新型脑磁图——即将登场的脑成像新星
2018/10/25王帆 中科院之声
记忆的原理是什么？情绪如何生成？各种精神疾病和脑疾病的病理学基础是什么？为了认识这些关于人脑运行机理，与我们自我意识密切相关的重大科学问题，科学家们先后研制出了脑电图、功能磁共振等技术来进脑科学研究。与它们相比，脑磁图(Magnetoencephalography，简称 MEG)通过测量脑内神经电活动在颅外产生的极其微弱磁场信号，能够以无创的方式，实时探测脑内神经活动过程。
脑磁图兼顾了高时间分辨率(<1ms)，和相对较高的空间分辨率(3-5mm)，可以在全脑范围无创地高准确率记录到通常只有有创方法(皮层脑电等)才能记录到的脑内神经电活动信息，提供了无创脑成像技术中最大的理论传输带宽，为研究大脑的工作原理提供了更丰富的信息，并且使其成为脑机接口和人工智能研究领域最有潜力的技术手段，在未来的脑机融合领域有着巨大的发展空间。
传统脑磁图的核心：超导磁量子探测器
传统脑磁图的核心是超灵敏的磁探测器，由于脑内神经电活动产生的颅外磁场非常微弱，只有50-500fT(飞特斯拉，10的负15次方)，只有地球磁场的一亿分之一以下，所以需要一种极其灵敏的磁探测器。
1962年，乔瑟芬(Josephson)预言并论证了超导电流可以以“弱连接”的方式穿透绝缘部分从一个超导体无衰减的到达另一个超导体，这一过程是具有超导性的库伯对的隧穿效应，这一效应最后被实验所证实并获得了1973年诺贝尔物理学奖。基于超导状态下的一对乔瑟芬结，超导磁量子探测器(Superconductor Quantum Interference Devices, SQUID)诞生了，并被用于包括脑磁图、探矿和反潜等一系列领域。
1986年，威廉·吉布森在其著名短篇小说《约翰尼的记忆》中，将其描述为一种可以从大脑记忆芯片中提取信息的“可怕”乌贼。
电影《黑客帝国》(1999年)中被具象化为电子乌贼的矩阵守卫，正是向这一经典形象的致敬。
“要说探测磁场，哪怕最低级的乌贼都比过去的磁力探测器强十亿倍，就跟在体育场的一片欢呼声中听清谁说的一句悄悄话似的。” ——威廉·吉布森《约翰尼的记忆》片段
从脑外无创地精确探测脑内神经电活动的过程，正如 “在体育场的一片欢呼声中听清谁说的一句悄悄话”一样困难。虽然得益于 SQUID 探测器，脑磁图技术得以诞生，但是在其50年的历史中，SQUID 本身的一系列固有问题又很大程度上限制了脑磁图技术的发展。
SQUID 需要运行在超低温下以大量液氦维持其超导状态，氦在地球上是一种稀缺的不可再生资源，在半导体、医学、国防等领域都有着重要的应用。目前随着全球性的氦气资源紧缺，液氦价格不断高涨，美国、日本等一些国家已经开始限制氦气在娱乐领域的应用，而我国的氦99%以上依赖进口。SQUID 脑磁图的运行需要消耗大量的液氦，成本极高，这在很大程度上限制了脑磁图的普及应用。
此外，SQUID 对外界的震动、电磁脉冲(EMP)等非常敏感且容易损坏(电影《黑客帝国》中使用 EMP 消灭电子乌贼)，需要严格屏蔽的工作环境和定期的升温维护，并更换损坏的探测器，设备维护成本也很高。由于 SQUID 的敏感性和对超低温的要求，传统脑磁图需要将探测器固定地布置在巨大的液氦杜瓦中，这使得脑磁图只能在静止状态下工作且无法有效适配不同大小的头部，尤其是儿童和青少年的使用受到很大限制，这进一步制约了脑磁图的应用范围。
原子磁力计，新的曙光
