RISS / EIS lounaskokous Magnetoenkefalografia: Laitteisto ja tutkimukset Helsinki, 2007 02 13 Lauri Parkkonen Aivotutkimusyksikkö Kylmälaboratorio Teknillinen korkeakoulu lauri@neuro.hut.fi Elekta Neuromag Oy Helsinki lauri.parkkonen@elekta.com OH2MLM
Sisältö Ihmisaivojen rakenteesta ja toiminnasta Magnetoenkefalografisten eli MEG signaalien synty MEG mittalaitteet Elekta Neuromag yritys Esimerkkejä MEG tutkimuksista
Ihmisaivot Painavat n. 1,3 kg mutta kuluttavat n. 20% (20 W) koko kehon energiasta Koostuvat noin 100 miljardista hermosolusta, jotka muodostavat yhtenäisen verkon Hermosolujen sisäinen informaationkäsittely lähinnä sähköistä, hermosolujen välinen taas lähinnä kemiallista. www.biomag.hus.fi/braincourse/l1.html
Aivolohkot ja alueet Aivojen kuorikerros voidaan jakaa lohkoihin Lohkot voidaan jakaa alueisiin, jotka ovat erikoistuneet tiettyihin toimintoihin www.biomag.hus.fi/braincourse/l1.html
Hermosolu Tuojahaarakkeissa eli dendriiteissä kulkeva sähkövirta määräytyy verkossa edeltävien hermosolujen aktiivisuudesta Solun keskuksessa dendriittien virrat summautuvat Viejähaarake eli aksoni välittää impulssin seuraaviin soluihin jos solunsisäinen potentiaali ylittää kynnysarvon Synapsi on kahden solun viejä ja tuojahaarakkeiden yhtymäkohta www.sfn.org/brainfacts
Sähkövirrat viejä ja tuojahaarakkeissa Aksoni eli viejähaarake Synapsi Aktiopotentiaali: Nopea (1 2 ms): ajallinen summautuminen vähäistä Kvadrupolaarinen: kentänvoimakkuus laskee nopeasti etäisyyden kasvaessa Dendriitti eli tuojahaarake Postsynaptinen virta: Hitaampi (2 20 ms): ajallinen summautuminen todennäköisempää > suurempi nettosignaali Dipolaarinen Tärkein MEG ja EEG signaalien synnyttäjä
Aivokuoren eli korteksin rakenne Pyramidisoluilla samansuuntaiset dendriitit => aktiivisen solujoukon nettosignaali suurempi
MEG ja EEG menetelmät Aktiivisissa hermosoluissa kulkevat sähkövirrat...... synnyttävät sähkö ja magneettikentät pään ulkopuolellekin EEG = päänahan potentiaalijakauman mittaaminen MEG = pään ulkopuolisen magneettikentän mittaaminen
Miksi EEG ei riitä? Huonosti sähköä johtava kallo ja oikosulkeva päänahka yhdessä sumentavat pään pinnan potentiaalijakauman. Siksi aktiivisen aivoalueen paikantaminen EEG mittauksien perus teella on vaikeaa. With present methods the skull and the scalp are too much in the way, and we need some new physical method to read through them. In these days we may look with some confidence to the physicists to produce such an instrument, for it is just the sort of thing they can do... Adrian 1944
MEG signaalit ovat erittäin heikkoja 1015 1010 105 MRI magneetti Maapallon magneettikenttä Sydämen tuottama magneettikenttä Lihastoiminnasta tuleva häiriösignaali Aivojen alfa rytmi Ympäristö ja laitekohina suojahuoneessa
Ensimmäinen MEG mittaus Mittaus mahdollista vain suprajohtavalla SQUID anturilla Vuonna 1972 mitattiin ensimmäisen kerran ihmisen aivotoiminnan tuottamia magneettikenttiä Cohen D., Science 1972
MEG anturi Vuomuuntaja Kytkee SQUIDin mitattavaan magneettikenttäkomponent tiin SQUID (Superconduction Quantum Interference Device) Edellyttää suprajohtavuutta Edellyttää suprajohtavuutta ja siksi matalia lämpötiloja: anturi tavallisesti nestemäisessä heliumissa (4.2 K = 269 C) SQUID käyttäytyy kuten magneettivuosta riippuva vastus Image courtesy of R. Salmelin
SQUID um 1 ~ Nykyaikaiset SQUIDit valmistetaan fotolitografisesti piikiekoille kuten puolijohteet. Valmistajia vain muutama, Suomessa VTT.
