Des chercheurs ont développé une technique basée sur la lumière pour mesurer des champs magnétiques très faibles, telles que celles produites lorsque les neurones se déclenchent dans le cerveau. Les capteurs peu coûteux et compacts pourraient offrir une alternative aux systèmes d'imagerie par résonance magnétique (IRM) actuellement utilisés pour cartographier l'activité cérébrale sans le refroidissement coûteux ou le blindage électromagnétique requis par les machines IRM.
« Un portable, un système d'imagerie cérébrale à faible coût pouvant fonctionner à température ambiante dans des environnements non blindés permettrait une cartographie de l'activité cérébrale en temps réel après des commotions cérébrales potentielles sur le terrain de sport et dans les zones de conflit où l'effet des explosifs sur le cerveau peut être catastrophique, " a déclaré le membre chercheur Babak Amirsolaimani de l'Université de l'Arizona, Tucson.
Comme détaillé dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , les chercheurs ont fabriqué les capteurs magnétiques à l'aide de fibres optiques et d'un nouveau composite polymère-nanoparticules sensible aux champs magnétiques. Les capteurs peuvent détecter le champ magnétique du cerveau, qui est 100 millions de fois plus faible que le champ magnétique terrestre.
Les chercheurs ont également montré que le nouveau capteur peut détecter le faible motif magnétique d'un rythme cardiaque humain et a la capacité de détecter les fluctuations magnétiques qui changent chaque microseconde à partir d'une zone aussi petite que 100 microns carrés.
"La conception tout optique du capteur signifie qu'il pourrait être fabriqué à moindre coût sur une puce photonique au silicium, permettant de réaliser un système presque aussi petit que la fibre optique de 10 microns de diamètre du capteur, " a déclaré Amirsolaimani. " Plusieurs capteurs pourraient ensuite être utilisés ensemble pour fournir une cartographie cérébrale à haute résolution spatiale. "
Les nouveaux capteurs pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre l'activité du cerveau et les maladies du cerveau telles que la démence et la maladie d'Alzheimer. Ils pourraient également être utiles pour mesurer les champs magnétiques utilisés pour prédire les éruptions volcaniques et les tremblements de terre, identifier le pétrole et les minéraux pour l'excavation et détecter les sous-marins militaires.
Détection optique de champs magnétiques
La méthode optique de détection des champs magnétiques faibles tire parti du fait qu'un champ magnétique fait tourner la polarisation de la lumière, avec le degré de rotation dépendant du matériau à travers lequel la lumière passe. Les chercheurs ont développé un nouveau matériau composite constitué de nanoparticules dispersées dans un polymère qui confère une rotation de polarisation détectable à la lumière lorsque des champs magnétiques très faibles sont présents.
Ils ont sélectionné des nanoparticules à base de magnétite et de cobalt car ces matériaux présentent une sensibilité magnétique très élevée. Ils ont ensuite optimisé la taille, espacement et revêtement des nanoparticules pour créer un matériau composite extrêmement sensible aux champs magnétiques.
Les chercheurs ont détecté la rotation de polarisation à l'aide d'un interféromètre optique. Cela fonctionne en divisant la lumière laser en deux chemins, dont l'un traverse le matériau hautement sensible tandis que l'autre ne le fait pas. La polarisation de chaque trajet lumineux est détectée et comparée pour mesurer les fluctuations de très petits champs magnétiques.
Lors de la détection de champs magnétiques faibles, le bruit peut facilement masquer le signal détecté. Pour cette raison, les chercheurs ont utilisé une configuration d'interféromètre qui élimine les effets environnementaux ambiants tels que les vibrations et les fluctuations de température. Cette configuration a maintenu des niveaux de bruit très proches de la limite théorique de la conception optique, ce qui était essentiel pour détecter des champs magnétiques très faibles.
Les chercheurs ont utilisé les capteurs pour mesurer le champ magnétique créé par les impulsions électriques produites pendant le rythme cardiaque humain. Ils ont pu détecter un signal magnétique clair présentant un contraste élevé, démontrer le potentiel de la technologie en tant que simple remplacement de l'électrocardiographie, ou ECG, tests couramment effectués pour détecter les problèmes cardiaques.
Prochain, les chercheurs prévoient d'étudier la stabilité à long terme des capteurs et leur résistance aux changements environnementaux. Ils veulent également fabriquer plusieurs centaines de capteurs pour réaliser un système d'évaluation et d'imagerie de l'ensemble du champ magnétique d'un cerveau humain.
