Os pesquisadores do Sandia National Laboratories querem usar pequenos sensores magnéticos para obter imagens do cérebro de uma forma que seja mais simples e menos cara do que o sistema de magnetoencefalografia usado agora.

A magnetoencefalografia é uma forma não invasiva de medir minúsculos campos magnéticos produzidos pela atividade elétrica do cérebro. As medições, capaz de capturar a atividade em um milésimo de segundo, ajudam a identificar como partes do cérebro funcionam e podem localizar fontes de epilepsia e outras anomalias.

O estado da arte é uma série de centenas de sensores magnéticos colocados ao redor da cabeça para gerar imagens do cérebro, respondendo a pequenas mudanças em seus campos magnéticos - sensores chamados magnetômetros SQUID, para magnetômetros supercondutores de dispositivos de interferência quântica. Esses sistemas requerem blindagem magnética para uma sala inteira e usam hélio líquido, um criogênio que opera a 4 graus acima do zero absoluto. Esses requisitos caros limitam a acessibilidade.

Sandia está desenvolvendo um magnetômetro com bomba ótica, ou OPM, conjunto de sensores que se encaixa na cabeça e é alojado dentro de um escudo de tamanho humano semelhante a um tubo de ressonância magnética. Evita a necessidade de temperaturas criogênicas ou uma sala blindada, portanto, seria mais fácil e barato de usar.

Isso tornaria a magnetoencefalografia mais útil para a neurologia no diagnóstico e estudo das condições do cérebro e para as ciências cognitivas, incluindo pesquisas emergentes sobre transtorno de estresse pós-traumático e lesão cerebral traumática, disse o investigador principal do projeto, Peter Schwindt, e o ex-gerente do Sandia, Rob Boye.

"Quem não está interessado em ciência do cérebro?" Disse Schwindt. "É uma coisa fascinante."

A equipe Sandia publicou um artigo em novembro em Física em Medicina e Biologia que demonstra que o sistema de Sandia pode detectar sinais do cérebro. A equipe publicou um artigo no ano passado em Optics Express descrevendo seu sensor OPM.

Sistema de demonstração desenvolvido durante projeto de quatro anos

Durante um projeto de quatro anos financiado pelo National Institutes of Health, Sandia construiu um protótipo de sistema de magnetoencefalografia com a matriz OPM colocada dentro de um escudo magnético do tamanho de uma pessoa. O OPM é um sensor quântico que inclui uma pequena célula de vidro contendo um gás de átomos de rubídio, uma bomba de laser para definir o estado de átomos individuais no gás e uma sonda de laser para ler a mudança de estado dos átomos. A mudança no estado depende da força do campo magnético do cérebro detectado pela matriz.

O sistema de demonstração contou com 20 canais de magnetômetro em cinco sensores cobrindo menos de um quarto do crânio de um adulto. A equipe deseja obter mais imagens do cérebro no futuro, desenvolvendo uma matriz que cubra toda a cabeça, como os sistemas SQUID de hoje.

Sandia comparou suas descobertas com as de um sistema SQUID comercial, usando testes de neurologia que produzem resultados bem compreendidos. Um teste soa um tom de quarto de segundo em ambos os ouvidos, produzindo um pico no córtex auditivo. Outro teste, um estímulo nervoso, causa uma contração do polegar, resultando em uma resposta no córtex somatossensorial. Ambas as respostas são prontamente observadas com o sistema de Sandia, e a equipe usa ambas as respostas para caracterizar e refinar seu sistema.

"Em essência, você pode pensar nos átomos como pequenos piões, "Boye disse." Quando há um campo magnético presente, vai fazer os topos girarem. O laser da sonda pode detectar essa rotação. Em seu cérebro, quando um monte de neurônios disparam, há um pouco de corrente elétrica. A corrente dá origem a um campo magnético, portanto, é o fluxo de cargas em seus neurônios que dá origem aos campos magnéticos detectados pelo OPM. "

Matrizes SQUID comerciais usam capacetes fixos, com uma distância da cabeça ao sensor de pelo menos 2 centímetros (cerca de 0,78 polegada), e 10 cm (3,9 polegadas) ou mais para crianças, Disse Schwindt. Como a matriz de Sandia está em conformidade com a cabeça, a distância da cabeça ao sensor é mais curta e constante. A equipe quer reduzir sua distância atual de 1,2 cm (0,47 polegadas) para 0,5-0,7 cm (cerca de 0,2-0,27 polegadas), uma vez que a qualidade dos sinais do cérebro diminui rapidamente com a distância, Disse Schwindt.

Tornando a magnetoencefalografia mais disponível

Dr. Bruce Fisch, professor emérito do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Novo México e ex-diretor do programa de magnetoencefalografia clínica da UNM, disse que o trabalho de Sandia poderia tornar a magnetoencefalografia mais amplamente disponível. Fisch, quem consultou sobre o projeto, disse na avaliação de pacientes com epilepsia para cirurgia destinada a parar as convulsões, é importante localizar a fonte dos sinais cerebrais com mais precisão do que possível com a ressonância magnética mais familiar. UNM usa o sistema SQUID na Rede de Pesquisa da Mente para realizar varreduras de magnetoencefalografia clínica, Fisch disse.

Schwindt disse que é muito cedo para estimar quanto custaria um sistema baseado em OPM. Dependendo de fatores como dispositivos auxiliares, um abrangente sistema de magnetoencefalografia baseado em SQUID pode custar de $ 1,8 milhões a $ 4 milhões, incluindo uma sala protegida magneticamente, disse Miikka Putaala, diretor de magnetoencefalografia de linha de negócios da Elekta Neuroscience da Finlândia, o que torna esses sistemas.

O próximo passo é mostrar que o sistema não pode apenas detectar sinais do cérebro, mas também identificar onde os sinais se originam. Ações como pensar ou contrair um músculo criam campos magnéticos no cérebro, mas eles são difíceis de isolar.

"Só porque você pode detectar um campo magnético, não significa que você sabe de onde ele vem, "Boye disse.

A matriz OPM é colocada em diferentes partes da cabeça para focar a matriz em áreas específicas do cérebro. Os operadores combinam informações para localizar a fonte do campo magnético e descobrir onde o cérebro está ativo.

A equipe de Sandia está usando os sinais medidos para localizar fontes no cérebro. A equipe está trabalhando para melhorar a calibração imperfeita de sensores e o conhecimento da matriz OPM em relação à posição do cérebro para continuar a melhorar a precisão da localização da atividade cerebral.

Ajustar a matriz mais próximo ao couro cabeludo pode melhorar a precisão da localização e distinguir entre fontes neuronais próximas. Uma matriz de melhor ajuste também pode detectar atividades que não podem ser detectadas agora.

"Em particular, isso pode ser muito interessante para estudos pediátricos e infantis sobre o desenvolvimento do cérebro, "Disse Schwindt." Quanto mais perto você chega, mais fidelidade espacial você terá. "