Magnetoencefalografie

Magnetoencefalografie (MEG) je zobrazovací technika používaná k měření magnetických polí vytvářených elektrickou aktivitou v mozku pomocí extrémně citlivých zařízení, jako jsou supravodivá kvantová interferenční zařízení (SQUID). Tato měření se běžně používají jak ve výzkumu, tak v klinické praxi. MEG má mnoho využití, včetně pomoci chirurgům při lokalizaci patologie, pomoci výzkumníkům při určování funkce různých částí mozku, neurofeedbacku a dalších.

MEG poprvé změřil David Cohen v roce 1968, tedy ještě předtím, než byl k dispozici SQUID, a jako detektor použil pouze měděnou indukční cívku. Aby se snížil magnetický šum pozadí, prováděla se měření v magneticky stíněné místnosti. Necitlivost tohoto detektoru však vedla ke špatným a zašuměným signálům MEG, které bylo obtížné použít. Později na MIT vybudoval lépe stíněnou místnost a k měření MEG opět použil jeden z prvních detektorů SQUID (právě vyvinutý Zimmermanem). Tentokrát byly signály téměř stejně čisté jako EEG a podnítily zájem fyziků, kteří začali hledat využití SQUIDů. Začalo se tedy používat MEG, takže se začaly měřit různé typy spontánních a evokovaných MEG.

Nejprve byl použit pouze jeden detektor SQUID, který postupně měřil magnetické pole v několika bodech kolem hlavy subjektu. To bylo těžkopádné a v 80. letech 20. století začali výrobci MEG zvyšovat počet snímačů v dewaru, aby pokryli větší plochu hlavy a použili odpovídající větší dewar. Současné MEG dewary mají tvar helmy a obsahují až 300 senzorů, které pokrývají většinu hlavy, jak ukazuje první obrázek. Tímto způsobem lze nyní rychle a efektivně shromažďovat MEG snímky subjektu nebo pacienta.

Základ signálu MEG

Synchronizované neuronální proudy vyvolávají velmi slabá magnetická pole, která lze měřit pomocí MEG. Magnetické pole mozku je však při 10 fT (femtotesla) pro kortikální aktivitu a fT pro lidský alfa rytmus podstatně menší než okolní magnetický šum v městském prostředí, který se pohybuje v řádu fT. Vznikají dva základní problémy biomagnetismu: slabost signálu a síla konkurenčního šumu prostředí. Vývoj extrémně citlivých měřicích zařízení, SQUID, usnadňuje analýzu magnetického pole mozku a čelí výše uvedeným problémům.

původ magnetického pole mozku; elektrický proud také vytváří EEG.

Signály MEG (a EEG) jsou výsledkem čistého účinku iontových proudů tekoucích v dendritech neuronů během synaptického přenosu. V souladu s Maxwellovými rovnicemi vytváří každý elektrický proud ortogonálně orientované magnetické pole. Toto pole se měří pomocí MEG. Čisté proudy si lze představit jako proudové dipóly, což jsou proudy definované tak, že mají přiřazenou polohu, orientaci a velikost, ale žádný prostorový rozsah. Podle pravidla pravé ruky vytváří proudový dipól magnetické pole, které proudí kolem osy své vektorové složky.

K vytvoření detekovatelného signálu je zapotřebí přibližně 50 000 aktivních neuronů. Vzhledem k tomu, že proudové dipóly musí mít podobnou orientaci, aby generovaly magnetická pole, která se vzájemně posilují, jsou to často právě vrstvy pyramidových buněk v mozkové kůře, které jsou obecně kolmé k jejímu povrchu, které dávají vzniknout měřitelným magnetickým polím. Kromě toho jsou to často svazky těchto neuronů umístěné v sulcích kůry s orientací rovnoběžnou s povrchem hlavy, které promítají měřitelné části svých magnetických polí mimo hlavu. Vědci experimentují s různými metodami zpracování signálu a snaží se najít metody, které by umožnily detekovat hluboký mozkový (tj. nekorový) signál, ale zatím není k dispozici žádná klinicky použitelná metoda.

Stojí za zmínku, že akční potenciály obvykle nevytvářejí pozorovatelné pole, zejména proto, že proudy spojené s akčními potenciály tečou opačným směrem a magnetická pole se ruší. Akční pole však byla měřena z periferních nervů.

Protože magnetické signály vyzařované mozkem se pohybují v řádu několika femtotesla (1 fT = T), je nutné stínění před vnějšími magnetickými signály, včetně magnetického pole Země. Vhodného magnetického stínění lze dosáhnout konstrukcí místností z hliníku a mu-metalu pro snížení vysokofrekvenčního, resp. nízkofrekvenčního šumu.

Skutečná fotografie vstupu do MSR, na které jsou vidět oddělené stínicí vrstvy.

