Los investigadores de Sandia National Laboratories quieren usar pequeños sensores magnéticos para obtener imágenes del cerebro de una manera más simple y menos costosa que el sistema de magnetoencefalografía que se usa ahora.

La magnetoencefalografía es una forma no invasiva de medir pequeños campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica del cerebro. Las medidas, capaz de captar la actividad tan rápido como un milisegundo, ayudan a identificar cómo funcionan las partes del cerebro y pueden localizar fuentes de epilepsia y otras anomalías.

El estado de la técnica es una serie de cientos de sensores magnéticos colocados alrededor de la cabeza para obtener imágenes del cerebro respondiendo a pequeños cambios en sus campos magnéticos, sensores llamados magnetómetros SQUID, para magnetómetros de dispositivos de interferencia cuántica superconductores. Tales sistemas requieren blindaje magnético para toda una habitación y usan helio líquido, un criógeno que opera a 4 grados por encima del cero absoluto. Esos costosos requisitos limitan la accesibilidad.

Sandia está desarrollando un magnetómetro de bombeo óptico, u OPM, conjunto de sensores que se ajusta a la cabeza y está alojado dentro de un escudo de tamaño humano que se asemeja a un tubo de resonancia magnética. Evita la necesidad de temperaturas criogénicas o una habitación blindada, por lo que sería más fácil y económico de usar.

Eso haría que la magnetoencefalografía sea más útil para la neurología en el diagnóstico y estudio de las afecciones cerebrales y para la ciencia cognitiva. incluida la investigación emergente sobre el trastorno de estrés postraumático y la lesión cerebral traumática, dijeron el investigador principal del proyecto, Peter Schwindt, y el ex gerente de Sandia, Rob Boye.

"¿Quién no está interesado en la ciencia del cerebro?" Dijo Schwindt. "Es algo fascinante".

El equipo de Sandia publicó un artículo en noviembre en Física en Medicina y Biología eso demuestra que el sistema de Sandia puede detectar señales del cerebro. El equipo publicó un artículo el año pasado en Óptica Express describiendo su sensor OPM.

Sistema de demostración desarrollado durante el proyecto de cuatro años

Durante un proyecto de cuatro años financiado por los Institutos Nacionales de Salud, Sandia construyó un prototipo de sistema de magnetoencefalografía con la matriz OPM colocada dentro de un escudo magnético del tamaño de una persona. El OPM es un sensor cuántico que incluye una pequeña celda de vidrio que contiene un gas de átomos de rubidio, un láser de bomba para establecer el estado de los átomos individuales en el gas y un láser de sonda para leer el estado cambiante de los átomos. El cambio de estado depende de la fuerza del campo magnético del cerebro detectado por la matriz.

El sistema de demostración incluía 20 canales de magnetómetro en cinco sensores que cubrían menos de una cuarta parte del cráneo de un adulto. El equipo quiere obtener más imágenes del cerebro en el futuro mediante el desarrollo de una matriz que cubra toda la cabeza, como los sistemas SQUID de hoy.

Sandia comparó sus hallazgos con los de un sistema comercial SQUID, utilizando pruebas de neurología que producen resultados bien entendidos. Una prueba suena un tono de un cuarto de segundo de duración en ambos oídos, produciendo un pico en la corteza auditiva. Otra prueba un estímulo nervioso, provoca una contracción del pulgar, resultando en una respuesta en la corteza somatosensorial. Ambas respuestas se observan fácilmente con el sistema de Sandia, y el equipo usa ambas respuestas para caracterizar y refinar su sistema.

"En esencia, puedes pensar en los átomos como pequeñas peonzas, "Dijo Boye." Cuando hay un campo magnético presente, hará que esas tapas roten. El láser de la sonda puede sentir esa rotación. En tu cerebro cuando se disparan un montón de neuronas, hay un poco de corriente eléctrica. La corriente da lugar a un campo magnético, por lo que es el flujo de cargas en sus neuronas lo que da lugar a los campos magnéticos detectados por el OPM ".

Los arreglos comerciales SQUID usan cascos fijos, con una distancia de la cabeza al sensor de al menos 2 centímetros (aproximadamente 0,78 pulgadas), y 10 cm (3,9 pulgadas) o más para niños, Dijo Schwindt. Debido a que la matriz de Sandia se ajusta a la cabeza, la distancia de la cabeza al sensor es más corta y constante. El equipo quiere reducir su distancia actual de 1,2 cm (0,47 pulgadas) a 0,5-0,7 cm (aproximadamente 0,2-0,27 pulgadas), Dado que la calidad de las señales del cerebro disminuye rápidamente con la distancia, Dijo Schwindt.

Hacer que la magnetoencefalografía esté más disponible

Dr. Bruce Fisch, profesor emérito del Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Nuevo México y ex director del programa de magnetoencefalografía clínica de la UNM, dijo que el trabajo de Sandia podría hacer que la magnetoencefalografía esté más disponible. Fisch, quien consultó sobre el proyecto, dijo al evaluar a los pacientes con epilepsia para una cirugía destinada a detener las convulsiones, Es importante localizar la fuente de las señales cerebrales con mayor precisión de lo que es posible con la resonancia magnética más familiar. UNM utiliza el sistema SQUID en Mind Research Network para realizar exploraciones clínicas de magnetoencefalografía, Dijo Fisch.

Schwindt dijo que es demasiado pronto para estimar cuánto costaría un sistema basado en OPM. Dependiendo de factores como dispositivos auxiliares, un completo sistema de magnetoencefalografía basado en SQUID puede costar entre $ 1.8 millones y $ 4 millones, incluyendo una habitación blindada magnéticamente, dijo Miikka Putaala, director de magnetoencefalografía de la línea de negocio de Elekta Neuroscience de Finlandia, que hace tales sistemas.

El siguiente paso es mostrar que el sistema no solo puede detectar señales del cerebro, sino también señalar dónde se originan las señales. Acciones como pensar o contraer un músculo crean campos magnéticos en el cerebro, pero son difíciles de aislar.

"El hecho de que pueda detectar un campo magnético no significa que sepa de dónde proviene, "Dijo Boye.

La matriz OPM se coloca sobre diferentes partes de la cabeza para enfocar la matriz en áreas específicas del cerebro. Los operadores combinan información para localizar la fuente del campo magnético para encontrar dónde está activo el cerebro.

El equipo de Sandia está utilizando las señales medidas para localizar fuentes en el cerebro. El equipo está trabajando para mejorar la calibración imperfecta de los sensores y el conocimiento de la matriz OPM en relación con la posición del cerebro para continuar mejorando la precisión de la localización de la actividad cerebral.

El ajuste de la matriz más cerca del cuero cabelludo puede mejorar la precisión de la localización y distinguir entre fuentes neuronales poco espaciadas. Una matriz de mejor ajuste también podría detectar actividad que no se puede detectar ahora.

"En particular, esto puede ser muy interesante para estudios pediátricos e infantiles sobre el desarrollo del cerebro, ", Dijo Schwindt." Cuanto más te acercas, más fidelidad espacial tendrá ".