Modular Arrays for High Precision Wearable MEG

Het menselijk brein is een constante bron van minuscule magnetische fluisteringen, elektrische signalen die door de geest rimpelen terwijl we denken, voelen en bewegen. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd naar deze fluisteringen te luisteren met een technologie genaamd magnetoencefalografie, of MEG. Traditioneel vereiste dit een enorme, dure machine die op temperaturen kouder dan de ruimte werd gehouden, waarbij de sensoren ver van het hoofd moesten afstaan om bevriezing te voorkomen. Deze afstand vervaagt het signaal, en de stijve, zware helm dwingt de persoon om perfect stil te zitten, wat het onmogelijk maakt om te bestuderen hoe het brein werkt terwijl iemand loopt, praat of interactie heeft met de wereld. Een nieuwere generatie sensoren, bekend als optisch gepompte magnetometers, veranderde het spel door metingen direct tegen de hoofdhuid mogelijk te maken, wat veel scherpere details biedt en de belofte inhoudt van een mobiel, draagbaar systeem. Het maken van deze draagbare systemen die goed functioneren was echter een moeilijke puzzel, die onderzoekers vaak dwong te kiezen tussen hoogwaardige gegevens en de vrijheid om te bewegen.

Een lange tijd was de enige manier om nauwkeurige, mobiele opnames te krijgen het creëren van een op maat gemaakte, stijve helm die voor elk individu specifiek aan de vorm van het hoofd werd gemold. Hoewel deze op maat gemaakte helmen, bekend als scanner-casts, goed werkten, waren ze traag en kostbaar om te maken, omdat er voor elk experiment een aparte medische scan nodig was en het uren duurde om sensoren tussen verschillende mensen te wisselen. Deze flessenhals betekende dat het bestuderen van veel mensen of het observeren van natuurlijk gedrag onpraktisch was. In een nieuwe studie pakten onderzoekers dit probleem aan door een flexibele, modulaire kap te ontwerpen die op elke hoofdomvang past zonder dat er aangepaste mallen nodig zijn. Ze bouwden een systeem waarbij de sensoren zijn gerangschikt in een kap die kan worden aangepast en hergebruikt, waardoor de noodzaak voor dure, eenmalige helmen verdween terwijl de sensoren dicht bij de hoofdhuid bleven.

Om te zien of dit nieuwe ontwerp echt kon concurreren met de beste bestaande methoden, voerde het team eerst computersimulaties uit om in kaart te brengen hoe goed hun kap de hersensignalen zou opvangen in vergelijking met een ideale, perfecte rangschikking van sensoren en een commercieel beschikbare mobiele oplossing. Deze simulaties toonden aan dat hun modulaire ontwerp het magnetische veld van het brein kon opvangen met een sterkte en helderheid die overeenkwam met de ideale opstelling en de huidige commerciële opties overtrof. Maar simulaties zijn slechts een voorspelling, dus testten de onderzoekers het systeem op vijf echte mensen. Ze registreerden hersenactiviteit terwijl de deelnemers de kap droegen, waarmee bewezen werd dat het apparaat in de praktijk werkte. Ze deelden ook een volledige handleiding over hoe de gegevens van deze opnames voor te bereiden en te analyseren, om ervoor te zorgen dat andere wetenschappers het proces konden repliceren.

De resultaten laten zien dat deze nieuwe kap-gebaseerde aanpak de gebruikelijke afweging tussen signaalkwaliteit, mobiliteit en praktische bruikbaarheid wegneemt. Door een ontwerp te gebruiken dat geschikt is voor alle hoofdomvang, hebben de onderzoekers het mogelijk gemaakt om over te stappen van trage, op maat gemaakte opstellingen naar een systeem dat veel deelnemers snel kan verwerken, waardoor de snelheid van hersenbeeldvorming dichter bij die van andere veelvoorkomende medische scans komt. Deze vooruitgang betekent dat hoogprecisie hersenmonitoring niet langer gevangen zit in een zware, stationaire machine of beperkt is tot een paar gelukkige deelnemers met op maat gemaakte helmen. In plaats daarvan opent het de deur naar het bestuderen van het brein terwijl mensen zich bezighouden met natuurlijke, alledaagse gedragingen, wat een helderder venster biedt op hoe de geest werkt in de echte wereld.