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穿戴式腦磁測量頭盔問世!腦神經研究領域即將大革新?

活躍星系核_96
・2018/03/28 ・1785字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級
  • 文/林發暄 國立台灣大學醫學工程學研究所教授

腦磁圖(magnetoencephalography, MEG)是一種以非侵入方式量測腦部神經電信號的一種神經造影工具。他與常見的腦電圖(electroencephalography, EEG)相同,信號的主要來源以一群神經細胞(主要以位於皮質的錐狀細胞為主)在時間與空間上進行同步活動為主。與腦電圖不同的地方在於, 腦磁圖量測的是非常微弱的磁場信號(約比地球磁場小上千萬倍),因此技術上相當困難。

最早的腦磁圖實驗於 1970 年左右由 David Cohen 在屏蔽良好的磁屏蔽屋內首次完成(Cohen 1968, Cohen 1972)。幾十年來在磁屏蔽屋以及磁場感測器的技術發展下,由於具有毫秒等級的時間解析度,以及比腦電圖優良的空間敏感度選擇性和解析度,腦磁圖已經成功且廣泛地應用在臨床癲癇診斷以及神經科學研究上。

目前腦磁研究仍受到須在磁屏蔽室內進行實驗的限制。圖/wikipedia

舊型超導量子干涉元件龐大的腦磁測量頭盔

為達到足夠的敏感度來偵測微弱的腦磁信號,現有的腦磁系統多以使用超導量子干涉元件(superconductive quantum interference device, SQUID)。使用 SQUID 的限制在於:元件必須要在超低溫的環境下進行。

而整個系統因為冷卻需要,必須安裝在固定的頭盔上,且 SQUID 元件因冷卻系統的要求無法緊密貼合頭部。由於神經活動的磁場信號會隨距離而快速的消退,無法緊密貼合頭部的腦磁偵測器必然要損失一些敏感度。同樣的,目前的腦磁系統在量測腦磁信號上無法因不同人的頭型(例如:小孩實驗需使用大人的頭盔)而達到好的結果。

現有的腦磁系統仍有諸多的侷限。圖/NIMH Image library@wikipedia

使用OPM 邊打乒乓邊測量腦磁

最近由英國諾丁漢(Nottingham)大學與倫敦大學學院(University College London)的團隊針對這項限制做出了突破性的研究(Boto, Holmes et al. 2018)。他們揚棄以往 SQUID 元件,改用光泵浦磁場計(optically pumped magnetometer, OPM)作為量測神經磁場信號的元件。OPM 藉由量測被微弱磁場調變的光信號達到量測磁場的目的。

由於 OPM 不需要在超低溫的環境下便有高敏感度,因此可以將偵測器安裝於輕便的頭盔上,而不像以往 SQUID 系統需要考量冷卻系統,而達成「可穿戴」的特性。進一步因為 OPM 可以盡可能地靠近頭皮,距離產生神經磁場的信號來源更為接近,因此在量測腦磁信號上也可提升其敏感度。

source:Science Magazine

在這項論文中,英國學者成功地展示了在進行手部運動時,運動皮質區所特有的 beta 頻段(約20赫茲)的神經震盪反彈(rebound)活動。此種神經活動特性在新的腦磁系統中,不論受試者在靜止,甚至在不斷點頭的活動下,都可以穩定的測得。

研究團隊甚至展示出當受試者在手執乒乓球拍擊球時所產生的 beta 頻段的神經震盪反彈活動。可以想像在這樣的運動中,受試者的頭部與手都有不可預期的快速移動。這在傳統使用 SQUID 的腦磁系統上是無法量測的。

這套系統的特性除了以 OPM 取代 SQUID 之外,他們也自行發展出一套磁場補償系統,使磁場的分佈更均勻。事實上,也正因為這套補償系統,才能使 OPM 首次成功展現腦磁量測的功能。

目前報告中的腦磁系統雖然只包含體感覺皮質部分,但可預期的是,它將近一部延伸為涵蓋全腦的系統。這種架構對於進行小孩神經發展的研究與臨床應用將有巨大的好處:這些受試者不需再受限於系統使用大小不合的頭盔進行量測。

而在受試者自由地進行活動下,依然有高品質的腦磁信號量測的特性,對於想了解腦部活動在自然的環境下是如何工作的研究與臨床人員來說,也具有相當大的吸引力。

台灣本身的腦磁臨床應用與科學研究已有十數年。台北榮總的癲癇團隊與整合腦功能實驗室以及中研院的語言研究在腦磁研究上都有很好的成果。目前腦磁研究仍受到須在磁屏蔽室內進行實驗的限制。所以即使在最新的研究中,乒乓球的遊戲也不是日常常見兩人對打的狀況(因為一般的磁屏蔽室太小間了!)。是不是能有近一步突破,將腦磁量測走出室外,達到真正在自然的狀態下以穿戴式系統來研究腦功能,應該是許多神經科學家的夢想。

參考資料

  • Boto, E., N. Holmes, J. Leggett, G. Roberts, V. Shah, S. S. Meyer, L. D. Munoz, K. J. Mullinger, T. M. Tierney, S. Bestmann, G. R. Barnes, R. Bowtell and M. J. Brookes (2018). “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system.” Nature.
  • Cohen, D. (1968). “Magnetoencephalography: evidence of magnetic fields produced by alpha-rhythm currents.” Science 161(3843): 784-786.
  • Cohen, D. (1972). “Magnetoencephalography: detection of the brain’s electrical activity with a superconducting magnetometer.” Science 175(4022): 664-666.

