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 2018 года в журнале Nature (doi: 10.1038/nature26147, pdf).
Комментарии (20)
Flash_CSM
22.03.2018 21:45Мне одному картинка напомнила героя марвелл?
FadeToBlack
23.03.2018 07:49-12Вам одному. Ничего общего. Ни маска, ни рога, ни цвет, вообще ничего общего. Вам следует проверить ваше психическое здоровье, возможно, вы черезмерно увлечены этими идиотскими фильмами.
FadeToBlack
23.03.2018 15:21-8Спасибо! Вы окончательно разрушили мою веру в человечество. Вся ваша суть — любовь к псевдогероям, которым требуется носить маскарадные костюмы, чтобы все понимали, кто они есть. Личность ничто, маска — все! Ваше понимание реальности исказилось настолько, что любой шлем или маска ассоциируется не с римскими легионерами, или другими воинами, которые существовали в действительности, а с вымышленными персонажами сомнительной сексуальной ориентации, которые без своей эпичности и данных «свыше» суперспособностей не представляют из себя ничего.
Alek_roebuck
23.03.2018 02:03Идея уменьшить эти сканеры с переходом от громоздких сквидов на жидком гелии к миниатюрным сквидам на ВТСП (YBCO) возникла в 1980-х годах, сразу как только удалось эту ВТСП получить. Были проекты, в России в том числе, но что-то там не складывалось. Да, шлем получался меньше, но реально работающий сканер сделать пока так и не смогли.
KivApple
23.03.2018 02:46Касательно «нейроинтерфейсы всё ближе». Уже вполне существуют девайсы, использующие ЭЭГ (даже на хабре/гиктаймсе есть обзоры) для взаимодействия с компьютером (пусть это до сих пор всё равно скорее игрушки, чем реальная замена другим интерфейсам ввода). Интересно было бы сравнение ЭЭГ и ЭМГ, ведь первый уже научились делать относительно достаточно компактным.
rPman
24.03.2018 00:52У меня появилось ощущение что это либо тупиковая ветвь технологии либо кем то сознательно тормозится, так как ни стоимость ни разнообразие оборудования не появляется, а лучшие его экземпляры были созданы несколько лет назад (emotiv, только про них я читал что там можно обучить сканер на примере, т.е. мы хотим чтобы предмет поехал вверх, сначала жмем кнопку, потом кнопку не жмем а софт угадывает) и при стоимости в 700$-1000$ назвать общедоступным язык не поворачивается.
BaLaMuTt
23.03.2018 07:39Интересно было бы сравнение ЭЭГ и ЭМГ
это одно и то же по сути) В статье говориться о МЭГ который принципиально отличается от ЭЭГ и ЭМГ тем что записывается не изменения разности потенциалов, а изменения магнитного поля.
Goron_Dekar
23.03.2018 10:31+1dfiles.ru? Серьёзно?
А можно перезалить pdf хотябы на dropbox/yandex/etc?
antihydrogen
23.03.2018 10:40+6Про принцип действия датчиков не рассказали, а это интересно, поскольку они принципиально отличаются от сверпроводниковых
quspin.com/products-qzfm/zero-field-magnetometer-description
Свет от точно настроенного полупроводникового лазера проходит через стеклянную ячейку, заполненную парами рубидия и регистрируется фотоприемником. Когда фоновое магнитное поле равно нулю, атомы рубидия почти не поглощают свет. Магнитное поле в направлении, перпендикулярном световому пути, заставляет атомы поглощать больше света. Фотоприемник создает электрический ток, пропорциональный свету, прошедшему через паровую камеру, и чувствует это изменение прозрачности.
Если вы посмотрите на выход фотоприемника в зависимости от прилагаемого магнитного поля, вы увидите, что выход имеет форму линии Лоренца. Этот лоренцевый выход называется резонансом нулевого поля (ZF) и является откликом магнитометра. Его типичная ширина (полная ширина в половине максимума — FWHM) составляет около 30 нТл в нашем QZFM.
Значение поля задается отклонением от пика лоренциана. Простым способом измерения этого отклонения является определение производной лоренциана. Мы применяем небольшое колебательное магнитное поле около 1 кГц (называемое полем модуляции) с использованием внутренней катушки. С помощью фазочувствительного блокирующего усилителя, работающего на частоте модуляции, мы демодулируем выходной сигнал фотодетектора, чтобы получить антисимметричную форму линии, называемую дисперсионной кривой. Дисперсионная кривая имеет максимальный наклон в нулевом поле и функционирует как выход магнитометра.
SADKO
23.03.2018 16:11Вот более годная с точки зрения практической оценки статья, с интересными картиночками...
В принципе, то что это не разу не старый-добрый МЭГ на сквидах, понятно и без всякой статьи.
Но в ней есть интересные детали, например про нелинейное распределение шумов и чувствительности…
ИМХО было бы занятно прямое сравнение с ЭЭГ, что-бы понять практические перспективы девайса. Ибо стократная разница в цене, как бы. И тут ещё нужно понимать что сквидовая МЭГ это не только ширина спектра, но и пространственное разрешение…
AntonSor
23.03.2018 19:32Интересно, а если применить этот датчик в металлоискателе вместо протонного магнетометра — лучше будет искать клады в земле или нет? :)
basilbasilbasil
А если измерять не абсолютное магнитное поле, а дельту, то можно положитьна магнитное поле земли, и набор катушек для компенсации станет не нужен. Наверное.
Всё ближе нейроинтерфейсы...
Popadanec
Скорей бы уже.
shedir
Если я правильно понял, у применяемых датчиков есть требование к отсутствию внешнего поля, вытекающее из используемых для измерений принципов.
50 нТл они могут компенсировать катушками установленными на самом датчике, все что больше должно убираться внешними системами. Земное поле на три порядка сильнее — от 25 до 65 мкТл.
basilbasilbasil
а если взять такой — https://www.chipdip.ru/product/ss94a1f
наклеить на голову,
после него HP-фильтр (поле земли же практически постоянное?, если головой не мотать) и предусилитель, потом АЦП, стоить будет в 100 раз меньше, чем прототип.
Ocelot
А мужики-то не знают! У датчиков Холла чувствительность порядка 100 мкТл, а для МЭГ нужно всего лишь в миллиард раз лучше.