光泵原子磁力计是通过光束极化原子气体，利用原子自旋的磁效应实现对微弱磁场测量的技术。无自旋交换碰撞迟豫(SERF)原子磁力计是近年来获得飞速发展的新型光泵原子磁力计，通过消除自旋交换碰撞导致的原子系踪迟豫，SERF 磁力计在同样的物理条件下比传统的光泵磁力计灵敏度高两个数量级。
SERF 机制最早于1973年由普林斯顿大学 Happer 教授等人发现，2002年，普林斯顿大学 Romalis 教授领导的小组首次演示了基于SERF原理的原子磁力计，单通道灵敏度达到7fT/Hz-1/2，并在目前达到了 0.16fT/Hz-1/2，超过了最好的 SQUID 磁力计可以达到的水平(0.91fT/Hz-1/2)。目前，美国和中国在该领域的研究处于世界最高水平。原子磁力计可以在室温环境下工作，无需液氦冷却，体积小重量轻，并可通过半导体工艺实现低成本的大批量生产，为脑磁图领域带来了新的曙光。
基于原子磁力计的新型脑磁图
随着 SERF 原子磁力计系统的成熟和小型化，基于3D打印定制型头盔和光学高精度空间标定技术，英国诺丁汉大学 Sir Peter Mansfield 影像中心(2003年诺贝尔生理与医学奖，磁共振成像诞生地)在2017年首次实现了完全基于常温原子磁力计的脑磁图信号记录和空间溯源定位，并验证了可穿戴式脑磁图的可行性，这一工作在2018年发表于 Nature 杂志并引起广泛关注。相比使用 SQUID 探测器的传统设备，这一新型脑磁图有以下优点：
1. 探测器工作于接近室温状态，无需液氦或其他耗材，相比传统脑磁图每年几百万元的液氦消耗，使用成本几乎为零。
2. 探测器更靠近头皮表面，探测神经电活动的信噪比更高。
3. 探测器可以柔性、可穿戴布置，适用于从婴儿到成年人的全部人群，还可在运动状态下进行记录。
4. 设备体积更小，理论生产成本更低，可以在更小的磁屏蔽环境中使用，有利于应用普及。
这一工作也在神经科学和神经科临床领域引起了巨大的反响：
英国 Wellcome 基金会神经科学部主席 Andrew Welchman 教授评价：“这一技术让头部必须固定的传统扫描手段看起来就像是过时了的发型一样可笑。”
国际脑磁图协会轮值主席、费城儿童医院 Timothy Roberts 教授：“可穿戴式脑磁图在包括帕金森氏症，儿童自闭症等一系列神经疾病的早期诊断方面，有着巨大的应用前景。”
原子磁力计脑磁图作为新兴的脑成像技术，不仅有望大幅降低脑磁图的临床综合使用成本，从现在的10000元每小时降低2/3以上，从而更好地造福广大患者并为脑科学提供极具性价比的研究工具，还可为儿童、帕金森患者等提供传统技术无法提供的全脑高时空精度电活动诊断。
在这一新兴技术领域，我国起步时间较早，与国际先进水平差距不大甚至在部分指标上领先，有望成为我国在脑成像和高价值医学影像设备研发上的突破口。
此外，由于原子磁力计脑磁图在非侵入性脑机接口领域可提供最大的传输带宽，其理论精度可接近甚至超过皮层脑电等侵入性脑机接口技术，这一技术还可与经颅磁刺激(TMS)等神经干预的技术手段相结合，在脑机接口领域拥有很大的实用化前景，有望在未来的脑机融合领域发挥不可估量的作用。攻壳机动队和黑客帝国等科幻作品中的人脑直接连接电脑的场景，将来是否有可能借助原子磁力计脑磁图成为现实？随着探测器的小型化甚至芯片化，信号采集和处理技术的不断发展，也许可以。
《黑客帝国》
来源：中国科学院生物物理研究所
http://weixin.100md.com
返回 中科院之声 返回首页 返回百拇医药