大腦監測新突破—穿戴式腦磁掃描儀

文章發表:2018/05/11

黃浥暐

壹、新訊快遞*

英國諾丁漢大學的研究團隊開發了一種穿戴式腦磁掃描儀,可改善傳統腦磁掃描儀過於巨大,且完全固定住受試者頭部的缺點,該成果於2018年3月發表於權威期刊《自然》。此狀似頭盔、以3D列印客製的掃描儀重量僅905克,受測者戴上該裝置後依然可以進行頭部活動,即使在點頭、飲水甚至打乒乓球的狀況下,也能準確地偵測並繪製出腦磁圖。研究人員認為,此新型掃描儀可突破過去測試環境的侷限,首次得以紀錄人們在動作時的腦部活動狀態,且能擴大運用至嬰兒、自閉症兒童和帕金森氏患者等難以控制行動的族群。

貳、評析

研究大腦在執行各項任務時的神經元活動,是解開大腦運作之謎的關鍵,現階段有功能性磁振造影(functional MRI)、正子放射斷層掃描(PET)及單光子放射斷層掃描(SPECT)等檢測工具,藉由分析腦部血流或其對特定物質之代謝狀況,間接地反映出腦部的活動狀態。然而,這些檢查方法雖非侵入性,但受試者或者需注射放射性同位素、或者需暴露於x-ray及強力磁場之中。與之相比,腦磁圖(magnetoencephalography, MEG)檢查則沒有這些顧慮,能直接偵測並記錄腦部活動時神經元傳遞電訊號時所釋出的微弱磁場,即使是嬰兒或孩童也能安心地進行反覆檢測。此外,MEG掃描對訊號的紀錄可達毫秒(ms)以內的高度時間解析度(temporal resolution),是上述各種檢測工具所無法企及的,因而更能反映出瞬間的腦部活化狀況;在空間解析度(spatial resolution)方面,MEG也具備能辨識毫米(mm)等級的程度,並常搭配MRI以得到更加準確的結構定位[1]

然而,為了偵測穿過頭皮的極微弱磁場,MEG需要在一個高度隱密、隔絕所有干擾的空間中進行,且掃描儀需配備超導感應(superconducting)的磁力計,並封裝在一個巨型的冷卻設備中來提升感測器的靈敏度。因此,MEG掃描儀非常昂貴、龐大且笨重,含有感測器的部分籠罩並固定住受試者的頭部,一旦頭部相對於感測器的位置稍有變動,即使僅5公釐,得到的數據品質將顯著下降。如果受測者的頭體積較小,比如嬰兒,因頭部無法緊貼感測器,將無法偵測到可靠的訊號。MEG系統的這些特徵,使其雖為當前即時記錄大腦活動的最精密工具,但用途卻受到諸多限制。

為了使MEG檢測能適用於每個族群,並在各種條件的環境下進行,科學家開發了OPM-MEG系統,即以光泵磁力計(optically pumped magnetometers, OPMs)取代需依靠冷卻系統的超導感應磁力計,因而能大幅降低尺寸、設計成穿戴式的頭盔裝置;此外,由3D列印「私人訂製」而成的頭盔能與受試者的頭部高度密合,保證感測器能準確地定位在所欲探測的大腦皮質區塊,故測量對象不再受限於頭部的大小,也能自由地進行頭部活動。這大幅增加了腦磁圖測量的便利性與應用範圍,除了首次能探索人類在執行各種動作時的瞬間腦部活動,也適用於無法接受指令保持不動的嬰兒、自閉症兒童、帕金森氏患者等。未來的應用範圍無限寬廣,包括追蹤兒童的早期腦部發育,監控癲癇患者的腦部活動,及早發現帕金森氏症、阿茲海默症、精神病等腦部異常的徵兆。

參、延伸閱讀

  • 劉貞勇;邱文信,腦部造影技術在運動領域之應用,中華體育季刊,26卷1期,2012年3月,71-78頁

註釋

  • Michael PriceMar, This wearable brain scanner could transform our understanding of how neurons ‘talk’, Science/news/Technology, Mar. 21, 2018, http://www.sciencemag.org/news/2018/03/wearable-brain-scanner-could-transform-our-understanding-how-neurons-talk (last visited Apr. 25, 2018).  返回內文
  1. http://web.mit.edu/kitmitmeg/whatis.html (Last visited: Apr. 25, 2018) 返回內文

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