微型传感器但有大影响：Harry Cook与Anna Kowalczyk博士谈先进脑磁成像技术

请介绍一下您的学术背景？

Anna：我的研究领域是原子物理学。最初从事冷原子实验搭建，后转向光学磁力测量。现在作为伯明翰大学助理教授，主要研发用于脑部成像的光泵磁力计（OPM）。

Harry：我硕士攻读医学物理专业，研究方向涉及较少的激光和原子物理。加入Anna的研究组攻读博士后才开始参与OPM研发。本科和硕士期间我使用OPM，现在则致力于开发它们，有些许跨越学科。

能否详细解释你们的脑成像研究？

Anna：我们致力于开发用于脑磁图的光泵磁力计。脑磁图是一种脑部成像方法，用于测量人们在思考或执行任务时，蔓延到大脑周围的微弱磁场。在任务中活跃的神经元会产生树突电流，进而形成微弱磁场。通过在头部周围布置多个微型磁力计测量该磁场，配合数学算法，就能定位这些磁场在大脑中的起源。神经科学家借此研究认知神经机制和大脑。

Harry：这段视频能直观展示我们的研究。

你们也进行人体实验吗？

Harry：是的，这是我们最新论文的成果。通过向受试者播放音频，传感器成功捕捉到了脑部反应。我们同时还对心跳实施了测量——我们的传感器能在5厘米外检测到心跳信号。

播放古典乐和摇滚乐时信号有差异吗？

Harry：理论上可以。

MFLI锁相放大器在实验中起什么作用？

Harry：我们的传感器基于铷原子气室。在磁场中，原子磁矩会绕磁场轴作拉莫尔进动，其频率与场强相关，因此可用作传感器。为了测量磁场，我们采用共振驱动实验来追踪磁光共振的拉莫尔频率。因此需要一台仪器来驱动传感器，同时测量信号的幅值和相位，确保原子始终以共振频率振荡。我们使用MFLI锁相放大器和PID选件实现了该实验。并且锁相放大器的低噪声特性对微弱信号检测至关重要。

未来几年的研究计划是？

Anna：我们计划集成更多传感器并融合其他神经科学技术。目前有两种设想：一是与经颅磁刺激（TMS）结合，在TMS脉冲诱导/抑制神经活动时测量脑响应；二是与近红外光谱技术联用。我们的光学传感器可以额外加入一些光纤，这样就能将红外光传递到脑组织中，提取组织的散射光，测量脑代谢。该技术可以提供脑活动的额外补充信息。

面临哪些挑战？

Harry：检测微弱磁场极其困难，因为我们的环境中存在许多磁场，例如电梯运行时的磁噪声。即使经过磁屏蔽，这些磁场仍然比脑活动产生的磁场强很多。同时，TMS线圈产生的1-3特斯拉激励磁场更是远远超过我们想测量的脑活动信号，50飞特斯拉。因此，这是一个艰巨的任务。不过我们通过物理设计，使传感器可以承受强磁场冲击，然后以飞特斯拉级灵敏度测量微弱磁场。

这项技术的应用前景如何？

Anna：作为人类大脑健康研究中心成员，我们不仅研发传感器，更关注医疗应用。未来医生或能借助实时反馈系统，在治疗抑郁症等神经疾病时直观观察脑部对刺激的反应。用我们的传感器，医生可以立即观察到大脑对治疗的反应。

业余时间喜欢做什么？

Harry：烹饪（很多很多烹饪！）和打羽毛球。

Anna：热衷园艺。本想种菜，结果现在更像是为蛞蝓和其他偷菜小动物经营农场。