探秘脑科学！基于原子磁力计的新型脑磁探测手段

大脑被认为是人类已知的最复杂、最精细的系统。解开大脑谜团是人类认识自然与自身的终极目标。例如回答这些问题：人类学习、记忆的原理是什么？各种精神疾病、脑疾病的病因又是什么？对此，科学家们先后研制出了电子计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）等结构成像技术以及功能性磁共振（fMRI）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）等功能成像技术来推进脑科学研究。结构成像技术主要对大脑结构进行可视化，多用于肿瘤、脑血管病等脑结构发生改变的疾病研究。功能成像技术主要通过测量大脑的脑电、脑磁、血流、氧耗等信息，间接反应大脑功能，主要用于癫痫、脑肿瘤等脑神经疾病研究。

表：fMRI、EEG、MEG时间、空间分辨率对比

其中，脑磁图作为一种新兴的脑成像技术，以毫秒级的时间分辨率（＜1 ms）和毫米级（＜5 mm）的空间分辨率探测大脑磁场。与功能性磁共振相比，脑磁图能观测脑功能实时动态信息；与脑电图相比，具有较高的空间分辨率。

由于大脑和头皮之间的头骨和其软组织并不会扭曲及衰减磁信号，因此，脑磁信号不存在失真。此外，脑磁图检查时无需服用放射性药物或暴露在辐射环境下，具有安全、无创的优点。

脑磁的大小一般在50 fT ~5 pT，相当于地球磁场(30~50 μT) 的亿分之一，因此需要高灵敏的探测器进行测量。当前用于脑磁测量的商用设备主要是以超导约瑟夫森结效应和磁通量子化为技术基础的SQUID-MEG系统，最高灵敏度可达1fT/Hz^1/2。目前，SQUID-MEG已有商业化设备，在临床和科研领域都已有应用。

MEGIN公司的SQUID-MEG产品

然而，SQUID-MEG 需要大量液氦制冷以维持超导状态，随着当前全球的氦气资源紧缺，液氦价格不断上涨，再加上我国基本依赖进口，所以SQUID-MEG运行成本极高。此外，SQUID-MEG的传感器需要固定地布置在巨大的液氦杜瓦中，这使得脑磁图只能在静止状态下工作且无法有效适配不同大小的头部，这对于儿童的使用受到很大限制。上述两点在很大程度上限制了脑磁图的普及和应用。

原子磁力计是近些年发展起来的具有超高灵敏度的磁力计（~0.1fT/Hz^1/2），不仅具有小型化的磁探头，可实现较高的空间分辨率，而且比传统的SQUID磁力计制作和运行成本低，已进入生物磁测量领域进行应用。

2010年，Johnson C 等人采用多通道SERF原子磁力计测量技术，采集了听觉刺激和电刺激后的大脑磁场的信号。通过与商用的 SQUID-MEG 系统相比，证明了多通道SERF磁力计在脑磁方向应用的有效性。

原子磁力计及商用SQUID-MEG脑磁测量结果对比

参考文献：Applied Physics Letters,97(24): 243703(2010).

可穿戴式脑磁图仪

参考文献：Nature,555, 657–661(2018)

2018年，英国诺丁汉大学彼得•曼斯菲尔德爵士成像中心的科学家结合了原子磁力计和3D打印技术，完成了一种“穿戴式”脑磁图仪设计。相较于传统的275通道脑磁图设备（大约有450 kg，且被测试者头部相对于传感器必须保持静止），该设计只有905 g并且能“私人订制”，以此保证传感器和不同类型测试者的头皮表面直接接触。2021年该中心与Magnetic Shields公司合作设立Cerca Magnetics公司，推出新型原子磁力计脑磁图仪产品。

Cerca Magnetics公司推出的原子磁力计脑磁图仪

同年，中科院生物物理所成功构建一套12通道的原子磁力计脑磁图原型机，含有可兼容多种探测器的96通道3D打印可调型脑磁图头盔等创新技术，并已成功获得高质量脑磁成像信号。在某些应用上，可使用比传统超导量子干涉仪脑磁图系统少得多的探头就能达到相同或更高的定位精度。该原型机可有效探测大脑海马区、上丘等传统脑磁难以有效探测的脑深部区域，还可有效应用于传统脑磁图难以应用的低龄儿童、帕金森患者等群体，在发育心理学和脑疾病诊断等领域有着潜在的应用前景。

原子磁力计脑磁图原型机

基于原子磁力计的MEG系统被公认是未来MEG设备的发展方向。较于当前SQUID-MEG具有以下优势：

1. 可在室温环境工作，无高额的液氦消耗，运行成本几乎为零。

2. 传感器更靠近头皮表面，所探测的信号信噪比更高。

3. “穿戴式”设计不仅适用于儿童和成人，还可在运动状态下进行脑磁记录。

4. 设备体积更小，可以在更小的磁屏蔽环境中使用，利于应用普及。

具备诸多优势的原子磁力计有望在生物磁测量领域引领全新变革。在国内，国仪量子基于在量子精密测量领域深厚的技术积累与应用实践，研制并发布了量子自旋磁力仪（SpinMag-I）。

国仪量子自研的量子自旋磁力仪（SpinMag-I）利用碱金属原子（Rb-87）外层电子自旋性质，以泵浦激光作为操控手段，使碱金属原子产生自旋极化。在外界弱磁场的作用下，碱金属原子发生拉莫尔进动，改变对检测激光的吸收，从而实现高灵敏度的磁场测量。量子自旋磁力仪具有灵敏度高、体积小、能耗低、易于携带的特点，未来将引领人类在科学研究、生物医学等磁传感领域进入量子时代。

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