Avancerad hjärnundersökning kan bli bättre och billigare

MEG används idag som diagnostiskt verktyg på vissa högspecialiserade sjukhus. Bland annat inför hjärnoperationer och vid diagnostik av epilepsi och demens. En magnetencefalograf kostar cirka 30 miljoner kronor att köpa in och 2 miljoner kronor per år att köra. I Sverige finns det ingen idag, men Karolinska Institutet har nyligen tagit beslut om att köpa in en magnetencefalograf som en del av en strategisk satsning inom kognitiv neurovetenskap.

En grupp forskare från Chalmers och Göteborgs universitet arbetar nu med en metod som kan göra MEG till en mycket mer tillgänglig metod. Visionen är en teknologi som är enkel och billig nog för att finnas på varje sjukhus, och som dessutom ger helt nya möjligheter inom den grundläggande hjärnforskningen.

Det hela bygger på sensorer som inte behöver kylas ner till -269 grader Celsius, vilket dagens sensorer kräver. I stället räcker det med en nedkylning till -196 grader. Detta ger flera fördelar.

– En av dem är att det behövs mindre isolering mellan sensorerna och testpersonens huvud, säger Dag Winkler, professor i fysik på Chalmers. Då kommer sensorerna närmare hjärnvävnaden, vilket gör att man kan få en mer högupplöst bild av hjärnaktiviteten.

Med dagens teknik kan man se att en nervsignal uppstår någonstans inom ett hjärnområde som är något mindre än en tiokrona. Med ”högtemperatur-MEG” skulle man kunna öka precisionen till ett hjärnområde som bara är en bråkdel av detta.

Ett exempel på vad detta skulle kunna leda till är diagnos för autistiska barn vid en lägre ålder – något som vore mycket betydelsefullt eftersom det är avgörande för dessa barn att få rätt hjälp tidigt.

– En annan viktig fördel med högtemperatur-MEG är att det räcker att kyla ner utrustningen med flytande kväve, säger Dag Winkler. Dagens MEG kräver flytande helium, vilket är oerhört dyrt. Dessutom kan man bygga utrustning som är mycket mer flexibel och mindre komplicerad om man använder kväve i stället för helium.

Göteborgsforskarna har visat att högtemperatur-MEG fungerar för avancerade hjärnundersökningar. Med hjälp av två sensorer som de har tillverkat har de lyckats mäta spontan hjärnaktivitet, något som inte har gjorts tidigare med sensorer vid flytande kväve. Att kunna mäta spontan hjärnaktivitet (i motsats till aktivitet som är utlöst av upprepade stimuli) är en förutsättning för att kunna undersöka komplicerad hjärnaktivitet.

–  Den allmänna åsikten bland personer som håller på med MEG har hittills varit att högtemperatur-MEG inte är någon framkomlig väg, säger Justin Schneiderman, doktor i fysik vid Göteborgs universitet och Medtech West. Men nu har vi visat att det går att använda, genom att påvisa två välkända hjärnvågor i de hjärnområden där man brukar hitta dem med andra metoder.

Forskarna har dessutom gjort ett oväntat fynd. De har uppmätt en hjärnvåg – en så kallad theta-våg – i hjärnans bakre lob. Med dagens metoder hittar man theta-vågor huvudsakligen i andra delar av hjärnan.

– Det är väldigt spännande, säger Mikael Elam, professor i klinisk neurofysiologi vid Göteborgs universitet. Kanske är det en hittills oupptäckt typ av hjärnsignal som man bara kan se när man mäter så nära källan som vi gör.

Bilden:
Kommunikationen mellan hjärnceller skapar magnetfält som kan mätas med squid-sensorer. Med högtemperatur-MEG kan man placera sensorerna närmare hjärncellerna, vilket ger högre signaler och mer högupplösta bilder av hjärnaktiviteten.
Illustration: Philip Krantz, Krantz Nanoart

Om hjärnundersökningar
Inom kognitiv neurovetenskap används främst tre tekniker som kompletterar varandra:
– MEG, magnetencefalografi. Mäter de svaga magnetfält som hjärnans elektriska aktivitet ger upphov till.
– EEG, elektroencefalografi. Mäter de elektriska strömmarna i hjärnan.
– fMRI, funktionell magnetresonanstomografi. Ger en tredimensionell avbildning av lokala förändringar i hjärnans blodflöde.

fMRI är den teknik som ger bäst rumslig upplösning, men den ger dålig upplösning i tid eftersom det finns en fördröjning i blodflödets svar på en hjärnaktivitet. MEG och EEG kan däremot upptäcka händelser som varar endast några tusendelar av en sekund.

MEG har bättre rumslig upplösning än EEG, men kräver i dag mycket dyrare och mer komplicerad utrustning. MEG mäter främst aktiviteten i hjärnans veck, medan EEG främst mäter aktiviteten på åsarna mellan vecken.

MEG med låg eller hög temperatur
De sensorer som används vid MEG bygger på en komponent som kallas för squid (superconducting quantum interference device). Det är en av de mest känsliga detektorerna för magnetfält som finns. Det kvantfysikaliska fenomen som ligger till grund för en squid kräver att den hålls nedkyld till flera hundra minusgrader.

Dagens MEG-teknik bygger på så kallade lågtemperatur-squidar, som måste kylas till -269 grader Celsius. MEG med högtemperatur-squidar, där det räcker med -196 grader, utförs idag bara i forskningslaboratorier. Hittills har högtemperatur-squidar inte använts kommersiellt eftersom de har varit för svåra att tillverka och gett en för hög brusnivå. Men Chalmersforskarna har lyckats kompensera den höga brusnivån med en högre signalnivå. De kan tillverka squidar med tillräckligt hög signal i förhållande till bruset för att bygga ett system för högtemperatur-MEG.

INFORMATION OCH KONTAKT
Läs den vetenskapliga artikeln här.

Gruppen består av forskare från både Chalmers och Göteborgs universitet. Forskarna är: Maxim Chukharkin, Mikael Elam, Gerard Figueras, Anders Hedström, Alexei Kalabukhov, Justin Schneiderman, Dag Winkler, Minshu Xie och Fredrik Öisjöen.

I samarbetet ingår även Medtech West, som spelar en viktig roll för projektets framgång genom att underlätta sammankopplingen av nödvändiga kliniska och tekniska kompetenser i gruppen. Medtech West är ett västsvenskt nätverk för gränsöverskridande forskningssamverkan, utveckling och utbildning inom medicinsk teknik, där akademi, vård och industri arbetar nära tillsammans.

Forskningen har fått ekonomiskt stöd från EU:s sjunde ramprogram (FP7): projekt MEGMRI, EU via Tillväxtverket och Regionala Utvecklingsfonden för Medtech West, Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, och Kristina Stenborgs stiftelse.