Новый портативный сканер мозга изменит понимание того, как «общаются» нейроны
Отображение «разговоров» нейронов — задача не из лёгких. Один из лучших инструментов для «подслушивания» в режиме реального времени выявляет слабые магнитные поля, которые генерируются взаимодействующими нейронами. Но и этот способ не идеален: пациенты должны держать голову абсолютно неподвижной внутри огромного сканера. Всё это делает метод магнитоэнцефалографии (МЭГ) непригодным для маленьких детей и людей с различными заболеваниями, поскольку он не позволяет изучать работу мозга в момент, когда пациенты находятся в движении.
Поясним, что МЭГ — это технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Для обнаружения полей используются высокоточные сверхпроводниковые квантовые интерферометры, или СКВИД-датчики. МЭГ применяется в исследованиях работы мозга и в медицине.
Теперь же учёные из Ноттингемского университета разработали устройство, способное решить все эти проблемы. Портативный аппарат можно носить как шлем или маску, что позволяет людям двигаться во время сканирования.
Как сообщается в пресс-релизе вуза, исследователи продемонстрировали то, как они измеряют активность мозга, пока люди совершают естественные движения: кивают, пьют чай или даже играют в пинг-понг. Проще говоря, перед нами новая, портативная и облегчённая версия системы МЭГ.
Исследователи объясняют: когда нейроны взаимодействуют друг с другом, их слабый электрический ток вырабатывает крошечное магнитное поле. Чтобы измерить его при помощи обычного МЭГ, пациенты садятся в особое устройство, где их голова размещается в огромном сканере.
Картина слегка напоминает знаменитые фотоснимки прихорашивающихся в салонах красоты женщин, чья голова находится внутри огромных старомодных фенов, объясняет руководитель исследования физик Ричард Бовтелл (Richard Bowtell).
Собственно, исследователи используют технологию МЭГ, чтобы отобразить функции мозга, измеряя эти магнитные поля. Всё это позволяет получить картину того, какие части мозга задействованы, когда человек выполняет различные задачи — говорит или двигается.
Сегодняшние сканеры МЭГ невероятно огромны и весят примерно полтонны. Это связано с тем, что сенсоры для измерения магнитного поля мозга должны оставаться очень холодными (минус 269°C), что требует громоздких систем охлаждения.
Это невероятно мощная технология, говорит Бовтелл, но, если человек сделает всего лишь малейшее движение, это помещает процессу сканирования. Именно по этой причине пациент должен сидеть неподвижно во время всей процедуры.
Чтобы упростить задачу, учёные сделали сканер портативным, заменив традиционные сенсоры, которые имеют тяжёлую и громоздкую систему охлаждения, миниатюрными датчиками, которые обнаруживают магнитные поле немного иным способом (на данный момент их 13 штук).
Эти сенсоры прикрепляются непосредственно к голове, используя шлем, напечатанный на 3D-принтере. Вся система весит менее одного килограмма. Иными словами, благодаря облегчённому варианту сканера пациенты могут двигать головой во время процедуры.
Учёные протестировали устройство с участием четырёх людей, пока те двигали пальцами. Они получили аналогичные результаты, которые были зафиксированы при помощи традиционного сканера МЭГ.
Более того, исследователи использовали их прибор с участием волонтёров, которые пили чай или играли в игру с шариками: ничего этого было бы невозможно, работая с классическим сканером МЭГ.
Например, физик из Ноттингемского университета Элена Бото (Elena Boto) была первой, кто опробовал работу нового устройства. Она выполняла ряд задач: например, сгибала палец или указывала им на какой-либо предмет, отпивала из чашки и подбрасывала мяч на небольшой ракетке.
Оказалось, что активность мозга, зафиксированная новым сканером, была практически аналогичной той, которую уловил традиционный сканер МЭГ.
Впрочем, есть и некоторые проблемы. Конечно, пациент не может свободно передвигаться там, где он хочет: сканер так или иначе всё равно необходимо носить в специально спроектированном помещении, которое помогает нейтрализовать влияние естественного магнитного поля Земли.
Так, чтобы противодействовать помехам от магнитного поля, исследователям понадобилось установить две большие панели с магнитными катушками по обе стороны шлема, что, конечно, ограничивало движения Бото. Создание технологии, которая позволит пациенту, например, ходить, является ещё более сложной задачей.
Но самое большое препятствие — это стоимость. Новые сенсоры являются достаточно дорогими, каждый из них стоит порядка семи тысяч долларов США (а их, напомним, 13).
Все сенсоры в сегодняшнем устройстве должны одновременно «целиться» лишь на одну область мозга, ещё много десятков сенсоров потребуется, чтобы учёные смогли охватить весь мозг. Стоимость «полноценного» устройства достигает около одного миллиона долларов США, что неимоверно дорого для многих исследователей, говорит Бовтелл, хотя он и ожидает, что цена будет снижаться по мере развития технологий.
Между тем нейрорадиолог Тимоти Робертс (Timothy Roberts), работающий с детьми с аутизмом в Детской больнице Филадельфии, считает, что новый сканер всё-таки стоит того. В один прекрасный день нейробиологи смогут использовать такие приборы для отслеживания раннего развития мозга или фиксирования сигналов мозга у взрослых с двигательными расстройствами — болезнью Паркинсона, например.
По словам Робертса, инструмент также может помочь изучить мозговую активность непоседливых пациентов. «Просить ребёнка с аутизмом сидеть на месте — непростая задача. А просить малыша сидеть смирно и вовсе невозможно», — говорит он.
Разработчики считают, что решить проблемы вполне возможно. Благодаря новому портативному сканеру учёные впервые смогут измерить активность мозга у младенцев и маленьких детей, поскольку устройство построит изображение мозга человека в движении.
Результаты исследования и описание разработки представлены в научном издании Nature.
