«На фундаментальном уровне ограничений мы не видим»: на что способен новый сенсор для МЭГ

Недавно вы представили новый сверхчувствительный твердотельный датчик для магнитоэнцефалографии. Как возникла идея его создания? Что он из себя представляет?

Петр Ветошко, технический директор проекта, научный сотрудник Российского квантового центра научный сотрудник Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН: Идея достаточно старая, я начал работу над ней еще в 90-е, но нужно было пронести ее через все эти годы. На разных этапах помогали разные люди. Физику феррит-гранатовых пленок вел Федор Викторович Лисовский, он был моим первым учителем в магнитизме. Он же меня привел к Анатолию Михайловичу Балбашову, который известен своими исследованиями о магнитных кристаллах. Год за годом все это развивалось.

Максим Острась, руководитель проекта в Российском квантовом центре: К мысли о том, чтобы использовать наш датчик для МЭГ, мы пришли всего год-полтора назад. Собрались с коллегами из Сколтеха и ВШЭ, решили проверить насколько он эффективен в измерении мозговой активности по сравнению с аналогами. И вот, поставили первый эксперимент, и получили хороший результат.

П.В.: Наш датчик представляет собой тонкую, в пару миллиметров толщиной, пленку размером 38 на 38 миллиметров. Она изготовлена из монокристалла, обладающего магнитными свойствами — это железоиттриевый гранат, который используется в радиотехнике и является одним из самых серьезных претендентов на реализацию кубитов для квантовых устройств.

Мы применяем обычную для феррит-гранатовых пленок технологию, высокотемпературную жидкофазную эпитаксию. Ее суть заключается в том, что монокристаллическую подложку погружают в раствор оксидов при очень высокой температуре, где продолжается рост кристалла — эпитаксия в переводе с греческого «продолжение». В результате формируется магнитный кристалл. С помощью многослойной литографии — процесс взят из микроэлектроники — уже корректируем форму. Материал сильно отличается от обычного для нее кремния, и многие процессы пришлось менять. Мы с этим справились, но все равно продолжаем улучшать наши технологии.

А в чем принцип работы датчика?

П.В.: Кристалл у нас магнитный, значит, каждая составляющая его частичка обладает магнитным моментом. Это своего рода стрелка компаса, поворачивающаяся в зависимости от воздействия внешних полей — так происходит перемагничивание. Его механизм может быть разным. Чаще всего реализуется перемагничивание путем движения доменных стенок. Доменами называют части кристалла с одинаковой направленностью магнитного момента, их границы, соответственно, — стенки. Хотя и происходит перемагничивание, считать мы его не можем, потому что направление везде разное, а суммарно остается прежним. Плюс очень много шумов.

Для магнитометра гораздо лучше, когда перемагничивание происходит путем когерентного вращения, и весь наш кристалл имеет только один домен. Такой механизм мы смогли реализовать в нашем датчике, что сделало его чрезвычайно чувствительным. И это выгодно отличает нас от конкурентов.

А чисто физически датчик такой же?

Николай Кошев, старший преподаватель Сколтеха: Если говорить о магнитной энцефалографии, датчик абсолютно новый. Он наследует принципы феррозондовых магнитометров; у них магниточувствительный элемент — катушка, которая питается электрическим током. Как и они, наш датчик полностью твердотельный.

До настоящего времени в магнитной энцефалографии использовались два типа устройств. Первый — сверхпроводящие квантовые интерферометры, в переводе с английского и сокращенно СКВИД. Они представляют собой два сверхпроводящих канала, соединенных в кольцо джозефсоновскими контактами. Так называют прослойку изолятора всего в несколько атомов толщиной, через которую легко проскакивают спаренные электроны Купера. Эти частицы обладают разнонаправленными спинами, что приводит к полному исчезновению сопротивления в месте соприкосновения сверхпроводников — они могут бесконечно долго циркулировать по СКВИДу. При воздействии внешнего поля сила пропускаемого через интерферометр тока изменяется и можно зафиксировать сигнал. Но для существования квантового эффекта необходимы сверхнизкие температуры. Вследствие этого датчики заключаются в толстостенную камеру (сосуд Дьюара), наполненную жидким гелем.

