研究人員打造可穿戴便攜大腦掃描儀，可在移動時記錄大腦神經活動

已有的腦部掃描儀，比如功能性磁共振成像儀器等設備，是固定式的。而《自然》期刊中描述的這台設備將讓科學家們在研究大腦功能時擺脫固定式設備的限制。

諾丁漢大學和英國倫敦大學學院的研究人員將腦磁圖 (MEG) 模塊縮小到了角鬥士頭盔的大小，因此將能夠繪製難以保持靜止的人們的腦部圖像，例如嬰兒，兒童和有運動障礙的人。

圖丨新型掃描儀像是科幻（恐怖）電影中的頭盔

「這是一大進步，這項技術為這種類型的大腦掃描開闢了新的天地。」南非基桑迪亞國家實驗室的物理學家 Peter Schwindt 說。

當然，前提是人們要忍受該裝置的古怪外觀——這頭盔看起來像是「歌劇魅影」裡面的假面道具。

該設備使用 MEG 測量頭皮的磁場。這些磁場由大腦的自然電流產生，之後通過數學分析，可用於以毫秒級解析度繪製腦功能的 3D 圖。

常規的 MEG 裝置十分龐大和笨重，並且要求用戶在進行掃描時保持不動。而這嚴重限制了對大腦的研究，並且很難用於研究兒童。

攜帶型系統可以讓科學家進行全新的研究。文章的共同作者，諾丁漢大學物理學教授 Richard Bowtell 表示，「你可以研究大腦的空間導航功能，靜止的對象是很難進行類似研究的。當人們可以自由移動時，你也可以觀察到更自然的互動。」

頭盔的感測器被設計成相對於人腦固定，而不是固定在機器上。為了實現這一設計理念，他們將小型量子感測器集成到頭部陣列中，並與消除干擾磁場的系統配對。

圖丨為不同用戶打造的頭盔

該系統為用戶「量頭定製」，3D 列印的頭部模型能夠緊貼頭皮和臉部。小型量子感測器，即光泵磁力儀（OPM）鎖定在大腦目標區域的上方，它們負責感應大腦的磁場。

為了消除干擾掃描的地球磁場，研究人員打造了一套雙平面電磁線圈。這些線圈產生與地球磁場相同和相反的磁場，從而抵消干擾。線圈貼近用戶，創建了一個小型的磁場屏蔽空間，使得用戶在掃描過程中可以移動。實驗在磁場屏蔽室內進行，進一步抵消了額外的干擾磁場。

分別使用穿戴式和傳統式 MEG 測量抬起手指時的大腦活動，Bowtell 和同事對比了兩者的測量結果——兩種機器的表現不分伯仲。

然後，研究小組記錄了，受試者在進行不同頭部運動時的大腦活動，例如用球拍顛球或者喝水時。

現在的實驗原型存在很大的局限性，用戶的頭部不能移動到屏蔽空間之外，這個空間大概有 40x40x40 立方厘米大小。「受試者的活動範圍受到空間體積限制，顯然他們不能站起來走動，」Schwindt 說。「想要實現完全自然的運動，還有很長的路要走。」

Bowtell 說他的團隊正在攻克這個問題。下一次的更新換代，小組的目標是，將干擾磁場消除線圈集成到房間的牆壁中，從而允許受試者來回走動。

包括 Schwindt 團隊在內的幾支研究團隊，一直在開發用於 MEG 成像的量子感測器，尤其是 OPM。OPM 改進了 MEG 成像，因為它們不需要進行低溫冷卻，就像傳統 MEG 掃描儀中的超導技術一樣。這樣可以將 OPM 感測器緊貼在頭上，提高記錄的數據的質量。

儘管 OPM 感測器有所改進，但對象必須在掃描期間保持不動。Schwindt 表示，「大多數人都採取這種方法來保持感測器不動。英國團隊既應用了 OPM 技術，又允許受試者移動，這可能是首創。」

當然，打造攜帶型大腦記錄和成像設備的想法並不新鮮。研究人員已成功發明了穿戴式腦電圖掃描儀（EEG），甚至使用這些設備記錄了蹦極時的大腦電活動。腦電圖能夠測量頭皮的電壓，反映出大腦中的電壓。但是很難用腦電設備查明大腦內活躍的區域—MEG 可以做到。

研究人員還利用功能性近紅外光譜技術（fNIRS），開發了穿戴式腦部掃描儀。一個研究小組使用該技術創造了一個大腦和計算機的介面系統。在 fNIRS 中，血氧變化利用光作為神經活動的間接指標。「但是與腦電圖技術一樣，它不容易確定大腦內部活躍的區域，」Bowtell 說。

穿戴式 MEG 可以在攜帶式場景中滿足這種特殊性。Schwindt 說，「我非常感興趣，想知道這項技術具備多大的潛力，換句話說，掃描過程中允許移動多少。」

假如這個頭盔最終沒能用於研究領域，那麼在好萊塢電影中，或許也有它的一席之地。