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全球首款50通道QUSPIN OPM-MEG光泵原子磁力计阵列在多通道脑磁记录仪的应用

发布时间:2020-05-28 10:17:48 浏览量:133


磁脑电图(MEG)是一种功能强大的神经成像技术,可提供有关脑电生理学的非侵入性窗口。传统的MEG系统基于低温传感器,它可

以检测由神经元组件中的同步电流产生的颅外小磁场,但是这种系统有基本的局限性。近年来,一种名为“光泵磁力仪”(OPMs)的量

子设备有望解除这些限制,提供一种适应性强、可运动强健的、数据质量更好、成本更低的磁图仪。


 

全球首款基于Quspin传感器的50通道脑磁图记录仪阵列,在诺丁汉大学的彼得·曼斯菲尔德爵士影像中心已经投入运营。该系统使用安

装在头皮上(使用类似EEG的柔性帽)的Gen-2 QZFM来测量由流过神经元组件的电流产生的磁场。通过这种方式,它可以直接和非

侵入性地推断人脑电生理学。该系统放置在专用的磁屏蔽室【如需磁屏蔽室可联系昊量光电工程师】,这样可以减少环境电磁干扰,并

限制静电(地球)场。这种精确的磁场控制,加上轻便的安装在头皮上的传感器和帽子,使MEG测量成为可能,即使受试者在测量过

程中移动(Boto et al, Nature, 2018)。



 FIG1:显示了安装在志愿者头上的Quspin零场磁力计阵列图像

作为第一次演示该50通道的脑磁设备,我们采用了一个视觉眼肌运动的任务。研究人员向受试者展示了一个由同心圆组成的视觉刺激

图形(称为圆形光栅)。当视觉刺激图像在屏幕的同时,受试者被要求移动他们的手指。共计进行100次试验,每次试验持续7s,屏幕上

光栅显示的时间为2.5到3s。在OPM-MEG数据采集之后,使用一种新开发的光学扫描技术测量了传感器在头皮上的位置和方向。对

OPM放置的准确了解允许使用波束形成器进行数据建模,以精确确定大脑中任何可测量的神经磁作用起源。


图2显示了这些实验的结果。左侧面板显示通过光学扫描确定的OPM在头皮上的位置。中间和右侧面板分别显示了被测大脑在视觉皮层

和运动皮层中功能。我们能够测量高精度的MEG数据,该数据表明呈现的视觉刺激引起了初级视觉皮层55-70 Hz“伽马”振荡的增

加。同时,手指运动导致运动过程中β振荡的下降,紧随刺激后,运动后的运动量增加至基线以上(称为β反弹)。该β振荡反应被证明

为很好地定位于初级感觉运动皮层。


 

FIG2:为50通道设备的实验结果。左面板:数字化的OPM在头皮表面的位置。中央面板:视觉刺激引起的55-70 Hz“伽马”振荡。

右上方的图显示了一个时间频率频谱图,其中X轴为时间,Y轴为神经振荡的频率。黄色显示神经振荡增加,而蓝色显示减少。注意高

频活动。在大脑图像中,突出显示的区域表明该伽玛活动很好地映射到初级视觉皮层。右面板:等效时间频率频谱图和用于β调制的功

能图像。请注意,在任务执行过程中,α(8-13 Hz)和β(13-30 Hz)振荡幅度的损失均与手指移动有关。图像显示,β调制位于初级

运动皮层。


这些实验是首次运用大型QuSpin磁力计阵列。结果表明,我们可以通过较高的传感器数量获得高保真度的神经影像数据。将传感器阵

列与磁屏蔽和新颖的线圈设计相结合,意味着受试者可以在数据采集过程中移动。此外,使用光学扫描可以确定传感器位置,从而准确

确定脑功能起源的位置,在这种情况下,可以在单个实验中定位到多个脑区域。这些初步结果是迈向全头OPM-MEG设备的重要一

步。随着适应于任何头部形状的灵活性的提高,实现新颖实验范式的运动容差以及极高质量的数据,这为神经科学实验提供了一个新的

台阶。


References:

Ryan M. Hill1*, Elena Boto, Molly Rea, Niall Holmes, James Leggett et al. Multi-Channel Whole-Head OPM-MEG: Helmet 

Design and a Comparison with a Conventional System. 2020.


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