Magneticky stíněné místnosti

Model magneticky stíněné místnosti (MSR) se skládá ze tří vnořených hlavních vrstev. Každá z těchto vrstev je tvořena vrstvou čistého hliníku a feromagnetickou vrstvou s vysokou propustností, která má podobné složení jako Moly Permalloy. Feromagnetická vrstva se dodává ve formě 1 mm plátů, přičemž nejvnitřnější vrstva se skládá ze čtyř plátů v těsném kontaktu a dvě vnější vrstvy se skládají vždy ze tří plátů. Magnetická spojitost je udržována překryvnými pásky. Ve šroubových sestavách jsou použity izolační podložky, takže každá hlavní vrstva je elektricky izolována, což pomáhá eliminovat rádiové frekvence, které snižují výkonnost SQUID. Elektrická spojitost hliníku je rovněž udržována hliníkovými překryvnými pásky, aby bylo možné stínění střídavými vířivými proudy, což je důležité při frekvencích vyšších než 1 Hz. Spoje vnitřní vrstvy jsou často galvanicky pokoveny stříbrem nebo zlatem, aby se zlepšila vodivost hliníkových vrstev.

Aktivní systémy jsou navrženy pro trojrozměrné potlačení hluku. Pro realizaci aktivního systému se ve středu každé plochy namontují nízkošumové magnetometry s fluxgate a orientují se k ní kolmo. Tím se negativně napájí stejnosměrný zesilovač přes síť dolních propustí s pomalým falloffem, aby se minimalizovala kladná zpětná vazba a oscilace. V systému jsou zabudovány třepací a degaussovací vodiče. Otřásací dráty zvyšují magnetickou permeabilitu, zatímco permanentní degaussovací dráty jsou přiloženy ke všem povrchům vnitřní hlavní vrstvy, aby se povrchy degaussovaly. Algoritmy pro potlačení šumu navíc dokáží snížit nízkofrekvenční i vysokofrekvenční šum. Moderní systémy mají spodní hranici šumu přibližně 2 až 3 fT na √Hz nad 1 Hz.

Hlavní článek: Inverzní problém

Lokalizační algoritmy využívající naddeterminované modely pracují na základě postupného zpřesňování. Systém je inicializován prvním odhadem. Poté se vstoupí do smyčky, v níž se pomocí dopředného modelu vygeneruje magnetické pole, které by bylo výsledkem aktuálního odhadu, a odhad se následně upraví tak, aby se zmenšil rozdíl mezi tímto odhadovaným polem a polem naměřeným. Tento proces se opakuje až do dosažení konvergence.

Zobrazovací přístup založený na olověném poli

Analýza nezávislých komponent

Klinické využití MEG spočívá v detekci a lokalizaci epileptiformní hrotové aktivity u pacientů s epilepsií a v lokalizaci elokventní kůry pro plánování chirurgického zákroku u pacientů s mozkovými nádory nebo nezvladatelnou epilepsií. Cílem operace epilepsie je odstranit epileptogenní tkáň a zároveň ušetřit podstatné oblasti mozku, aby se zabránilo neurologickému deficitu . Znalost přesné polohy základních oblastí mozku (jako je primární motorická kůra a primární senzorická kůra, zraková kůra a řečová kůra) je nesmírně důležitá. Za zlatý standard pro lokalizaci základních mozkových oblastí se považuje přímá korová stimulace a somatosenzorické evokované potenciály zaznamenané na EKG. Tyto postupy lze provádět buď intraoperačně, nebo z chronicky zavedených subdurálních mřížkových elektrod; obojí je však pro pacienta invazivní. MEG lokalizace centrálního sulku získané ze somatosenzorických evokovaných magnetických polí vykazují silnou s těmito invazivními záznamy. Studie MEG pomáhají objasnit funkční organizaci primární somatosenzorické kůry a vymezit prostorový rozsah somatosenzorické kůry ruky pomocí stimulace jednotlivých prstů. Tato shoda mezi invazivními měřeními lokalizace korové tkáně a MEG záznamy znamená účinnost MEG analýzy.

Kontroverze studií MEG

MEG se v poslední době poněkud kontroverzněji používá také ke studiu složitějších kognitivních procesů, jako je například sluch a zpracování jazyka.

Srovnání s jinými zobrazovacími technikami

MEG se vyvíjí od 60. let 20. století, ale v poslední době mu výrazně pomohl pokrok v oblasti výpočetních algoritmů a hardwaru a slibuje lepší prostorové rozlišení spolu s extrémně vysokým časovým rozlišením (lepším než 1 ms); protože MEG získává data přímo z aktivity samotných neuronů, je jeho časové rozlišení srovnatelné s intrakraniálními elektrodami.

Přednosti MEG doplňují přednosti jiných technik měření mozkové aktivity, jako je elektroencefalografie (EEG), pozitronová emisní tomografie (PET) a fMRI, jejichž přednosti zase doplňují MEG. Dalšími důležitými přednostmi MEG je to, že biosignály, které měří, nezávisí na geometrii hlavy tak jako EEG (pokud nejsou přítomny feromagnetické implantáty) a že je zcela neinvazivní, na rozdíl od PET a případně MRI/fMRI.

Skalpové EEG je citlivé na extracelulární objemové proudy produkované postsynaptickými potenciály, MEG detekuje především intracelulární proudy spojené s těmito synaptickými potenciály, protože složky pole generované objemovými proudy mají tendenci se ve sférickém objemovém vodiči rušit Rozpad magnetických polí v závislosti na vzdálenosti je výraznější než u elektrických polí. MEG je proto citlivější na povrchovou korovou aktivitu, což by mělo být užitečné pro studium neokortikální epilepsie. A konečně, MEG je bez reference, což je v protikladu ke skalpovému EEG, kde aktivní reference může vést k vážným obtížím při interpretaci dat.