке появилось множество устройств, позволяющих визуализировать активность головного мозга. Использованные в их основе методы, во-первых, отличаются принципом действия: например, ЭЭГ считывает электрическую активность нейронов, а функциональная МРТ работает благодаря реакции насыщенной кислородом крови на магнитное поле сканера. Во-вторых, эти методы отличаются пространственным и временным разрешением: например, у того же ЭЭГ высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных популяций нейронов) и низкое — пространственное (количество электродов ограничено, поэтому определить область активации с точностью до миллиметра, как это можно сделать при использовании фМРТ, нельзя).

Разные методы нейровизуализации подходят под разные исследовательские задачи, но объединяет их одно — протокол использования. Все существующие на данный момент устройства для изучения мозговой активности требуют минимальной подвижности участников эксперимента. Например, при фМРТ-эксперименте необходимо продолжительное (из-за низкого временного разрешения) нахождение в сканере, а при магнитоэнцефалографии двигать головой, находящейся в специальном «шлеме», практически невозможно. Усидчивости требует и ЭЭГ: используемые электроды очень чувствительны и процесс обработки полученных сигналов не обходится без «чистки» артефактов движения.

Wellcome Trust / YouTube

Конечно, перечисленные ограничения не останавливают ученых; они, однако, сильно ограничивают их возможности. Например, необходимость продолжительное время находиться без движения не позволяет (или позволяет, но ограниченно) использовать в качестве участников исследований маленьких детей и животных. Кроме того, осложняется и изучение активности мозга при ежедневной деятельности.

Один из способов нейровизуализации, не ограничивающий движения, — это имплантируемые в мозг электроды, которые часто используют для мониторинга активности мозга пациентов с эпилепсией, а также в исследованиях с участием лабораторных животных. Ограничение этого метода очевидно: он полностью инвазивен. Именно поэтому сейчас одна из основных задач инженеров, занимающихся разработкой подобных устройств, — создание неинвазивного и точного метода нейровизуализации, минимально чувствительного к артефактом движения.

В качестве прототипа для создания носимого устройства группа ученых из Ноттингемского университета под руководством Мэттью Брукерса (Matthew Brookers) выбрала магнитоэнцефалограф (МЭГ). Технология, лежащая в основе такого устройства, позволяет визуализировать активность мозга путем измерения магнитного поля, возникающего вследствие электрической активности нейронов. Обычно для этого используются сверхпроводящие квантовые интерферометры (или СКВИДы) — сверхчувствительные магнитометры, измеряющие очень слабые магнитные поля. Такой метод обладает высоким временным (до миллисекунды) и пространственным (до пяти миллиметров) разрешением. СКВИДы, однако, могут работать только при температуре, близкой к абсолютному нулю, для чего в магнитоэнцефалографе используется жидкий гелий или азот. Кроме того, МЭГ должны стоять в специальных комнатах, изолированных от магнитного поля Земли.

Вместо СКВИДов для создания носимого МЭГ ученые использовали магнитометры на щелочных металлах с оптической накачкой (optically pumped magnetometer — OPM). Такие магнитометры состоят из герметичной ячейки с парами щелочного металла (например, рубидия) и высокоточного фотометра. Колебания магнитного поля меняют оптические свойства пара, что фиксирует фотометр. Они не уступают в чувствительности СКВИДам, но при этом не требуют дорогих и сложных систем охлаждения. Отсутствие охлаждения позволяет магнитометрическому устройству прилегать к голове, что снижает артефакты движения. Все устройство состояло из 13 сенсоров, с помощью которых ученым удалось визуализировать активность соматосенсорной коры головного мозга при движениях указательным с точностью, не уступающей стандартному магнитоэнцефалографу, даже в том случае, когда участница исследования двигала головой, пила кофе и играла в пинг-понг.

Визуализация мозговой активности при использовании носимого МЭГ в (a) статичном положении и (b) при движении в сравнении с данными, © полученными со стандартных СКВИДов. Brookes et al. / Nature 2018

По мнению создателей устройства, создание носимого магнитоэнцефалографа поможет не только расширить поле исследований нейронной активности здоровых людей, но и также будет полезно для изучения работы мозга пациентов, страдающих от различных неврологических и нейродегенеративных заболеваний, таких как эпилепсия или болезнь Альцгеймера.

Носимый магнитоэнцефалограф — не первая попытка создания компактного переносного прибора для нейровизуализации. В 2016 году инженеры из Калифорнийского института в Сан-Диего представили беспроводной 64-канальный энцефалограф: все устройство помещается в одном шлеме, а для электродов не требуется смазка проводящим гелем.

Автор: Елизавета Ивтушок