بهبود اندازه‌گیری‌های مکانی-زمانی میدان‌های بصری برانگیخته با استفاده از مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری

خلاصه

پیشرفت‌های اخیر در عملکرد و کاربردی مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری (OPMs) قابلیت‌های جدیدی را در نقشه‌برداری غیرتهاجمی عملکرد مغز از طریق مگنتوآنسفالوگرافی فعال کرده است. به طور خاص، فقدان شرایط عملیاتی برودتی امکان قرار دادن انعطاف‌پذیرتر سر حسگرها را در نزدیکی مغز فراهم می‌کند که منجر به بهبود وضوح فضایی و قابلیت‌های محلی‌سازی منبع می‌شود. از طریق ضبط میدان‌های مغزی برانگیخته بصری (VEF)، نشان می‌دهیم که نزدیکی حسگر می‌تواند برای بهبود وضوح زمانی مورد سوء استفاده قرار گیرد. ما از OPM ها و دستگاه های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) برای مرجع برای اندازه گیری پاسخ مغز به محرک های فلاش و معکوس الگو استفاده می کنیم. ما سیگنال‌های بسیار تکرارپذیر را با سازگاری در بین شرکت‌کنندگان متعدد، الگوهای محرک و روش‌های حسگر پیدا می‌کنیم. مزیت وضوح زمانی OPM ها در مقایسه با SQUID ها در بهبود دو برابری آشکار می شود. قابلیت ردیابی سیگنال مکانی-زمانی بهبودیافته با ضبط برداری همزمان VEFها در قشر بینایی اولیه و انجمنی نشان داده شده است، جایی که یک تاخیر زمانی در حد 10-20 میلی ثانیه به طور مداوم یافت می شود. این امر راه را برای مطالعات فضایی-زمانی بیشتر ردیابی سیگنال عصبی فیزیولوژیکی در پردازش محرک بینایی و سایر پاسخ‌های مغزی، با پیامدهای بالقوه گسترده برای نقشه‌برداری زمان حیاتی عملکرد در مغزهای سالم و آسیب‌شناس هموار می‌کند.

معرفی

در طول قرن گذشته، پیشرفت‌های برجسته در فیزیک پزشکی منجر به توسعه تکنیک‌های تصویربرداری عصبی عملکردی غیرتهاجمی شده است1،2،3. این بینش های قابل توجهی در مورد عملکرد مغز و اتصال ارائه کرده است. پیشرفت‌های مهم در تکنیک‌های تصویربرداری عصبی مدرن امکان بررسی الگوهای عصبی مرتبط با تحریک‌های خاص را فراهم کرده است و اطلاعاتی درباره ویژگی‌های مکانی و زمانی سیگنال ارائه می‌دهد. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که تجزیه و تحلیل مکانی-زمانی سیگنال‌های مغز نه تنها برای درک مکانیسم‌های اساسی مدارهای مغز ضروری است، بلکه نشانگرهای زیستی قابل اعتمادی را برای تمایز فعالیت فیزیولوژیکی و پاتولوژیک مغز در بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی فراهم می‌کند. حتی امکان پیش‌بینی پیشرفت بالینی یا پاسخ‌های درمانی وجود دارد. با این حال، تحقق دامنه کامل محلی‌سازی زمانی و مکانی سیگنال‌های مغزی با وضوح ذاتاً پایین مکانی-زمانی روش‌های موجود در حال حاضر مختل می‌شود.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی قادر به نقشه برداری از مناطق فعال مغز با وضوح فضایی بالا است، اما تنها وضوح زمانی پایین ([خطای پردازش ریاضی]) را ارائه می دهد، زیرا تغییرات اندازه گیری شده محلی در جریان خون با فعالیت عصبی هماهنگ نیست. الکتروانسفالوگرافی (EEG) یک روش تصویربرداری عصبی بلادرنگ، با قابلیت محلی‌سازی منبع محدود و وضوح فضایی ([خطای پردازش ریاضی]) است.

Magnetoencephalography (MEG) یک روش بلادرنگ جایگزین با وضوح فضایی بهبود یافته از لحاظ نظری ممکن است، قادر به اندازه‌گیری پتانسیل‌های پس سیناپسی سلول‌های هرمی مماسی در سطح پوست سر است. تحقیقات اخیر نشان داده است که MEG می‌تواند برای ارزیابی سیگنال‌های غیرطبیعی قشر مغز در بیماران مبتلا به بیماری آلزایمر، بیماری پارکینسون، اختلال طیف اوتیسم، و در موارد شدید اختلال استرس پس از سانحه مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، MEG از نسبت سیگنال به نویز پایین (SnR) رنج می‌برد و استفاده از آن به اتاق‌های دارای محافظ مغناطیسی (MSRs) محدود می‌شود. محیط‌های محافظ مغناطیسی برای فرونشاندن نویزهای مغناطیسی محیطی استفاده می‌شوند، که اغلب مرتبه‌های بزرگ‌تر از میدان‌های عصبی مغناطیسی (محدوده fT تا pT) هستند.

به طور سنتی، MEG برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی مغز به آرایه‌ای از دستگاه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) متکی است.

با تثبیت آرایه حسگر در داخل یک دیوار برودتی مورد نیاز، مکان‌های حسگرهای جداگانه باید به گونه‌ای مرتب شوند که اکثریت قریب به اتفاق اندازه‌ها و شکل‌های هد را مطابقت دهد. موقعیت های ثابت منجر به انحراف شعاعی مختلف از سر سوژه می شود. همراه با حرکات کوچک سر از سوژه در طول اندازه‌گیری، موقعیت‌های آفست و ثابت تأثیر عمده‌ای بر تشخیص فعالیت بالقوه قشر مغز دارند. به طور خاص، دقت نظری قابل دستیابی محلی سازی منبع سیگنال از بین می رود. این امر باعث می شود SQUID-MEG در بسیاری از موارد، به ویژه در زمینه بالینی، غیر عملی باشد.

مغناطیس‌سنج‌های پمپ‌شده نوری (OPM) بدون تبادل اسپین بسیار حساس (SERF) که در آغاز هزاره ۲۰ ساخته شدند، می‌توانند به غلبه بر وضوح فضایی محدود SQUID-MEG کمک کنند. OPM-MEG با قابلیت ثابت شدن روی سر سوژه 22، فاصله افست کمتر از SQUIDS و توانایی اندازه گیری دو محوره همزمان، OPM-MEG مزایای متعددی نسبت به SQUID-MEG دارد، از جمله مناسب بودن آن برای کاربردها در جمعیت های کودکان و بالینی.

هدف از این مطالعه نشان دادن توانایی بهبود یافته OPM-MEG با ثبت ویژگی های مکانی-زمانی سیگنال های عصبی فیزیولوژیکی و مقایسه آنها با SQUID-MEG معمولی بود. به‌عنوان یک مورد آزمایشی اولیه، ما پاسخ‌های قشر بینایی را برای تحریک‌های بینایی استاندارد تعیین کرده‌ایم، با پاسخ‌های اندازه‌گیری شده در زمینه‌ای که به خوبی مشخص شده است. ما دریافتیم که OPM-MEG در ردیابی سیگنال مغز در فضا و زمان نسبت به SQUID-MEG برتری دارد و روشی مناسب برای ارائه اطلاعات جدید در مورد انتشار سیگنال‌ها، مکان‌یابی منبع، سرعت عصبی و مدارهای مغزی بسیار فراتر از پردازش محرک‌های بصری است.