Команда исследователей из Российского квантового центра, Сколковского института науки и технологий и Высшей школы экономики представила сверхчувствительный твердотельный магнитометр. Исследователи впервые экспериментально применили его в магнитоэнцефалографии — технологии измерения электрической активности головного мозга.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Основное преимущество магнитоэнцефалографии (МЭГ) в сравнении с другими методами исследования электрической активности мозга — высокая точность: биологические ткани прозрачны для магнитных полей. Однако на сегодняшний день МЭГ доступна лишь в небольшом количестве лабораторий по всему миру, что связано с высокой стоимостью и сложностью производства МЭГ-систем, в которых используется крайне холодный жидкий гелий или, наоборот, нагретый до высоких температур газ.
Разработанный Российским квантовым центром датчик на основе пленки из железо-иттриевого граната стал первым в мире твердотельным сверхчувствительным магнитометром, работающим при комнатной температуре. Система, построенная на основе квантового сенсора, имеет более высокую чувствительность и дает возможность регистрировать даже слабые или глубинные электрические источники головного мозга. Широкий динамический диапазон позволит потенциально уменьшить степень магнитной защиты, что существенно снизит цену как самого устройства, так и необходимой для исследований инфраструктуры.
Экспериментальное исследование применимости новых сенсоров провели сотрудники Сколковского института науки и технологий и Высшей школы экономики. Оно базировалось на регистрации простого сигнала головного мозга — альфа-ритма, который представляет синусоидальные токи, возникающие в затылочной области головного мозга. Успешная регистрация альфа-ритма разработанным магнитометром валидирована с использованием других методов.
В будущем ученые планируют рассмотреть различные схемы расположения сенсоров, в том числе гибкое соединение, фиксируемое вокруг головы для наиболее эффективной локализации электрической активности коры головного мозга. В целом полученные результаты обосновывают необходимость дальнейшего изучения технологии и постепенного создания МЭГ-системы на основе полностью твердотельных датчиков. Запуск такого устройства станет важным шагом в развитии областей неинвазивной нейровизуализации и неинвазивных нейроинтерфейсов.
«Разработка данного магнитометра началась Петром Ветошко, техническим директором проекта, еще в середине 1990-х годов. Интерес к МЭГ-системам в мире непрерывно растет: если в 2017 году рынок оценивался в $600 млн, то к 2025 году аналитики прогнозируют увеличение до $1,3 млрд. Важно отметить, что, несмотря на аналогичные принципы работы данного квантового сенсора и классического феррозонда, квантовое обменное взаимодействие позволило зарегистрировать значение магнитного поля в 1000 раз ниже, чем при использовании традиционных решений. Мы видим, что устройство идеально подходит для решения задач, связанных с исследованием мозга. Более того, при таком уровне чувствительности наш сенсор сохраняет все преимущества традиционных феррозондов и может считаться универсальным магнитометром»,— сообщил Максим Острась, руководитель проекта в Российском квантовом центре.
«Даже первый опытный образец разработанного магнитометра в ряде случаев показывает более высокую чувствительность в контексте магнитоэнцефалографии по сравнению с существующими системами. Вкупе с простотой и твердотельной природой сенсора это позволяет предположить оптимистичное будущее для систем, созданных на основе этой технологии. Разумеется, предстоит еще огромная работа. Требуется как продолжение физических исследований, так и разработка нового математического аппарата для наиболее эффективной обработки сигнала магнитометров нового типа с учетом его специфики»,— подчеркнул Николай Кошев, старший преподаватель Сколковского института науки и технологии.
«С новыми сенсорами, учитывая их потенциально низкую стоимость и надежность, мы можем надеяться, что в скором будущем технология магнитоэнцефалографии станет доступна большему кругу пациентов, врачей и исследователей, которые получат в свои руки устройство для функционального картирования мозга, способное с миллиметровой точностью локализовать источники нейрональной активности и нейронные сети. Это повысит качество медицинской помощи, точность диагностики ряда неврологических расстройств, включая эпилепсию, и даст дополнительный толчок исследованиям механизмов работы головного мозга в норме и патологии»,— заявил Алексей Осадчий, директор центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики.
По материалам статьи «Evolution of MEG: A First MEG-feasible Fluxgate Magnetometer»; Nikolay Koshev, Anna Butorina, Ekaterina Skidchenko, Alexey Kuzmichev, Alexei Ossadtchi, Maxim Ostras, Maxim Fedorov, Petr Vetoshko; журнал Human Brain Mapping, июль 2021 г.