Методы нейронаук: магнитоэнцефалография

Нервные клетки активно генерируют и проводят слабые электрические импульсы, и это напрямую связано с процессом обработки мозгом полученной информации. Из-за этой работы образуется электромагнитное поле, у которого, конечно же, есть важная составляющая – магнитное поле. Вклад каждого отдельного нейрона мал, но находясь на конкретном участке в большом количестве (например, 50000 – 100000 нейронов), они способны создавать такое поле, которое уже могут зафиксировать высокочувствительные магнитометры. Активность этого поля отличается в клетках здорового мозга и при отклонениях, например, во время приступа эпилепсии или постинсультном состоянии, поэтому её необходимо изучать. И вот этим занимается магнитоэнцефалография.

магнитоэнцефалография
МЭГ можно делать даже детям

Действие самого метода можно себе представить как огромный стетоскоп (в виде магнитометров и градиометров), который способен улавливать магнитные «ритмы» мозга.

“Намагниченный” холод

Считается, что первым зарегистрировал магнитные поля у живого организма Дэвид Коэн. Правда, первым органом стал не мозг, а сердце, что понятно – магнитные поля, создаваемые клетками сердцечной мускулатуры, «сильнее», чем поля нервных клеток (Рис. 2).

магнитоэнцефалография
Место биомагнитных сигналов организма человека в шкале магнитных полей. Также показаны характерные уровни помех и частотные диапазоны сигналов. (Из [1]).
Почти в то же время Брайан Джозефсон обнаружил, что если расположить среди двух сверхпроводников диэлектрик, то при его нахождении рядом с электромагнитным полем между ними возникает ток. На основе этого открытия сконструированы сверхпроводящие сверхчувствительные квантовые интерферометры СКВИДы (от английского SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), способные измерять даже очень слабые магнитные поля. И на настоящий момент СКВИДы используются в медицине и в науке для регистрации магнитного поля мозга.

Чтобы обеспечить качественную детекцию такими интерферометрами, необходима сверхпроводимость сенсоров, для чего прибор охлаждают жидким гелием с температурой ~ 269о С. Если говорить упрощённо, СКВИД – это индукционная катушка, помещённая в сосуд с жидким гелием и способная детектировать магнитное поле, расположенное в нескольких сантиметрах от неё. Самый первый магнитометр был одноканальным, а сейчас число каналов перевалило за 300.

Чуть позже в качестве альтернативы затратному и достаточно сложному в использовании СКВИДу предложили магнитометры с оптической накачкой (МОН), где вместо жидкого гелия, который постоянно требовалось восполнять, использовались пары цезия.

Голова-магнит

 Метод МЭГ – неинвазивный и бесконтактный. Прибор представляет собой «шлем», в который «надевается» сверху на голову пациента. По сути, это – сканер, который имеет множество экранированных датчиков или сенсоров, считывающих магнитные поля мозга. В МЭГ используются в качестве сенсоров магнитометры и/или градиометры. Магнитометры улавливают сигнал и более чувствительны к полям более глубоких участков мозга, но при этом они и хорошо “ловят” посторонний шум. Градиометры лучше фильтруют этот шум, но, как легко догадаться, чуть менее чувствительны и к магнитному полю мозга [2].

магнитоэнцефалография
Процедура МЭГ в NIMH

Интересно, что мозговые поля не превышают нескольких сотен фемто-тесла 10-15 Т. Для сравнения магнитное поле Земли где-то между 10-4 – 10-5 Т, то есть поле Земли больше в 100 млн раз [2].

Для того, чтобы снизить шум от других магнитных полей, МЭГ проводят в специальной комнате, которая экранирована и защищает слабые магнитные поля мозга от воздействия таких же полей извне.

Метод МЭГ используется и в научных исследованиях активности мозга, и в медицине для контроля за состоянием пациентов. В мозге всегда присутствует фоновая активность, но бывает и активность, вызванная внешним воздействием. Учёным интересно исследовать, на какие стимулы и как она изменяется. Также любопытно понять, как развивается и учится детский мозг, какие процессы происходят при взрослении человека и при его старении.

Как тайное становится явным

 Для врачей во время лечения пациентов с эпилепсией зачастую важно увидеть очаги такой активности, чтобы грамотно назначать лечение и проводить операции. Как мы уже сказали, нервные клетки генерируют и проводят электрические импульсы. Но если группы нейронов начинают генерировать импульсы большей силы, чем необходимо, это может приводить к эпилептическим припадкам. Частые “вспышки” электрических импульсов приводят к возникновению возмущений в магнитном поле головного мозга, и как раз это можно зарегистрировать. По результату можно судить о местонахождении источника.

магнитоэнцефалография
Расположенные вокруг мозга сенсоры (белые точки) способны детектировать активность мозга. Красные/синие участки показывают места, в которых у этого метода лучшее/худшее качество распознавания активности.

Перед операцией можно и нужно посмотреть и проанализировать мозг разными методами – фМРТ, ЭЭГ, ПЭТ. Но, в отличие от них, МЭГ позволяет точнее увидеть локализации эпилептического очага. Необходим метод и в мониторинге состояния людей после травм головного мозга и после инсультов.

Одно из важнейших преимуществ МЭГ перед другими методами (ПЭТ, фМРТ, ЭЭГ) состоит в его меньшей сложности для пациента: не нужно надевать на голову шапочку, не нужно замирать неподвижно, простоте и при этом –m большой точности. Во время регистрации магнитного поля мозга необязательно находиться в неподвижном состоянии, как в случае фМРТ, поэтому МЭГ-исследование не вызывает сложностей при работе с детьми и более приятно для всех пациентов. Метод магнитоэнцефалографии позволяет довольно аккуратно (с точностью до 1 мм) детектировать расположение источников магнитного поля в мозге, причём, сделать это с течением времени с точностью до миллисекунды. Последним как раз “хвалёный” фМРТ похвастаться не может. МЭГ лучше распознаёт источники тока, расположенные в областях, которые образуют борозды.

Но есть в этом методе и свои недостатки. Во-первых, это высокая стоимость аппарата (например, стоимость СКВИД гораздо больше стоимости ЭЭГ-системы) и небходимость постоянного его обслуживания. Во-вторых, метод очень чувствителен ко внешним электромагнитным волнам, поэтому необходимо проводить исследование в специально экранированном кабинете. В-третьих, метод не регистрирует активность подкорковых структур и не реагирует на источники, расположенные перпендикулярно.

Если рассмотреть достоинства и недостатки МЭГ в совокупности, становится ясно, что он полезен и необходим для уточнения диагнозов, которые уже поставили с использованием других методов.

Текст: Надежда Потапова

Литература:
 [1] В.Л. Введенский, В.И. Ожогин. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. М.: Наука, 1986. — 200 с.
[2] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4001219/

Ссылка на источник