I ricercatori dei Sandia National Laboratories vogliono utilizzare piccoli sensori magnetici per visualizzare il cervello in un modo più semplice e meno costoso rispetto al sistema di magnetoencefalografia ora utilizzato.

La magnetoencefalografia è un metodo non invasivo per misurare minuscoli campi magnetici prodotti dall'attività elettrica del cervello. Le misure, in grado di rilevare l'attività alla velocità di un millisecondo, aiutano a identificare come funzionano le parti del cervello e possono individuare le fonti di epilessia e altre anomalie.

Lo stato dell'arte è una serie di centinaia di sensori magnetici posizionati intorno alla testa per visualizzare il cervello rispondendo a piccoli cambiamenti nei suoi campi magnetici:sensori chiamati magnetometri SQUID, per magnetometri di dispositivi a interferenza quantistica superconduttori. Tali sistemi richiedono una schermatura magnetica per un'intera stanza e utilizzano elio liquido, un criogeno che opera a 4 gradi sopra lo zero assoluto. Questi requisiti costosi limitano l'accessibilità.

Sandia sta sviluppando un magnetometro a pompaggio ottico, o OPM, array di sensori che si adatta alla testa ed è alloggiato all'interno di uno scudo di dimensioni umane simile a un tubo per risonanza magnetica. Evita la necessità di temperature criogeniche o di una stanza schermata, quindi sarebbe più facile ed economico da usare.

Ciò renderebbe la magnetoencefalografia più utile per la neurologia nella diagnosi e nello studio delle condizioni cerebrali e per la scienza cognitiva, compresa la ricerca emergente sul disturbo da stress post-traumatico e sul trauma cranico, ha detto l'investigatore principale del progetto Peter Schwindt e l'ex manager di Sandia Rob Boye.

"Chi non è interessato alla scienza del cervello?" ha detto Schwindt. "È roba affascinante."

Il team di Sandia ha pubblicato un documento a novembre in Fisica in Medicina e Biologia che dimostra che il sistema di Sandia può rilevare i segnali dal cervello. Il team ha pubblicato un documento l'anno scorso in Ottica Express descrivendo il loro sensore OPM.

Sistema dimostrativo sviluppato durante il progetto quadriennale

Durante un progetto quadriennale finanziato dal National Institutes of Health, Sandia ha costruito un prototipo di sistema di magnetoencefalografia con l'array OPM posizionato all'interno di uno scudo magnetico a misura di persona. L'OPM è un sensore quantistico che include una piccola cella di vetro contenente un gas di atomi di rubidio, un laser a pompa per impostare lo stato dei singoli atomi nel gas e un laser a sonda per leggere lo stato mutevole degli atomi. Il cambiamento di stato dipende dalla forza del campo magnetico del cervello rilevato dall'array.

Il sistema dimostrativo prevedeva 20 canali magnetometrici in cinque sensori che coprivano meno di un quarto del cranio di un adulto. Il team vuole visualizzare più immagini del cervello in futuro sviluppando un array che copre l'intera testa, come i sistemi SQUID di oggi.

Sandia ha confrontato i suoi risultati con quelli di un sistema SQUID commerciale, utilizzando test neurologici che producono risultati ben compresi. Un test suona un tono lungo un quarto di secondo in entrambe le orecchie, producendo un picco nella corteccia uditiva. Un'altra prova, uno stimolo nervoso, provoca una contrazione del pollice, determinando una risposta nella corteccia somatosensoriale. Entrambe le risposte sono facilmente osservabili con il sistema di Sandia, e il team utilizza entrambe le risposte per caratterizzare e perfezionare il proprio sistema.

"In sostanza, puoi pensare agli atomi come piccole trottole, " Boye ha detto. "Quando c'è un campo magnetico presente, farà ruotare quelle cime. Il laser della sonda può rilevare quella rotazione. Nel tuo cervello, quando un gruppo di neuroni si attiva, c'è un po' di corrente elettrica. La corrente genera un campo magnetico, quindi è il flusso di cariche nei tuoi neuroni che dà origine ai campi magnetici rilevati dall'OPM".

Gli array SQUID commerciali utilizzano caschi fissi, con una distanza dalla testa al sensore di almeno 2 centimetri (circa 0,78 pollici), e 10 cm (3,9 pollici) o più per i bambini, ha detto Schwindt. Perché l'array di Sandia è conforme alla testa, la distanza dalla testa al sensore è più breve e costante. Il team vuole ridurre la sua distanza attuale di 1,2 cm (0,47 pollici) a 0,5-0,7 cm (circa 0,2-0,27 pollici), poiché la qualità dei segnali dal cervello diminuisce rapidamente con la distanza, ha detto Schwindt.

Rendere più disponibile la magnetoencefalografia

Dottor Bruce Fisch, professore emerito presso l'Università del New Mexico Health Sciences Center e ex direttore del programma di magnetoencefalografia clinica dell'UNM, ha detto che il lavoro di Sandia potrebbe rendere la magnetoencefalografia più ampiamente disponibile. pesce, che ha consultato il progetto, detto nella valutazione dei pazienti con epilessia per un intervento chirurgico volto a fermare le convulsioni, è importante individuare la fonte dei segnali cerebrali in modo più preciso possibile con la risonanza magnetica più familiare. UNM utilizza il sistema SQUID presso il Mind Research Network per eseguire scansioni cliniche di magnetoencefalografia, ha detto Fisch.

Schwindt ha affermato che è troppo presto per stimare quanto costerebbe un sistema basato su OPM. A seconda di fattori quali dispositivi ausiliari, un sistema completo di magnetoencefalografia basato su SQUID può costare da $ 1,8 milioni a $ 4 milioni, compresa una stanza schermata magneticamente, disse Miikka Putaala, direttore della linea di business magnetoencefalografia per Elekta Neuroscience of Finland, che realizza tali sistemi.

Il prossimo passo è mostrare che il sistema può non solo rilevare i segnali dal cervello, ma anche individuare dove hanno origine i segnali. Azioni come pensare o contrarre un muscolo creano campi magnetici nel cervello, ma sono difficili da isolare.

"Solo perché puoi rilevare un campo magnetico non significa che tu sappia da dove viene, " ha detto Boye.

L'array OPM è posizionato su diverse parti della testa per focalizzare l'array su aree specifiche del cervello. Gli operatori combinano le informazioni per localizzare la fonte del campo magnetico per trovare dove è attivo il cervello.

Il team di Sandia sta usando i segnali misurati per localizzare le fonti nel cervello. Il team sta lavorando per migliorare la calibrazione imperfetta dei sensori e la conoscenza della matrice OPM relativa alla posizione del cervello per continuare a migliorare l'accuratezza della localizzazione dell'attività cerebrale.

L'adattamento dell'array più vicino al cuoio capelluto può migliorare l'accuratezza della localizzazione e distinguere tra fonti neuronali ravvicinate. Un array più adatto potrebbe anche rilevare attività che non possono essere rilevate ora.

"In particolare, questo può essere molto interessante per gli studi pediatrici e infantili sullo sviluppo del cervello, Schwindt ha detto. "Più ti avvicini, più fedeltà spaziale avrai."