Другой тип устройств в МЭГ — магнитометры с оптической накачкой, рабочим телом этого датчика является небольшая камера с разогретым газом. Через нее пропускают поляризованный свет, то есть характеризующие его векторные физические величины, а именно напряженность электрического и магнитного полей, колеблются в определенной плоскости. При воздействии слабых внешних полей природа рассеяния света меняется, и по тому, как именно это происходит, можно анализировать получаемый сигнал.

М.О.: В обоих случаях мы сталкиваемся с необходимостью использовать довольно сложное оборудование, чувствительное к внешним воздействиям. Например, магнитометр с оптической накачкой нужно постоянно перекалибровывать, а СКВИД — сильно охлаждать с использованием дорогого и постоянно заканчивающегося геля. Кроме того, необходимость такого охлаждения приводит к громоздким размерам оборудования. Наш твердотельный датчик очень компактный, его легко поддерживать в рабочем состоянии и, исходя из его устройства, мы предполагаем, что он может работать бесконечно долго. Кроме того, его можно приложить максимально близко к скальпу и получить гораздо больше информации. По сравнению с другими датчиками для МЭГ он еще и намного дешевле и проще в производстве. По нашим прикидкам, выигрыш в стоимости может составить пару порядков. И еще хорошо то, что мы можем использовать его в исследованиях, когда человек двигается, например, чтобы изучить работу его вестибулярного аппарата.

Вы уже начали такие эксперименты?

М.О.: Пока нет, у нас зафиксирован только первый результат по измерению альфа-ритма. Для проведения экспериментов с активным движением нужно сначала разработать достаточно серьезный математический аппарат, который устойчиво регистрирует магнитное поле. И, к сожалению, никто не отменял помех, связанных с движением, и их нужно как-то компенсировать.

Как именно?

М.О.: Можно построить на основе датчика градиентометр, который измеряет не магнитную индукцию, не магнитное поле, а именно его градиент. Такие устройства гораздо более устойчивы по отношению к изменениям внешнего поля в контексте создаваемых при этом помех и шумов. Второй способ — это использовать референсные датчики, которые просто фиксируют магнитное поле вокруг, то есть не магнитное поле в районе головы, а, скажем, чуть в стороне. Фактически, получается тот же градиентометр, но с большим охватом.

Давайте поговорим про непосредственное применение ваших датчиков на практике.

Алексей Осадчий, директор Центра биоэлектрических интерфейсов ВШЭ: Мы сможем лучше диагностировать различные нарушения работы мозга. Вообще МЭГ используется для выявления эпилептогенных очагов — участков коры, где возбуждаются сразу все нейроны, и это вызывает приступ. В некоторых ситуациях эпилепсию можно вылечить, если эти самые очаги удалить. Тут важно зафиксировать активность нервных клеток либо во время приступа, либо в межприступные интервалы, а также посмотреть на определенные паттерны этой активности. Новое поколение датчиков позволит точно локализовать эпилептогенные очаги, а их относительная дешевизна сделает лечение заболевания более доступным. В далекой перспективе можно говорить о неинвазивных подходах к терапии эпилепсии: нашли активный участок, при помощи гамма-ножа облучили его и обезвредили.

Также у нас есть предложение опробовать датчик для исследований активности спинного мозга — так можно понять причины и механизмы возникновения фантомных болей.

Еще одно интересное приложение — нейроинтерфейсы, когда система распознает, что человек, например, хочет подвигать рукой, и посылает сигнал на экзоскелет или робоклешню. Это все тоже перспективы, а сейчас такие подходы можно применять для реабилитации пациентов, перенесших инсульт. Нужно активировать новые зоны коры головного мозга взамен тех, которые были утрачены в результате этого заболевания. Возвращаясь к примеру с рукой: человек представляет, что двигает рукой, в это время мы активируем руку воздействием особого скелетного устройства. Мозг получает обратный сигнал и при многократном повторении выстраивает новые нейронные связи. Это можно делать с помощью магнитной энцефалографии с большим количеством каналов, что довольно долго и сложно, но с датчиками, которые легко приложить к голове, работа заметно упростится.

Насколько это вообще применимо и эффективно?

Н.К.: Любопытный факт: сейчас стоимость только МЭГ-исследования составляет порядка 4-5 тысяч долларов, это очень дорого. Нейрореабилитация — штука очень и очень долгая, при таких ценах в ней магнитоэнцефалография просто не применяется. Если мы сможем снизить стоимость процедур за счет датчиков нового поколения, то и терапия этим способом станет более доступна. И, конечно, удешевление МЭГ в целом будет способствовать и увеличению количества и других областей применения этого метода.

