במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת eLife, חוקרים מעריכים את ההיתכנות של מגנטו-אנצפלוגרפיה מבוססת מגנומטר שאוב אופטי (OPM-MEG) לניטור תנודות עצביות במהלך התפתחות המוח.
לימוד: מעקב אחר המסלול הנוירו-התפתחותי של תנודות רצועת בטא באמצעות מגנטו-אנצפלוגרפיה מבוססת מגנומטר שאוב אופטי. קרדיט תמונה: peterschreiber.media / Shutterstock.com
מהן תנודות עצביות?
תנודות עצביות, במיוחד תנודות בטא, חיוניות לתפקוד המוח וממלאות תפקיד חשוב בקשרים למרחקים ארוכים, במיוחד ברשתות קשב. הכרה בתהליכים אלו היא קריטית להבנת הגורמים למחלות נוירולוגיות ומחלות נפש.
תנודות בטא והאפנון שלהן יכולים לזהות חריגות במצבים כמו אוטיזם, טרשת נפוצה, מחלת פרקינסון וסכיזופרניה. לימוד המהלך הנוירו-התפתחותי של תנודות בטא עשוי לספק תובנות חדשות לגבי תפקוד נורמלי ושונה; עם זאת, אילוצים טכנולוגיים מגבילים חקירות אלו.
לגבי המחקר
במחקר הנוכחי, החוקרים השתמשו בפלטפורמת OPM-MEG בעלת 192 הערוצים כדי לחקור את המסלול ההתפתחותי של תנודות בטא בקרב אנשים בין גיל שנתיים ל-34 ואת השינויים ההתפתחותיים הנלווים.
הגדרה נסיונית ומודולציית פס בטא במהלך משימה חושית. (א) ילד בן 4 חובש קסדה מבוססת מגנטו-אנצפלוגרפיה (OPM-MEG) שאובה אופטית (התקבלו הסכמה ואישור לפרסום). (ב) תרשים סכמטי של כל המערכת בתוך החדר הממוגן. (ג) המחשה סכמטית של תזמוני גירוי ותצלום של הממריצים הסומטוסנסוריים. ממריצי 'ברייל' כוללים כל אחד שמונה פינים, הניתנים לשליטה באופן עצמאי; כל השמונה שימשו בו זמנית כדי להעביר את הגירויים.
נתונים אלקטרו-פיזיולוגיים בנאמנות גבוהה הושגו במהלך משימה סומטו-סנסורית פסיבית שכל אחד, ללא קשר לגיל, יכול היה לבצע כדי להעריך מודולציה הנגרמת על ידי גירוי של תנודות בטא בקליפת המוח החושית ובקישוריות של המוח כולו. המחקר הנוכחי כלל 27 ילדים בגילאי שנתיים עד 13, מתוכם 17 נשים, וכן 26 מבוגרים בגילאי 21 עד 34 שנים, מתוכם 13 נשים.
ל-OPM-MEG היו יותר מ-64 OPMs שזיהו שדות מגנטיים על פני שלושה מישורים אורתוגונליים. חיישנים הוצמדו לקסדות מעוצבות בתלת מימד בגדלים שונים, ובכך אפשרו התאמה אישית של ראשו של המשתתף. משקל הקסדה נע בין 856 ל-906 גרם.
הטכנולוגיה שולבה בחדרים ממוגנים מגנטית (MSR) עם בקרות שדה אקטיביות כדי לאפשר הפחתת שדה רקע ותנועת המשתתפים במהלך הסריקה תוך שמירה על פעולת החיישן.
כל משתתפי המחקר השלימו משימה שבה שני ממריצים הפעילו ברציפות גירויים סומטו-חושיים פסיביים על האצבע הקטנה או המורה הימנית.
כל גירוי הופעל למשך 0.5 שניות, חזר על עצמו במרווח של 3.5 שניות, וכלל הקשה שלוש פעמים על קצות האצבעות. דפוס גירוי זה חזר על עצמו 42 פעמים בשתי האצבעות. לשם השוואה, הנתונים נערכו בממוצע בתוך כל קבוצה ובין כל 24 הפרטים.
ההבדל הגבוה ביותר באמפליטודת רצועת בטא בין תקופות הגירוי ולאחר תקופות הגירוי נקבע ושורטט אותו כנגד הגיל. מתאם מעטפת המשרעת (AEC) בין אותות פסי בטא לא ממוצעים שנאספו מ-78 אזורי קליפת המוח נמדדה גם כדי להעריך קישוריות תפקודית במוח. מודל Markov מוסתר חד-משתני, שלושה מצבים (HMM) על האות האלקטרו-פיזיולוגי בפס רחב הנגזר מהאתר של אפנון הבטא הגבוה ביותר שימש לבחינת התפרצויות פאן-ספקטרליות.
