DOI: https://doi.org/10.1038/s41398-024-03047-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39181883
تاريخ النشر: 2024-08-24
المؤلف: Marion Brickwedde وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الفيزياء الذرية ودون الذرية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدم في التصوير المغناطيسي للدماغ (MEG)، مع التركيز بشكل خاص على الانتقال من أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs) إلى المغناطيسات المضخمة ضوئيًا (OPMs). تقدم أنظمة OPM-MEG مزايا كبيرة، بما في ذلك تحسين قياس الإشارات العصبية وانخفاض التكاليف التشغيلية، مما يجعلها أدوات واعدة لعلم الأعصاب السريري والتشخيص. يناقش المؤلفون الميزات التكنولوجية لـ OPMs، مقارنين أدائها مع SQUID-MEG التقليدية والتخطيط الكهربائي للدماغ (EEG)، ويسلطون الضوء على الدراسات الرائدة التي أجريت باستخدام OPMs في السكان الأصحاء.
تؤكد المراجعة على التطبيقات الرئيسية لـ OPM-MEG في فهم الاضطرابات النفسية والعصبية، مقترحة استخدامها لتحديد العلامات الحيوية وعيوب الدوائر في حالات مثل الفصام، والخرف، واضطرابات الحركة، والصرع، ومتلازمات النمو العصبي مثل اضطراب طيف التوحد واضطراب نقص الانتباه مع فرط النشاط. تختتم القسم بمناقشة الإمكانيات المستقبلية لـ OPM-MEG في علم الأعصاب الانتقالي، مع معالجة التحديات المنهجية والتقنية التي لا تزال بحاجة إلى التغلب عليها.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة للعلامات الحيوية وفهم الآليات المرضية في الطب النفسي وعلم الأعصاب، مع التأكيد على دور تقنيات التصوير غير الغازية. بينما تُستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي والوظيفي (MRI/fMRI) على نطاق واسع بسبب دقتها العالية في تحديد المواقع، إلا أنها تواجه قيودًا مثل القياس الفسيولوجي غير المباشر والدقة الزمنية المنخفضة، وهو ما لا يكفي لالتقاط الديناميات السريعة للشبكات الدماغية الكبيرة المعنية بالعمليات المعرفية. بالمقابل، يوفر التصوير المغناطيسي للدماغ (MEG) والتخطيط الكهربائي للدماغ (EEG) دقة زمنية متفوقة، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتحديد النشاط العصبي المرتبط بالوظائف الحسية والمعرفية.
يناقش النص أيضًا مزايا MEG مقارنةً بـ EEG، خاصة من حيث دقة تحديد مواقع مولدات الإشارات العصبية. على الرغم من تطبيقاتها الواعدة في دراسة الاضطرابات النفسية والعصبية، فإن استخدام أنظمة MEG التقليدية القائمة على أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUID) مقيد بتكاليف عالية، وتحديات الصيانة، وقيود في استيعاب حركات الرأس، خاصة في الفئات السكانية الأطفال. تقدم تقنية MEG القائمة على المغناطيسات المضخمة ضوئيًا (OPM) حلاً محتملاً لهذه القضايا، مما يمهد الطريق لتعزيز قدرات البحث في كل من السياقات الأساسية والانتقالية. تهدف الورقة إلى مراجعة الحالة الحالية لتقنية OPM-MEG وتطبيقاتها في تحديد العلامات الحيوية وعيوب الدوائر عبر حالات نفسية وعصبية متنوعة، بما في ذلك الفصام، واضطرابات الحركة، والخرف، والصرع، ومتلازمات النمو العصبي.
مناقشة
تسلط المناقشة حول المغناطيسات المضخمة ضوئيًا (OPMs) الضوء على مزاياها الكبيرة مقارنةً بأنظمة SQUID-MEG وEEG التقليدية في التصوير العصبي غير الغازي. تستخدم OPMs خلايا بخار الغاز القلوي وضوء الليزر المستقطب دائريًا لتحقيق الضخ الضوئي، مما ينسق دوران الذرات ويسمح بإجراء قياسات حساسة لنشاط الدماغ. على عكس أنظمة SQUID-MEG، لا تتطلب OPMs تبريدًا بالنيتروجين السائل، مما يسمح بتصميمات حساسات مدمجة يمكن ترتيبها بمرونة على فروة الرأس، وبالتالي التغلب على قيود الحركة وتحسين التقاط الإشارات من المصادر القشرية. تشير الأدلة التجريبية إلى أن أنظمة OPM-MEG يمكن أن تحقق نسب إشارة إلى ضوضاء (SNRs) متفوقة مقارنةً بـ EEG ونسب SNRs قابلة للمقارنة أو حتى متفوقة على SQUID-MEG في ظروف متنوعة، بما في ذلك المهام السمعية والبصرية.
