移动的神经磁场测量 采用OPM脑磁图测量站立、移动者的神经活动
大家好，这里是 “茗创科技” 。茗创科技专注于脑科学数据处理，涵盖（EEG/ERP, fMRI,结构像,DTI,ASL, ,FNIRS）等，欢迎留言讨论及转发推荐，也欢迎了解茗创科技的脑电课程，数据处理服务及脑科学工作站销售业务，可添加我们的工程师（微信号MCKJ-zhouyi或17373158786）咨询.
OPM-MEG（基于光泵磁力仪的脑磁图）：一个可穿戴的脑扫描仪，最初由英国诺丁汉大学的Matthew Brookes博士于2018年发表在《Nature》杂志上。OPM-MEG（简称OP-MEG）可用于测量参与者在磁屏蔽室内移动时的神经磁场。在先前的OP-MEG研究中，头部在静坐状态下的移动幅度高达20cm，旋转角度约为30°。虽然这相对于传统的脑磁图设备（静止的MEG系统：参与者相对于固定好的传感器阵列必须保持静止）有了非常大的改进，但自然的头部运动仍可能会受到限制，尤其是当参与者站起来时。
| 研究小贴士研究目的：进一步提高OP-MEG的运动极限实验工具：OPM-MEG实验范式：听觉诱发磁场（AEFs）实验条件：使用90通道（45个传感器）全头部OP-MEG系统和同步运动捕捉，记录了参与者在以下情况下的听觉诱发场：（1）静坐，（2）站立和静止，以及（3）站立并在整个记录过程中连续进行大幅度自然头部运动--最大平移120 cm，最大旋转角度198°。研究结果：使用波束形成器时，M100事件相关场定位于初级听觉区域。此外，听觉皮层的事件相关场在三种情况下显著一致。研究结论：这表明，当前的OP-MEG系统可以进行大范围的运动。这使得对包括婴儿在内的许多群体的研究更能突破人群和场合的限制，适用范围更广。研究意义：本研究不仅促进了神经科学的发展与进步，而且本研究结果为希望将站立时的大幅度自然运动纳入神经成像模式中的实验者开辟了新的途径，同时有助于与物体的自然交互研究、虚拟现实研究，以及亲子互动等社会神经科学的研究。 |
脑磁图（MEG）是一种非侵入性的神经成像技术，可测量脑外部的小磁场，该磁场源于流经大脑的电流。MEG数据具有非常高的时间分辨率，能够以毫秒级的时间尺度描述诱发反应和神经元振荡的特征。与脑电图测量的电位不同，磁场在很大程度上不受头皮组织电导率信号失真的影响。
新一代的可穿戴式MEG传感器称为光泵磁力仪（OPM），可测量脑外部小磁场，与SQUID系统（超导量子干涉器件）具有类似的灵敏度（7-15 ft/Hz，1-100 Hz），关键是不需要低温冷却。这意味着传感器可以放置在更靠近头皮的位置，从而使信号幅度比传统的SQUID系统增加多达五倍。OPMs相对于SQUID的另一个优势是，传感器可以独立放置在头皮表面，而不是固定在传感器阵列中。因此，传感器的准确位置可以根据参与者进行定制，而不是针对特定的头部形状和大小进行固定。由于传感器可以随头部移动，因此可以在参与者移动期间收集数据，并且对记录时间的限制最小化，这将大大提高MEG作为临床工具和基础神经科学研究的效用。神经科学研究已经证明OP-MEG能够在静坐中检测自然头部运动的同时检测神经磁场。例如，Boto等人的研究显示，在手指外展范式中，当进行自然头部运动（包括喝茶）时（伴随着±10cm的最大头部位移），会显示出β带功率的调节。Holmes等人在头部平移±9.7cm和旋转±34°的过程中检测到视觉诱发场。而本研究试图进一步提高OP-MEG的运动极限，以确定当参与者站立并进行非常大的头部连续旋转和平移时，测量神经磁场技术的可行性。如果OP-MEG在参与者站立和持续头部运动的情况下是可行的，那么它将为一系列自然情景MEG范式提供机会。本研究的实验范式很简单：使用听觉诱发磁场（AEFs）。AEFs通常用于测量MEG的基准点。AEFs也是一种低频现象（1-40 Hz），在频域中与运动伪影重叠（<10 Hz）。因此，本研究中，参与者站立和移动时，AEFs的测量代表了时空干扰抑制技术的理想测试示例。
实验装置图。在磁屏蔽室内，OPM传感器固定在3D打印扫描仪中，扫描仪上的电缆固定在背包中。（B）参与者1的传感器位置，绘制在3D网格上，该网格源自参与者的正面结构MRI扫描。敏感轴用蓝线表示。（C）用于描述刚体平移和旋转的六个自由角度。
直方图。显示了连续刚体数据在每个角度上（左右、上下、前后）的运动范围。该图的颜色与实验装置图中C相匹配。
因为MSR内的残余场梯度通常在房间中心的位置更陡，加剧了低频运动相关的伪影，所以能够成功地测量站立和移动参与者的神经活动是一个重要的技术里程碑。在本研究中，原始数据包含两名参与者在站立和移动时的场变化，每个试次约650 pT。研究者采取了很多步骤以减少这些伪影所带来的影响。如使用带有消磁线圈的MSR减小残余场。第二代具有板载线圈的OPM传感器用于消除OPM单元内的静电场。此外，还采用了一系列离线干扰抑制技术。接下来，研究者使用2 Hz高通滤波器来减弱数据中的低频漂移，这些低频漂移已知与运动相关的伪影有很大的重叠。最后，干扰抑制步骤中，研究者使用LCMV波束形成器进行源定位，通过空间滤波减少数据中非神经信号的影响。通过这些步骤，减少了与运动相关的伪影，而且无论参与者是在坐着不动、站着不动还是站着移动头部的条件下，都测量到了一致的、可解释的AEF波形（见下图）。
如果MSR内的残余场可以保持尽可能低，并且OPM传感器可以保持在其动态范围内，那么在未来的实验中，可能有更大的头部平移或旋转角。然而，需要注意的是，当前OP-MEG技术出现的移动范围不是无限的。
本研究的结果表明，OP-MEG神经磁学测量目前在那些不能保持静止状态下完成实验的参与者中是可行的，例如幼儿群体等。这将促进神经科学的发展与进步，并增加我们对自闭症谱系障碍等病症的理解。而且从神经科学的角度来看，本研究结果为希望将站立时的大幅度自然运动纳入神经成像模式中的实验者开辟了新的途径，同时还以高时间和空间分辨率测量大脑磁场。这也有助于与物体的自然交互研究、虚拟现实研究，以及亲子互动等社会神经科学的研究。