Исследователи Вышки в сотрудничестве с учеными из ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработали атомарную магнитометрическую схему с чувствительностью 5 фТл×Гц^‑1/2. Это рекордные показатели чувствительности для сенсора, работающего в магнитном поле земли. Схема станет основой многоканального атомарного магнитоэнцефалографа — самого точного и компактного устройства в мире, позволяющего неинвазивно измерять электрическую активность головного мозга. Предполагаемая стоимость атомарного магнитоэнцефалографа будет в 5-7 раз ниже существующих приборов, что сделает его доступным широкому кругу пациентов для диагностики эпилепсии и других нейродегенеративных заболеваний.
Сегодня существует несколько технологий, с помощью которых медики и ученые регистрируют и изучают активность головного мозга без хирургического вмешательства. Наиболее перспективная методика — магнитоэнцефалография (МЭГ), измеряющая электрическую активность ансамблей нервных клеток, регистрируя порождаемые ими магнитные поля. Сердце современных приборов — специальные высокочувствительные сенсоры СКВИДы (сверхпроводящие квантовые интерферометры). Они работают в состоянии сверхпроводимости и требуют охлаждения до гелиевых температур — для этого их помещают в сосуд Дьюара, содержащий жидкий гелий. Все это ведет к громоздкости оборудования, эксплуатация которого стоит очень дорого и требует дополнительных амортизационных затрат. А самое главное, не позволяет поднести такие сенсоры достаточно близко к голове человека из-за большой (3-3,5 см) толщины стенок сосуда Дьюара. Тем не менее, это наиболее точный и чувствительный на сегодня способ неинвазивного функционального картирования мозга. При определённых обстоятельствах он позволяет различить всплески активности нейронных ансамблей, находящихся в нескольких миллиметрах друг от друга, длительностью менее 10 миллисекунд.
Таких систем в мире сейчас не более 400, что существенно ограничивает доступность этой технологии. Она необходима для детальной диагностики неврологических заболеваний, а также планирования нейрохирургического вмешательства, изучения прямых и побочных эффектов фармакологических препаратов и исследования принципов работы мозга.
Современные разработки и успехи физических наук в области атомарной магнитометрии позволяют достичь еще более высокой точности картирования и существенно удешевить такое устройство, сделать его мобильным. Разработка компактной и дешевой МЭГ-системы ведется в США, Великобритании, Германии, Финляндии. В течение последних полутора лет Вышка совместно с Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге выполняет проект по разработке и построению многоканального атомарного магнитоэнцефалографа на основе атомарных магнитометров с оптической накачкой (МОН).
«В отличие от сенсоров, используемых конкурентами, в разработке нашего атомарного магнитоэнцефалографа мы делаем упор на датчики, способные оперировать в магнитном поле Земли. И поскольку наши сенсоры не требуют равномерного поля вокруг себя и способны работать в условиях естественной изменчивости магнитного поля, то не будет надобности в дополнительной стабилизации магнитных полей. Возможно, нам даже удастся отказаться от использования магнитоизолирующей комнаты», — говорит директор центра биоэлектрических интерфейсов, руководитель проекта со стороны ВШЭ Алексей Осадчий.
На сегодняшний день исследователям удалось достичь рекордных показателей чувствительности сенсора, работающего в магнитном поле земли — 5 фТл×Гц‑1/2 . Этот результат позволяет перейти к этапу компактизации устройства и созданию небольших атомарных магнитометров с оптической накачкой (МОН), которые затем могут быть объединены в многоканальную МЭГ-систему нового поколения с качественно новыми возможностями.
По прогнозам ученых, в приборах сенсоры будут располагаться не более чем в полусантиметре от скальпа, что в 4-6 раз ближе, чем в современных системах, а точность измерения будет на порядок выше. Новая технология позволит, не нарушая целостности тканей, добиться точности визуализации активности мозга человека, которая сейчас доступна только при хирургическом вмешательстве. Речь идет о раздельной регистрации активности нейронных ансамблей, находящихся на расстоянии долей миллиметра друг от друга.
По оценкам исследователей, стоимость такого атомарного магнитоэнцефалографа будет в 5-7 раз ниже существующих сегодня приборов, которые оцениваются примерно в 5 млн. долларов.
Такой прорыв стал возможен благодаря сотрудничеству физиков, специалистов по обработке сигналов, математиков и нейробиологов. Адаптация современных технологий высокочувствительной квантовой магнитометрии к задачам функциональной нейровизуализации позволит создать новое поколение устройств. Это откроет новые возможности для диагностики и реабилитации пациентов, страдающих эпилепсией и другими нейродегенеративными заболеваниями. Размер российского рынка МОН-систем, включая B2B услуги, разработчики оценивают примерно в 100 млд. рублей без учета упущенной выгоды.
IQ