昆迈医疗助力北京大学高家红教授团队 | 全球首次实现多模态同步脑功能成像

脑疾病是当前人类健康最严重的负担，脑疾病和神经疾病诊疗是我国乃至全球所面临的重大挑战。随着医学成像技术的发展和进步，多模态脑成像技术在脑科学研究和脑疾病临床实践中逐渐占据重要地位，它汇集了各单一模态的优势，并可根据不同模态信号特点从多角度全面描述大脑及神经活动。

近日，北京大学高家红教授团队与北京昆迈医疗科技有限公司（以下简称“昆迈医疗”）开展课题合作，全球首次实现了脑磁图（MEG）、脑电图（EEG）和近红外光谱技术（fNIRS）信号的同步采集平台搭建和试验研究，并共同在国际顶级神经影像期刊《NeuroImage》发表题为“Multimodal neuroimaging with optically pumped magnetometers: A simultaneous MEG-EEG-fNIRS acquisition system”（利用原子磁强计技术开展多模态脑神经成像：一种同步脑磁-脑电-近红外的采集系统）的研究论文。该项研究有效记录大脑神经活动与血液动力学响应，研究脑神经血管耦合机制，在认知神经科学、临床脑神经精神疾病研究中有较为重要意义与价值。本篇论文也是国际首篇应用脑磁图、脑电图、近红外光谱技术三种模态脑功能成像技术并开展相关研究的学术成果发布。

图1 国际顶级神经影像期刊《NeuroImage》刊登研究成果

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脑电图和近红外光谱技术是常见的脑成像手段，已大量应用于脑成像及相关研究工作。脑磁图（MEG）作为一种非侵入式的脑功能成像技术，能够以毫秒级时间分辨率在头皮上测量大脑神经元电流产生的磁场，从而直接记录大脑神经生理活动。近年来，快速发展的原子磁强计（OPM）脑磁图系统可在无需液氦维持的室温环境下测量神经活动产生的极弱磁场，相比传统超导技术实现更高的信噪比和更灵活的探测器阵列排布，并获得更加精准的信号，因此学界也陆续开始围绕这一新兴技术开展相关研究。

图2 MEG-EEG-fNIRS同步脑功能成像平台示意

本项研究中，团队围绕自主开发的新一代量子脑磁图系统为载体，并结合了无磁设计的32通道全脑EEG、fNIRS，完成基于原子磁强计技术的MEG-EEG-fNIRS同步脑功能成像试验平台搭建。本实验方法属全球首创，该多模态实验平台利用多通道OPM脑磁图设备无创伤无辐射测量的特性以及探测器可灵活排布的特点，配合可与之兼容的脑电设备对神经信号进行互补采集，并发挥了近红外设备便携可穿戴、占用空间小的优势，从而实现受试者大脑神经活动产生的电磁信号和间接产生的血液动力学信号同步采集。

图3 通过脑磁、脑电、近红外三种单模态形式对受试者进行测试，并取得相对理想数据以保证实验准确性与完整性

该研究设计了稳态视觉诱发范式并用于验证系统同步采集平台的鲁棒性及有效性。稳态视觉诱发范式采用经典的棋盘格刺激，其中棋盘格试验的闪烁频率为7.5Hz，刺激时长为20秒，随后休息30秒，重复十次。多个OPM探测器放置于受试者右侧视觉皮层，用于测量该区域的视觉诱发响应。本项结果证实了结合MEG、EEG与fNIRS三模态同时测量脑电、磁生理信号和血流动力学反应的可行性，表明该多模态成像平台具有一定兼容性，同时验证了数据采集和分析程序的有效性。

图4 多模态平台视觉诱发实验数据

神经血管耦合效应与多种疾病相关（如高血压、阿尔茨海默病和缺血性中风等），但目前人类对自身大脑的神经血管耦合效应仍缺乏有效的认知。本实验研究的MEG-EEG-fNIRS多模态脑功能平台可以无创的同步记录大脑神经活动产生的电磁信号和大脑活动的血液动力学信号，使得在健康被试的大样本队列上无创研究人类大脑神经血管耦合机制成为可能。未来该平台可与高性能磁屏蔽室、磁场补偿技术、头部位置跟踪技术等方法结合，从而允许受试者在磁屏蔽空间中自由地移动，长时间研究受试者在自然状态下神经活动和血液动力学活动的关系。不仅如此，后续研究可考虑将该多模态平台应用在超扫描（hyperscanning, 通过同时记录参与同一认知活动的两人或多人的脑活动，提供主体间的互动程度与动态变化相关的证据，从全新的考察视角阐述多人互动相关的脑-脑规律）及脑机接口等研究领域。

该论文的第一作者为北京大学物理学院2020级博士茹星语，北京大学物理学院高家红教授为通讯作者，昆迈医疗CEO盛经纬博士作为共同作者参与合作研究。昆迈医疗为本试验提供了OPM-MEG、多模态同步等技术支持。该研究获得了国家自然科学基金委的支持与资助。