量子物理与大脑扫描——Quspin光泵磁力计在脑科学中的应用

正文

量子物理与大脑扫描

编自2021年2月 Physics World

引言：

基于基础物理的健康技术，已经掀起了数次医学革命。但是面对更多更复杂的挑战，就需要引入全新的物理理论。来自诺丁汉大学

(University of Nottingham)的Hannah Coleman和Matt Brookes希望通过基于量子物理的MEG扫描，来探索人类大脑是如何运作

的。

在大多数医学成像中，目标都是获得身体或者组织的内部结构，寻找异常的增生、肿瘤、或者异常，并以此来确定治疗所需的关键信

息。

然而，在很多疾病中，需要关心的不只是器官的基本结构，更重要的是这些器官如何运作。这一点对于评估器官的健康状态非常重要

——特别是大脑疾病，比如癫痫、痴呆、还有其他的一些精神疾病。在这些疾病中，无论用多精密的成像手段，器官组织的结构通常

看起来都很 “正常”，但是从功能运作上来说的确存在问题。因此，发展一种可以观察大脑功能运作的手段，就非常重要了。换句话

说，我们需要一种可以同时观察大脑里九千万神经细胞电信号的手段。

“For many illnesses we must move beyond simple structure and learn about the way in which an organ functions.”

“对于许多疾病，我们不能仅仅局限在器官基本构造上，而是要去了解它们的运作方式。

脑磁图（magneto-encephalography，MEG）是观察大脑功能的一种新方式。MEG通过测量电流在神经结构中流动时产生的磁信

号，用数学模型生成实时的神经电流波动（下图a）。因此，MEG作为一种安全、非入侵式的观察方式，为我们了解大脑的工作方式提

供了有效的支持。在脑科学的研究中，脑磁探测技术的应用日益广泛，让人们对于健康和受到疾病影响的大脑运作方式有了更深入的认

识（下图b）。

脑磁图（MEG）的效果：

a.当人移动手指的时候，大脑中初级运动皮层上的细胞簇就会处于活跃状态，同时这种神经电流会产生相应的磁场。这个磁场相对于头

的径向分量就可以被探测到，并且被MEG所描绘出来。在可视化数据表达上，红色表示远离头部的磁场方向，蓝色表示朝向头部的方

向。通过称为“溯源定位”的数学模型，我们可以生成神经电流实时变化的3D图形。黄色的包络区域表明，手指运动时，区域内有神

经电流波动。通过MEG，大脑活动不仅仅可以在空域内进行观察研究，还可以在时域进行有效观测。大脑活动的电信号可以分解成特

征频谱（被称作神经振荡或者脑波）。

上图表示了手指运动时，初级运动皮层中电流强度振荡频率随时间变化的情况。蓝色表示相对于神经节奏基准减弱，红色表示加强。当

对象移动手的时候，beta振荡（~20Hz）减弱。运动过后，通过“重结合”（比如信号增强高于基准值），回归到基准值。这种重结

合在患有精神分裂症的患者上会表现异常。这可能表明初级运动皮层和大脑其他区域缺乏有效联系。（资料提供：Elena Boto, 

University of Nottingham; CC BY 4.0 Robson et al. adapted from NeuroImage: Clinical 12 869）

尽管潜力巨大，现有的MEG扫描却具有极大的局限性，因此并没有被广泛应用。脑电流产生的磁场非常微弱（~100fT，大约为地球磁

场的十亿分之一），所以需要非常灵敏的传感器。许多年以来，可用的设备只有超导量子干涉仪（Superconducting Quantum 

interference Device, SQUID），这是一种基于超低温下两个超导体之间绝缘带中的隧穿效应的低温传感器（基于约瑟夫森效应）。隧

穿电流是SQUID中磁通量的函数。

“Despite excellent promise, the current generation of MEG scanners are severely limited, preventing their widespread adoption.”

“尽管有很好的预期，目前这一带的MEG扫描器有很大的局限性，这一局限性阻碍了他们被广泛应用”

