Technologia nowej generacji przełomem w badaniach mózgu
Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (ang. transcranial magnetic stimulation, TMS) to nieinwazyjna metoda stymulacji komórek nerwowych za pomocą pól magnetycznych. Jest ona wykorzystywana zarówno w badaniach naukowych, jak i leczeniu zaburzeń psychicznych, w tym depresyjnych. Zaletą tej metody jest wysoka rozdzielczość przestrzenno-czasowa dzięki zastosowaniu bardzo silnego impulsu pola magnetycznego – dziesięć tysięcy razy silniejszego od pola magnetycznego Ziemi – w celu wywołania okresowego zakłócenia aktywności mózgu. Kolejną metodą jest magnetoencefalografia (MEG) – najbardziej precyzyjna technika pomiaru pól magnetycznych wytwarzanych przez aktywność elektryczną w mózgu. Do obrazowania MEG wykorzystywane są ultraczułe czujniki zdolne do wykrywania pól zazwyczaj o sile mniejszej niż setna milionowa część pola magnetycznego Ziemi. Niestety, mimo że badania połączeń funkcjonalnych między różnymi regionami mózgu skorzystałyby na połączeniu metod TMS i MEG, nie są one kompatybilne.
Połączenie możliwości TMS i MEG
Projekt STIMUSURE, realizowany przy wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA), został uruchomiony z myślą o przezwyciężeniu tego ograniczenia poprzez opracowanie pierwszego urządzenia łączącego metody TMS i MEG. „Pola magnetyczne generowane podczas stymulacji TMS zakłócają działanie ultraczułych czujników MEG, uniemożliwiając jednoczesne stosowanie obu technik”, wyjaśnia Lari Koponen, stypendysta MSCA. Wykorzystując najnowsze osiągnięcia w produkcji oprogramowania i sprzętu, zespół projektu STIMUSURE skonstruował innowacyjny czujnik, który wytrzymuje szczytowe wartości natężenia pola magnetycznego generowanego przez TMS, jednocześnie rejestrując słabe pola magnetyczne wytwarzane przez mózg. Czujnik działa na zasadzie pompowania optycznego – procesu, w którym do manipulowania właściwościami magnetycznymi atomów wykorzystywane jest światło. Metoda ta umożliwia mierzenie zmian wzorców absorpcji i emisji światła, które są proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego. Magnetometry pompowane optycznie (ang. optically pumped magnetometer, OPM) to czujniki idealne do mierzenia słabych pól magnetycznych, jak również na potrzeby zastosowań w dziedzinie biomagnetyzmu, takich jak pomiar pól magnetycznych wytwarzanych przez aktywność neuronalną mózgu lub aktywność elektryczną serca. Co ważne, czujniki tego typu mogą działać w temperaturze pokojowej. Czujnik opracowany w ramach projektu STIMUSURE został poddany walidacji technicznej polegającej na sprawdzeniu jego działania w warunkach impulsów TMS, co pozwoliło udowodnić, że jednoczesne zastosowanie metod MEG i TMS jest możliwe.
Osiągnięcia technologii
W ramach projektu powstał również pierwszy pompowany optycznie gradiometr magnetyczny przeznaczony do stosowania na ludziach. Jest to zaawansowany typ magnetometru umożliwiający pomiar gradientu pola magnetycznego, a nie tylko jego bezwzględnego natężenia. Ten gradiometr magnetyczny jest szczególnie użyteczny do wykrywania niewielkich zmian pola magnetycznego w przestrzeni, co może dostarczyć bardziej szczegółowych informacji na temat źródła pola, na przykład w przypadku aktywności neuronalnej w mózgu lub aktywności elektrycznej serca. Co ważne, uczonym udało się również wykazać, że zmniejsza on zakłócenia wewnątrz czujnika.
Plany na przyszłość
Mimo że projekt STIMUSURE nie uzyskał finansowania na dalsze prace mające na celu przekształcenie czujnika z wersji potwierdzającej słuszność koncepcji w narzędzie klasy badawczej, postępy osiągnięte w ramach projektu otwierają drogę do przyszłych badań. „Postępy w dziedzinie technologii czujników i możliwość tworzenia modeli obliczeniowych stanowią doskonały punkt wyjścia do pokonania pozostałych wyzwań technicznych”, podkreśla Koponen. Przyszłe wysiłki będą musiały koncentrować się na doskonaleniu sprzętu TMS i zdobyciu niezbędnego wsparcia, potrzebnego do wprowadzenia tych innowacji do praktycznego zastosowania. Wykazanie skuteczności połączenia metod TMS i MEG stanowi ważny krok w kierunku bardziej precyzyjnego czynnościowego obrazowania mózgu i głębszego zrozumienia jego sieci połączeń.
Słowa kluczowe
STIMUSURE, mózg, czujnik, TMS, MEG, przezczaszkowa stymulacja magnetyczna, magnetoencefalografia