Каковы дальнейшие планы?

М.О.: В нашей статье мы использовали лишь один датчик, теперь хотим увеличить их количество примерно до десяти и попробовать создать прототип для решения более прикладных задач. Он сможет, условно говоря, смотреть не только в одну точку в зрительной коре, но и считывать сигнал с больших областей.

Что для этого нужно, какие сложности будут возникать?

Н.К.: Сложности будут с малым количеством каналов. Например, сейчас в контексте магнитных устройств в энцефалографии используются сотни каналов, что позволяет достаточно эффективно фильтровать сигнал от внешних помех. При малом количестве эти алгоритмы не столь хорошо работают. Нам нужно будет, во-первых, очень точно расположить датчики на голове испытуемого; во-вторых, это потребует создания новых алгоритмов предобработки и обработки сигнала. Это уже все из области математики и математической физики.

Какие вообще расчеты стоят за вашей разработкой?

А.О.: Мы предполагаем, что активность, которую мы регистрируем при помощи сенсоров, расположенных за пределами головы, порождается токовыми диполями, которые аппроксимируют дендриты пирамидальных нейронов. Токовый диполь — это система, в которой удаленные друг от друга части имеют разноименный заряд и между ними течет ток. В случае мозга и любой другой биологической материи активный участок будет отрицательным относительно невозбужденной области. Изменение активности приведет и к изменению характеристик полей токового диполя. Крупные пирамидальные нейроны по своим длинным отросткам собирают информацию от других нейронов — суммарный сигнал и регистрируем.

Дальше мы используем метод математической физики и понимаем, как такой диполь, находящийся в определенной точке головного мозга (в каких-то координатах), отобразится на сенсорах. Нахождение этих паттернов, по сути, и является прямой задачей магнитной энцефалографии. Она хорошо решается при помощи наших датчиков, которые близко прикладываются к голове, еще ближе, чем уже существующие сенсоры. Чем больше сенсоров, тем более уникальный паттерн мы можем увидеть, и тем проще будет обнаружить и локализовать диполь. Далее, зная эти паттерны и наблюдая сигнал, мы можем решить так называемую обратную задачу: расшифровать замысловатые паттерны, регистрируемые сенсорами, и привязать их к определенному созвездию диполей на коре головного мозга.

Какие ресурсы нужны для таких расчетов, достаточно ноутбука? И когда это все выйдет «в люди», потребуется ли дополнительное сложное обучение специалистов?

А.О.: Ноутбука достаточно, но все зависит от детальности. При локализации определенного участка и мощности требуется больше. К тому же, если мы захотим использовать нейросети для обработки сигнала, необходимо их обучить. Объем данных большой, ресурсов тоже нужно больше. А потом уже и на ноутбуке можно работать.

Сейчас энцефалография используется даже для диагностики водителей перед получением прав. На таком уровне сильных сложностей с технологией быть не должно. Если мы говорим о каком-то продвинутом анализе, то здесь нет какого-то общего стандарта для решения задач, каждый старается применять свою уникальную комбинацию существующих методов. Поэтому дополнительных проблем быть тоже не должно.

Сильно ли будут отличаться приборы для прикладных и научных исследований в точности, воспроизводимости и прочем?

А.О.: В идеале, конечно, разницы быть не должно. Если говорить о воспроизводимости, то она есть лишь в случае одного человека, результаты и здесь, и там по идее будут одинаковы — чаще всего интересно посмотреть то, как функционирует мозг конкретного пациента. С групповыми исследованиями все гораздо сложнее: мы очень разные, хоть и относимся к единому виду. Тут дело не в оборудовании, а в вариабельности физиологии. Технология просто позволит удешевить и уточнить процесс. Так удастся провести больше качественных измерений, чтобы в конце их усреднить и понять общие закономерности работы мозга.

П.В.: Кстати, о фундаментальном. Хотя наш сенсор и так обладает рекордной чувствительностью, теоретически систему можно ввести в квантовое состояние и улучшить результат примерно на пять порядков. Датчик очень тонкий, но сам по себе большой — уменьшая размеры, мы приходим к тому, что начинают действовать законы за пределами классической физики. Пока что на фундаментальном уровне ограничений мы не видим.