Uusi aivokuvantamislaite mukautuu pään kokoon – signaalit voidaan mitata lähes yhtä tarkasti kallon päältä kuin sen sisäpuolelta

Aalto-yliopiston tutkijat kehittävät aivokuvantamislaitetta, jossa hyödynnetään uudenlaisia, pään pinnalle asetettavia magneettikenttäantureita. Anturien etäisyys aivojen pinnasta on vain noin puolet siitä, mitä se on nykyisissä magnetoenkefalografia- eli MEG-laitteissa. Lapsia tutkittaessa etäisyys pienenee vielä huomattavasti tätä enemmän.

”Nykyisissä kaupallisissa MEG-laitteissa anturisto ei mukaudu kuvattavan henkilön pään muotoon, vaan samaa suurikokoista anturikypärää käytetään sekä aikuisille että vastasyntyneille. Kun etäisyys aivojen pinnasta lähimpään anturiin on useita senttimetrejä, magneettikenttä vaimenee ja samalla tarkkuus aivojen aktivaatioiden paikantamisessa heikkenee”, kertoo professori Lauri Parkkonen ja jatkaa:

”Uudenlaiset anturit ovat pieniä, toimivat huoneenlämmössä ja ne voidaan asettaa suoraan koehenkilön tai potilaan pään pinnalle. Mittaustulosten tarkkuus lähestyy kallon sisäpuolelta tehtyjen mittauksien tarkkuutta.”

Mukana miljardihankkeessa

MEG:n avulla tutkijat mittaavat aivojen sähköisen toiminnan synnyttämiä magneettikenttiä. Näin he voivat pään ulkopuolelta tehtävillä mittauksilla selvittää, mitkä aivoalueet ovat aktiivisia eli missä tapahtuu vilkasta viestintää hermosolujen välillä.

Nykyisissä MEG-laitteissa käytetään suprajohtavuuteen perustuvia antureita, jotka edellyttävät toimiakseen erittäin matalia lämpötiloja. Laitteissa oleva nestemäinen helium pitää anturit kylminä, ja laitteet ovat tämän vuoksi suurikokoisia ja kalliita. Aalto-yliopiston tutkijoiden käyttämät magneettikenttäanturit perustuvat suprajohtavuuden sijaan kvanttioptiikkaan, ja niissä magneettikenttään reagoiva kaasu on lähes huoneenlämmössä.

Tuoreessa tutkimuksessaan Parkkonen ryhmineen vertasi pään pinnalle tulevaa magneettikenttäanturistoa tällä hetkellä käytössä olevan MEG-laitteen suprajohtaviin antureihin. Tutkimus toteutettiin näyttämällä koehenkilöille näköaivokuorta aktivoivia kuvia ja mittaamalla aivojen reaktiot kummallakin menetelmällä. Pään pinnalle asetetuilla antureilla mitatut aivosignaalit olivat suurempia ja keskimäärin parempilaatuisia, mikä johtui pienemmästä mittausetäisyydestä. Tutkimus myös osoitti, että uudet anturit pystyvät kuvantamaan aktivoituneen aivoalueen luotettavasti.

”Uudella anturistolla pystyttiin mittaamaan paremmin korkeataajuisia aivovasteita, jotka heijastelevat paikallista aktiivisuutta aivoissa”, sanoo tohtorikoulutettava Rasmus Zetter.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa hyödynnettiin myös ryhmän aikaisempia tutkimuksia. Niissä on muun muassa arvioitu tarkkojen tietokonemallien avulla, miten aivosignaalien voimakkuudet vaihtelevat eri mittausmenetelmillä. Ryhmä on myös kehittänyt kohdennusmenetelmän, jonka avulla antureiden sijainti suhteessa päähän ja aivoihin saadaan selvitettyä tarkasti.

”Pienemmän mittausetäisyyden ansiosta aivoalueet voidaan paikantaa ja erotella paremmin, kun antureita on tarpeeksi ja niiden paikat suhteessa aivoihin tiedetään tarkasti”, kertoo tohtorikoulutettava Joonas Iivanainen.

Tutkimus on pääosin Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) rahoittama. Parkkosen ryhmä on myös mukana Euroopan unionin Quantum Flagship -miljardihankkeen macQsimal-projektissa, jossa antureita kehitetään edelleen.

”Toistaiseksi anturit eivät ole vielä riittävän stabiileja ja herkkiä. Ne myös häiritsevät toisiaan, jos ne ovat liian lähekkäin. Lisäksi anturit valmistetaan käsityönä, mikä on kallista”, kertoo Parkkonen.

Parkkonen on kuitenkin luottavainen, koska teknologia kehittyy valtavaa vauhtia.

”Osan päästä kattavia MEG-mittauslaitteita voi valmistua jo melko pian. Koko pään kattava laite, jonka sadat magneettikenttäanturit toimivat luotettavasti, saadaan valmiiksi vasta vuosien kuluttua.”

Tällä hetkellä MEG-mittauslaitteita hyödynnetään erityisesti aivotutkimuksessa. Uusista mittauslaitteista voi olla hyötyä erityisesti epilepsian hoidon suunnittelussa. Uudet magneettikenttäanturit voivat parantaa aivojen epileptisten alueiden paikannusta ennen leikkausta.

”Uuden anturijärjestelmän avulla voidaan tarkemmin nähdä, mistä kohtaa aivoja epileptiset purkaukset saavat alkunsa ja minkälainen epileptinen aivoalueiden verkosto on syntynyt”, Parkkonen sanoo.

Lisätietoa:

Artikkeli: Potential of on‐scalp MEG: Robust detection of human visual gamma‐band responses https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.24795

Erittäin herkkää anturiteknologiaa kehittävä macQsimal-projekti: Miniature Atomic Vapor-Cells Quantum Devices for Sensing and Metrology Applications https://www.macqsimal.eu/

Aikaisempia artikkeleita:

Simulaatio signaalin ja kohinan suhteesta ja paikannustarkkuudesta https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2016.12.048

Kohdennussimulaatio antureiden paikoista https://doi.org/10.1007/s10548-018-0656-5

Kohdennuksen toteuttaminen optisella 3D-skannerilla https://doi.org/10.1038/s41598-019-41763-4

On-scalp MEG-järjestelmän yleinen tekninen kuvaus sekä kuvaus aktiivisen häiriösuojauksen toteuttamisesta https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.03.022