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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發炎性腸道疾病的獵奇療法:來一杯「鉤蟲卵」吧!——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/24 ・2290字 ・閱讀時間約 4 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

上一節,我提到了犬蛔蟲,我好不容易才忍住沒有提另外一種寄生蟲:蠕蟲。這類寄生蟲成員眾多,個個都是入侵或躲避免疫系統的行家,牠們有許多花招可以幫助牠們在人體內存活下來、繁榮昌盛。牠們之所以需要這些花招,是因為作為寄生蟲,牠們的個頭太大了,免疫系統不可能看不到牠們。即使是較小的蠕蟲物種,也有幾公釐長,跟病毒或細菌比起來,可謂龐然大物。

蠕蟲感染者的腸道 X 光照片,圖中黑線都是蠕蟲。圖/WIKIPEDIA by Secretariat

在世界上許多較貧窮的地區,由於衛生條件較差,蠕蟲帶來了無盡的痛苦:據統計,世界上約四分之一的人口感染了某種類型的蠕蟲。衛生機構正在嘗試使用預防、清潔的手段和抗蟲藥物來緩解疫情。與此同時,在已開發國家,人們已經成功消滅了蠕蟲疾病。

也許有點過於成功。

免疫反應有幾種不同的形式。我們理解得最透徹的兩種是 Th1 和 Th2(Th 代表輔助 T 細胞,這是一種重要的 T 細胞)。它們的細節比較複雜,但大體畫面是這樣的:這兩種反應處理的是不同類型的感染——Th1 類型的輔助 T 細胞會向吞噬細胞和胞毒 T 細胞發出啟動訊號。聽到「集結號」之後,這些細胞會追蹤並摧毀任何被病毒或特定細菌感染的人類細胞。與此相反,Th2 反應是直接攻擊那些尚未入侵人體的病原體,Th2 細胞會啟動一種叫作嗜酸性球(eosinophils)的免疫細胞,來殺死蠕蟲。只要一種 Th 反應上調,另外一種就會下調。這種機制是合理的,因為這樣可以節約身體的資源,並降低免疫反應的副作用。

TH2 細胞(左)正在被 B 細胞(右)活化。圖/WIKIPEDIA

蠕蟲激發的正是 Th2 反應。有人因此認為,此消彼長,在那些蠕蟲病發病率較高的國家,過敏反應( Th1)的概率恰恰因此更低。(在過去幾十年裡,已開發國家裡出現過敏反應的人越來越多)。流行病調查顯示:蠕蟲越是肆虐,過敏反應就越少。

蠕蟲採取的各種躲避和反擊策略,以及牠們的存在本身,都會對免疫系統產生影響。一個效果就是牠們會抑制發炎反應——要知道,世界上有許多人巴不得他們的發炎反應受到一點抑制呢。

因此,許多患有慢性自體免疫疾病(比如,發炎性腸道疾病)的人現在正在接受蠕蟲療法(用的是鉤蟲),針對其他發炎疾病的臨床治療也正在測試。

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鉤蟲, 被用在慢性自體免疫疾病的蠕蟲療法 。圖/WIKIPEDIA

這聽起來有點怪誕:有人竟希望——不,堅持要——被寄生蟲感染。他們向醫生求助,醫生給他們的藥是一小杯鉤蟲卵,然後他們就喝下去了。在他們的胃裡,這些卵會孵化,幼蟲會爬出來。然後,不知怎的,患者就感覺好多了。當然,鉤蟲不會存活很久(醫生選擇的物種並不會在人體腸道內存活很久,否則就會有新的麻煩了),因此,過一段時間,患者又要接受新一輪的感染,以維持免疫系統的平衡。

當然,如果我們可以不用蟲子(比如使用其中的有效成分,類似某種「鉤蟲萃取物」的藥物)就可以治療疾病,那就更好了。但是,目前還沒人知道到底哪些成分重要——而且似乎要見效,必須要用活的蠕蟲。

為了解釋關於蠕蟲的這個情況,研究人員提出了「老朋友假說」(old-friends hypothesis),這是「衛生假說」的一個改良版。你也許聽說過「衛生假說」,它已經流傳了很長一段時間,但直到一九八九年才由大衛.斯特拉昌(David Strachan)正式提出。他進行的流行病學調查顯示,那些在農場裡或田野邊上長大的孩子要比那些在城市裡長大的同齡人更少患上過敏。從此之後,「衛生假說」就被用於描述許多不同的觀念,其中一些得到了研究支持,而另一些則沒有。

總的來說,老朋友假說的大意是,人類的免疫系統是在一個充滿微生物的世界裡發育的,我們經常要跟許許多多的微生物打交道。我們已經看到了免疫系統跟腸道微生物的密切聯繫,但是這樣的親密關係也可能會擴展到病原體。免疫系統已經對一定程度的接觸和較量習以為常了。現代西方社會,是人類有史以來最愛清潔、刷洗、消毒的階段,我們受感染的機會大大減少——但這破壞了免疫系統的平衡。我們的免疫系統習慣了跟某些病原體對抗,一旦沒有了對手,它就會工作失常。因此,嬰兒和小朋友也許最好要接觸一點髒東西。

現代社會,是人類有史以來最愛清潔及消毒的階段,我們受感染的機會大大減少,但這破壞了免疫系統的平衡。圖/Pixabay

顯然,你不希望你的孩子臉上有霍亂弧菌,雖然研究人員在二○○○年發現結核病對預防氣喘有幫助,但這並不意味著你要讓孩子染上結核。但是「髒東西」裡含有許多常見病原菌的減毒突變株(不再那麼有害),這可能對孩子的身體有益。沒有它們,孩子日後也許更容易患上免疫疾病——比如過敏和自體免疫病。

問題是,要多乾淨才算乾淨,要多髒才算髒呢?抱歉,我真的不知道答案。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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