علاوة على ذلك، تقدم تقنية OPM-MEG تطبيقات واعدة في علم الأعصاب الانتقالي، خاصةً لحالات مثل الفصام، ومرض الزهايمر، واضطرابات الحركة، والاضطرابات النمائية العصبية. تسهل مرونة وتكيف حساسات OPM قياس الهياكل الدماغية العميقة وتعزز تقييم التذبذبات العصبية، والتي تعتبر حاسمة لفهم الفيزيولوجيا المرضية الأساسية لهذه الاضطرابات. على سبيل المثال، أظهرت OPM-MEG إمكانيات في اكتشاف التذبذبات العصبية المتغيرة في الفصام ومرض الزهايمر، بالإضافة إلى تحسين تقييم الصرع من خلال تمكين تحديد موثوق لمواقع النوبات دون إجراءات غازية. بشكل عام، تمثل OPM-MEG تقدمًا كبيرًا في تقنية التصوير العصبي، مع إمكانية تعزيز البحث والممارسات السريرية في حالات عصبية ونفسية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41398-024-03047-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39181883
Publication Date: 2024-08-24
Author(s): Marion Brickwedde et al.
Primary Topic: Atomic and Subatomic Physics Research
Overview
This section provides an overview of the advancements in magnetoencephalography (MEG), particularly focusing on the transition from superconducting quantum interference devices (SQUIDs) to optically pumped magnetometers (OPMs). OPM-MEG systems present significant advantages, including enhanced measurement of neuronal signals and lower operational costs, making them promising tools for clinical neuroscience and diagnostics. The authors discuss the technological features of OPMs, comparing their performance to traditional SQUID-MEG and electroencephalography (EEG), and highlight pioneering studies conducted with OPMs in healthy populations.
The review emphasizes key applications of OPM-MEG in understanding psychiatric and neurological disorders, proposing its use for identifying biomarkers and circuit deficits in conditions such as schizophrenia, dementias, movement disorders, epilepsy, and neurodevelopmental syndromes like autism spectrum disorder and attention deficit hyperactivity disorder. The section concludes with a discussion of the future potential of OPM-MEG in translational neuroscience, addressing the methodological and technical challenges that remain to be overcome.
Introduction
The introduction highlights the critical need for biomarkers and understanding pathophysiological mechanisms in psychiatry and neurology, emphasizing the role of non-invasive imaging techniques. While structural and functional Magnetic Resonance Imaging (MRI/fMRI) are widely used due to their high spatial resolution, they face limitations such as indirect physiological measurement and low temporal resolution, which is insufficient for capturing the rapid dynamics of large-scale brain networks involved in cognitive processes. In contrast, magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) offer superior temporal resolution, making them more suitable for identifying neural activity related to sensory and cognitive functions.
The text further discusses the advantages of MEG over EEG, particularly in terms of localization accuracy of neuronal signal generators. Despite its promising applications in studying psychiatric and neurological disorders, the use of traditional superconducting quantum interference device (SQUID) MEG systems is constrained by high costs, maintenance challenges, and limitations in accommodating head movements, particularly in pediatric populations. The introduction of optically pumped magnetometer (OPM) MEG technology presents a potential solution to these issues, paving the way for enhanced research capabilities in both basic and translational contexts. The paper aims to review the current state of OPM-MEG technology and its applications in identifying biomarkers and circuit deficits across various psychiatric and neurological conditions, including schizophrenia, movement disorders, dementias, epilepsy, and neurodevelopmental syndromes.
Discussion
The discussion on optically pumped magnetometers (OPMs) highlights their significant advantages over traditional SQUID-MEG and EEG systems in non-invasive neuroimaging. OPMs utilize alkali gas vapor cells and circularly polarized laser light to achieve optical pumping, aligning atomic spins and enabling sensitive measurements of brain activity. Unlike SQUID-MEG systems, OPMs do not require cryogenic cooling, allowing for compact sensor designs that can be flexibly arranged on the scalp, thus overcoming movement restrictions and improving signal capture from cortical sources. Empirical evidence suggests that OPM-MEG systems can achieve superior signal-to-noise ratios (SNRs) compared to EEG and comparable or even superior SNRs to SQUID-MEG in various conditions, including auditory and visual tasks.
Furthermore, OPM-MEG technology presents promising applications in translational neuroscience, particularly for conditions such as schizophrenia, Alzheimer’s disease, movement disorders, and neurodevelopmental disorders. The flexibility and adaptability of OPM sensors facilitate the measurement of deep brain structures and enhance the assessment of neural oscillations, which are crucial for understanding the underlying pathophysiology of these disorders. For instance, OPM-MEG has shown potential in detecting altered neural oscillations in schizophrenia and Alzheimer’s disease, as well as improving the evaluation of epilepsy by enabling reliable localization of seizure foci without invasive procedures. Overall, OPM-MEG represents a significant advancement in neuroimaging technology, with the potential to enhance research and clinical practices in various neurological and psychiatric conditions.