MEG mittalaite Anturielementit (SQUID + vuomuuntaja) ovat lämpöeristetyssä astiassa, joka on täytetty nesteheliumilla
Elektroniikka
MEG datan analysointi MEG mittaus Signaalinkäsittely Signaalikohina suhteen kasvatus Mallinnus Aktiivisten aivo alueiden estimointi Gross et al. PNAS 2002 Visualisointi Estimaatin esitys anatomian kanssa
Magneettisesti suojattu huone Passiivinen suoja ympäröiviä magneettikenttiä vastaan Koostuu sisäkkäisistä my metalli ja alumiinikuorista Suojausta voidaan parantaa aktiivisilla järjestelmillä Yhden kuoren antama suojaustekijä Ulkoinen magneettikenttä
MEG laitteiden kehitystyö Suomessa 1983 by HUT 4 channels 30 mm in diameter (coverage: 7 cm2) Axial 1986 by HUT 7 channels 93 mm in diameter (coverage: 68 cm2) Axial 1989 by HUT 24 channels 125 mm in diameter (coverage: 123 cm2) Planar 1992 by Neuromag 122 channels whole head (coverage: 1100 cm2) Planar 12 Deliveries 1998 by Neuromag 306 channels whole head (coverage: 1220 cm2) Planar & Magnetometers
Elekta Neuromag Oy 1989: Perustettiin TKK:n kylmälaboratoriossa nimellä Neuromag Oy. Omistajina SITRA, Instrumentarium ja pieni joukko tutkijoita. 2000: Yhdistyi amerikkalaisen Biomagnetic Technologies Inc.:n kanssa. Nimeksi tuli 4D Neuroimaging. 2003: Ruotsalainen Elekta AB osti Neuromag-osuuden. Työntekijöitä suoraan Elekta Neuromagin palveluksessa nyt 27. Elekta AB:n myynti- ja huoltoverkosto tukee toimintaa maailmanlaajuisesti.
Elekta Neuromag 306 kanavainen MEG 306 SQUID anturia kypärä muodostelmassa Matala kohina Alhainen helium kulutus
Neuromagin asiakaskanta, tammik. 2007 Asennettu / Tilattu Espoo Helsinki (2) Salt Lake City Albuquerque Boston Pittsburgh San Diego Chicago Brussels Cambridge Oxford Alexandroupoli Sunbo Shijiazhuang Düsseldorf Leipzig Heidelberg Seoul Wuhan Taipei Sapporo (2) Akita Sendai Tokorozawa Hirosaki Niigata Matsumoto Tokyo (3) Chiba Kyoto (2) Gunma Osaka Hiroshima Yamagata Kyushu
MEG epilepsiadiagnostiikassa [Dr. N.Nakasato, Tohoku University, School of Medicine, Sendai, Japan]
Perustutkimusta MEG:llä Peilisolujärjestelmä Koehenkilöille esitettiin kuvia suun ja kasvojen ilmeistä. Heidän tehtävänään oli joko imitoida tai vain katsella.
MEG tulokset motor cortex inferior parietal Broca occipital STS Nishitani & Hari, Neuron 2002
Perustutkimusta MEG:llä Vaihduntakuviot Monitulkintaiset kuviot aiheuttavat usein mahdollisten havaintojen satunnaisen vuorottelun Miten vuorottelu näkyy aivojen toiminnassa?
Koeasetelma: Ärsyke Rubinin maljakko kasvot kuvan päälle kohinakuviot, joita päivitetään tietyillä taajuuksilla (vrt. merkkiainetutkimukset) Merkkien taajuudet: 12 Hz maljakon alueella 15 Hz kasvojen alueella
Koeasetelma: MEG mittaus Moduloiko havainto merkkisignaalien amplitudeja? MEG mittaus: 11 tervettä aikuista 10 minuutin MEG mittaus Koehenkilöiden tehtävä: pidä katse kohdistettuna nenien väliin ja raportoi kulloinenkin havainto etusormen asennolla (sormi alas kasvoille)
Merkkisignaalien dynamiikka Sormen asento MEG signaalit maljakko kasvot 3 s Hetkellinen f amplitudi wavelet muunnoksella Keskiarvoistus vaihtumisten yli (n = 34... 104) 3 s f t + t
Tilastotestaus Sormen asento MEG signaalit General linear model vase 2 s faces 2 s Amplitudit vase faces meanstd meanstd a12 b12 a15 b15 t test for an bn?
Mallinnus: MEG signaaleista korteksille Lähdepisteet harmaassa aineessa 7 mm:n välein, ~5500 pistettä aivopuoliskossa Korteksia vastaan kohtisuoria virtoja painotetaan MEG signaalit 306 MEG kanavaa Tieto pään paikasta anturien suhteen Minimi normi estimaatti Estimaatti hermosolujen virroille korteksilla
Virrat korteksilla 12 Hz:n (maljakko alue) merkkisignaalin amplitudi maljakko kasvot SPM (1 p), p < 0.05 kasvot maljakko
Yhteenveto MEG mittaa aktiivisten hermosolujen synnyttämiä heikkoja magneettikenttiä pään ulkopuolella MEG mittausten perusteella on mahdollista paikantaa aktiivinen aivoalue MEG:tä käytetään perustutkimuksessa sekä kliinisesti erityisesti epilepsiadiagnostiikassa Suomalaissyntyinen Elekta Neuromag Oy on alan markkinajohtaja