נתונים ממשתתף בודד (גיל 7). (א) עלילות מוח מציגות פרוסות דרך הקורטקס המוטורי השמאלי, עם מפה פסאודו-T-סטטיסטית של אפנון בטא. הפסגות הכחולות/הירוקים מצביעות על מיקומים של אפנון הבטא הגדול ביותר במהלך גירוי עבור ניסויים באצבע המורה (ספרה 2/D2), בעוד הפסגות האדומות/צהובות מציגות את האצבע הקטנה (ספרה 5/D5). (ב) ספקטרום תדר זמן המציג אפנון משרעת תנודה עצבית (שינוי חלקי במשרעת הספקטרלית ביחס לקו הבסיס שנמדד בחלון של 2.5-3 שניות) עבור שתי האצבעות, תוך שימוש בנתונים שחולצו מהמיקום של אפנון שיא בטא (קליפת המוח הסנסומוטורית השמאלית). קווים אנכיים מציינים את הזמן של גירוי הברייל הראשון. שימו לב להפחתת משרעת הבטא במהלך הגירוי, כצפוי.
ממצאי המחקר
אפנון המושרה על ידי גירוי של תנודות בטא בקליפת המוח התחושתית ובקישוריות של המוח כולו משתנה באופן משמעותי עם הגיל. התפרצויות פאן-ספקטרליות של פעילות אלקטרו-פיזיולוגית היו קשורות עם מודולציות בטא מוגברות שנגרמו ממשימה עם הגיל.
שיא אפנון נצפה באזור קליפת המוח הסנסומוטורי השמאלי, עם הבדלים לא מובהקים באתר של אפנון שיא בטא בין גירויי האצבע הקטנה לאצבע המורה. ספקטרוגרמות תדר זמן (TFS) הראו אמפליטודות בטא מופחתות במהלך הגירוי עבור כל הקבוצות, עם ההשפעות הבולטות ביותר שנצפו במבוגרים.
דפוסי החיבור בילדים היו מגוונים בעוצמתם ובחתימה המרחבית, כאשר הרשת החזותית מציגה את המחוברות הגבוהה ביותר. האזורים הקדמיים והפריאטליים משתנים הכי הרבה עם הגיל, בעוד שלקליפת הראייה יש את ההשפעה הנמוכה ביותר.
נצפו מתאמים חיוביים של פירסון בין אפנון הסתברות להתפרצות לגיל, ובכך מצביע על כך שהשינוי במודצי הבטא הקשורים למשימה נובע משונות בהסתברות להתפרצות. התפרצויות היו פחות סבירות במהלך גירוי, עם ההשפעות הפחות בולטות בקרב אנשים צעירים יותר.
בקרב מבוגרים, הספק הספקטרלי ירד עם הגדלת התדרים, והראה שיאים נוספים של פס אלפא ובטא. ירידה בתדרים גבוהים ותדרים נמוכים מוגברים נצפו בילדים בהשוואה למבוגרים.
ככל שהגיל עלה, נצפתה ירידה בתכולת הספקטרום בתדר נמוך ועלייה בתכולת הספקטרום בתדר גבוה. עם זאת, תוכן הספקטרים בתוך פסי אלפא נשאר יציב עם מתאמים לא מובהקים עם הגיל. המצבים שאינם מתפרצים היו קשורים לדפוסים דומים עבור שינויים בתדירות הקשורים לגיל.
OPM-MEG היה אופטימלי לעמידה לאורך החיים בגדלים מרובים של קסדות והבדלים לא משמעותיים במרחק של קרקפת לחיישן עם הגיל. מערכי OPM-MEG הניתנים להתאמה אישית פעלו היטב, והקסדות היו נוחות.
החום מחיישנים התפזר באמצעות הסעה וכיסויי חומר בידוד. ניהול שדה אקטיבי צמצם את השדה, בעוד שחיישנים תלת-ציריים ביטלו כינוי מרחבי והגברת דחיית הרעשים.
מסקנות
OPM-MEG היא פלטפורמה חדשה למדידת אלקטרופיזיולוגיה של המוח על פני גילאים. טכנולוגיה זו משלבת ביצועי MEG עם הנוחות של ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום פונקציונלית (fNIRS) או אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG), ובכך הופכת אותה למתאים ליישומים של ילדים.
OPM-MEG יכול לשפר אפנון בטא המושרה על ידי משימות וקישוריות תפקודית של כל המוח עם הגיל כדי לזהות מחלות כמו אוטיזם ואפילפסיה בילדים כבר בגיל שנתיים. המערכת מספקת גם נתונים על פעילות מוחית מתואמת ובגרות הקשורה לגיל, כאשר אנשים מבוגרים פחות יחוו התפרצויות קליפת מוח סומטו-סנסוריות. עם זאת, לשיטה יש כמה מגבלות, כולל טווח מוגבל של קסדה, אופטימיזציה של משקל והדרישה לטכנולוגיית סליל.
