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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?

  • 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。

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。

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