Les chercheurs de Sandia National Laboratories souhaitent utiliser de petits capteurs magnétiques pour imager le cerveau d'une manière plus simple et moins coûteuse que le système de magnétoencéphalographie actuellement utilisé.

La magnétoencéphalographie est un moyen non invasif de mesurer de minuscules champs magnétiques produits par l'activité électrique du cerveau. Les mesures, capable de détecter une activité aussi rapidement qu'une milliseconde, aider à identifier le fonctionnement de certaines parties du cerveau et localiser les sources d'épilepsie et d'autres anomalies.

L'état de l'art est un réseau de centaines de capteurs magnétiques placés autour de la tête pour imager le cerveau en répondant à de minuscules changements dans ses champs magnétiques - des capteurs appelés magnétomètres SQUID, pour les magnétomètres supraconducteurs à interférence quantique. De tels systèmes nécessitent un blindage magnétique pour une pièce entière et utilisent de l'hélium liquide, un cryogène qui fonctionne à 4 degrés au-dessus du zéro absolu. Ces exigences coûteuses limitent l'accessibilité.

Sandia développe un magnétomètre à pompage optique, ou OPM, réseau de capteurs qui s'adapte contre la tête et est logé à l'intérieur d'un bouclier à taille humaine ressemblant à un tube d'IRM. Il évite le besoin de températures cryogéniques ou d'une pièce blindée, il serait donc plus facile et moins cher à utiliser.

Cela rendrait la magnétoencéphalographie plus utile pour la neurologie dans le diagnostic et l'étude des affections cérébrales et pour les sciences cognitives, y compris la recherche émergente sur le trouble de stress post-traumatique et les lésions cérébrales traumatiques, a déclaré le chercheur principal du projet Peter Schwindt et l'ancien directeur de Sandia Rob Boye.

« Qui ne s'intéresse pas à la science du cerveau ? » dit Schwindt. "C'est un truc fascinant."

L'équipe de Sandia a publié un article en novembre dans Physique en médecine et biologie cela démontre que le système de Sandia peut détecter les signaux du cerveau. L'équipe a publié un article l'année dernière dans Optique Express décrivant leur capteur OPM.

Système de démonstration développé au cours d'un projet de quatre ans

Au cours d'un projet de quatre ans financé par les National Institutes of Health, Sandia a construit un prototype de système de magnétoencéphalographie avec le réseau OPM placé à l'intérieur d'un bouclier magnétique de la taille d'une personne. L'OPM est un capteur quantique qui comprend une petite cellule de verre contenant un gaz d'atomes de rubidium, un laser pompe pour définir l'état des atomes individuels dans le gaz et un laser sonde pour lire l'état changeant des atomes. Le changement d'état dépend de la force du champ magnétique du cerveau détecté par le réseau.

Le système de démonstration comportait 20 canaux de magnétomètre dans cinq capteurs couvrant moins d'un quart du crâne d'un adulte. L'équipe veut imager davantage le cerveau à l'avenir en développant un réseau qui couvre toute la tête, comme les systèmes SQUID d'aujourd'hui.

Sandia a comparé ses résultats à ceux d'un système commercial SQUID, en utilisant des tests neurologiques qui produisent des résultats bien compris. Un test émet une tonalité d'un quart de seconde dans les deux oreilles, produisant un pic dans le cortex auditif. Un autre essai, un stimulus nerveux, provoque une contraction du pouce, entraînant une réponse dans le cortex somatosensoriel. Les deux réponses sont facilement observées avec le système de Sandia, et l'équipe utilise les deux réponses pour caractériser et affiner son système.

« En substance, vous pouvez considérer les atomes comme de petites toupies, " Boye a dit. " Quand il y a un champ magnétique présent, cela fera tourner ces sommets. Le laser de la sonde peut détecter cette rotation. Dans ton cerveau, quand un tas de neurones se déclenchent, il y a un peu de courant électrique. Le courant donne naissance à un champ magnétique, c'est donc le flux de charges dans vos neurones qui donne naissance aux champs magnétiques détectés par l'OPM."

Les réseaux commerciaux SQUID utilisent des casques fixes, avec une distance tête-capteur d'au moins 2 centimètres (environ 0,78 pouce), et 10 cm (3,9 pouces) ou plus pour les enfants, dit Schwindt. Parce que le tableau de Sandia est conforme à la tête, la distance tête-capteur est plus courte et constante. L'équipe veut réduire sa distance actuelle de 1,2 cm (0,47 pouce) à 0,5-0,7 cm (environ 0,2-0,27 pouce), puisque la qualité des signaux du cerveau diminue rapidement avec la distance, dit Schwindt.

Rendre la magnétoencéphalographie plus accessible

Dr Bruce Fisch, professeur émérite au Centre des sciences de la santé de l'Université du Nouveau-Mexique et ancien directeur du programme de magnétoencéphalographie clinique de l'UNM, a déclaré que le travail de Sandia pourrait rendre la magnétoencéphalographie plus largement disponible. poisson, qui a consulté sur le projet, dit en évaluant les patients épileptiques pour une intervention chirurgicale visant à arrêter les crises, il est important de localiser la source des signaux cérébraux plus précisément que possible avec l'IRM plus familière. L'UNM utilise le système SQUID du Mind Research Network pour effectuer des analyses de magnétoencéphalographie cliniques, dit Fisch.

Schwindt a déclaré qu'il était trop tôt pour estimer le coût d'un système basé sur OPM. En fonction de facteurs tels que les dispositifs auxiliaires, un système complet de magnétoencéphalographie basé sur SQUID peut coûter de 1,8 à 4 millions de dollars, comprenant une pièce blindée magnétiquement, dit Miikka Putaala, directeur de la business line magnétoencéphalographie pour Elekta Neuroscience of Finland, qui fait de tels systèmes.

L'étape suivante consiste à montrer que le système peut non seulement détecter les signaux du cerveau, mais aussi localiser l'origine des signaux. Des actions telles que penser ou contracter un muscle créent des champs magnétiques dans le cerveau, mais ils sont difficiles à isoler.

"Ce n'est pas parce que vous pouvez détecter un champ magnétique que vous savez d'où il vient, " a dit Boye.

Le réseau OPM est placé sur différentes parties de la tête pour concentrer le réseau sur des zones spécifiques du cerveau. Les opérateurs combinent les informations pour localiser la source du champ magnétique afin de trouver où le cerveau est actif.

L'équipe de Sandia utilise les signaux mesurés pour localiser les sources dans le cerveau. L'équipe travaille à améliorer l'étalonnage imparfait des capteurs et la connaissance du réseau OPM par rapport à la position du cerveau afin de continuer à améliorer la précision de la localisation de l'activité cérébrale.

Ajuster la matrice plus étroitement au cuir chevelu peut améliorer la précision de la localisation et faire la distinction entre les sources neuronales rapprochées. Une matrice mieux adaptée pourrait également détecter une activité qui ne peut pas être détectée maintenant.

"En particulier, cela peut être très intéressant pour les études pédiatriques et infantiles du développement du cerveau, " dit Schwindt. " Plus vous vous rapprochez, plus vous aurez de fidélité spatiale."