为了保持超导态，SQUID必须处于-269℃的环境中，这就极大限制了MEG扫描的设计和应用范围。首先，必须保证低温腔和被测人头

部之间的热绝缘，以防对被测人造成伤害。由于磁场是按照距离的平方衰减，这个热绝缘带就局限了探测的灵敏度。其次，探头被安放

在被测人头部外的杜瓦容器（超低温腔）中。以上两点意味着，如果测试中，被测人头部发生了移动，就会大大降低扫描质量。仅仅

5mm的平移就会让测量数据彻底无效，大多数被测人是无法忍受这种测试环境的。同时，这种固定式的探测结构，也导致了固定的测

试头罩尺寸。这大大限制对年幼儿童和婴儿的扫描，因为儿童和婴儿的头部尺寸远小于探测头罩。last，SQUID探测器、控制电路、

制冷回路的复杂组合，也大大提升了造价（典型价格为200万英镑，1800万人民币以上的造价，加上高昂的运行费用）

量子革命

近年来研究人员通过对量子领域的探索解决了MEG的局限性（感谢由英国量子技术项目和惠康信托基金资助的诺丁汉大学彼得曼

斯菲尔德影像中心和伦敦大学惠康人类神经影像中心）。在研究中，光学泵浦磁力计（光泵磁力计，Optically Pumped 

Magnetometers, OPMs）是关键突破。OPM是一种基于量子技术，和SQUIDs有同样灵敏度的磁场探测装置，但是不需要SQIUIDs

那样的超低温环境（下图）

光学泵浦磁力计（OPM）基本原理：

每个光泵磁力计包含一个充满铷-87原子蒸汽的玻璃室。当一束和原子的D1谱线产生谐振的圆偏光穿过蒸汽时，它将铷原子泵浦到一个

角动量顺着光束的量子态。因为每个原子具备的磁动量和角动量是相关联的，自旋偏振的原子蒸汽的净磁化率对外界磁场非常敏感。当

所有的原子都在相同的状态，并同时引入偏正态时，就不会产生更多的吸收。这时候，通过气室的光强达到Z大值。然而，当偏振率因

为某些原因下降的话，比如说由于和外界磁场发生交互，光就会再次被吸收，同时光探测器上得到的信号就会相应减弱。不过，偏振一

般很快就会消失，因为原子倾向于自然的“弛豫”态。在一个零场的环境中，这主要是由于自旋交换碰撞。这种碰撞导致在处理自旋态

时，相干性的损失。为了维持磁场敏感态，就需要去抑制这种弛豫。虽然可能有些反直觉，但是这一点可以通过增加蒸汽密度来实现。

这样就增加了自旋交换碰撞率。在低磁场的环境下发生极高数量的碰撞，自旋在两次碰撞中没有足够的时间发生退相干，这就使得偏振

态可以得到保持，从而也就维持了对外部磁场的敏感度。这被称为无自旋交换弛豫（Spin-Exchange Relaxation Free，SERF）区

间。在SERF区间里，偏振气体宏观磁动量遵循Bloch等式——一组描述宏观磁场变化关于时间的方程。这样，外部磁场的变化就可以

得到很好的描述。这种描述表明，通过测量透过气室的光强得到的蒸汽偏振，是关于外部磁场的洛伦茨函数。不过，洛伦茨方程的对称

性表明，正向和反向的磁场会对蒸汽有着相同的影响。这一点可以通过叠加另一个已知的外部磁场来补偿。通过加载一个外部的交变磁

场，使得蒸汽偏振态随着外部加载的微小磁场（<1nT）发生线性相关变化。这样的话，还可以通过锁频探测经过气室的光强的微小变

化，以达到非常高的灵敏度。

较新的商业化产品，是由一家美国公司QuSpin推出的。QuSpin不仅使OPM更加坚固易用，而且兼具轻量化和小型化地特点。（尺寸

和重量都和一块乐高积木相当）。基于这个新的设计，研究人员搭建了新的MEG设备。因为这些OPM非常小，而且不需要低温设备，

它们可以被直接安放在被测人的头上。由于去除了前代设备的隔热层，这些探头可以非常接近大脑，从而大大提高了探测灵敏度。

“Based on this new design, our team has integrated optically pumped magnetometers into a working prototype MEG device.”

“基于这种新设计，我们的团队将光泵磁力计集成进了一个可以正常运行的MEG原型机”

这也使得探头阵列可以跟随被测头部一起运动，让MEG测量不再受被测物的运动所干扰。同样的，一个柔性的OPM安放架可以适应任

何头颅大小。不管是婴儿、儿童、成年人都可以用同一套系统测量。也因为没有了复杂的低温系统， 基于OPM的MEG系统从制造到运

行的费用都会大大降低。

综上所述这项技术使得MEG系统进化得更实用、功能更强大、价格更低廉，从而更适合大范围泛临床应用。

然而，在实际应用中还有些其他问题需要克服。其中主要的问题之一，就是背景磁场噪音。大脑产生的磁场，相比于周围随时间变化

的磁场，比如实验室设备、电脑、路过的汽车、甚至我们自己的身体所产生的磁场，要小得多。这些噪声源会产生非常大的相干磁场，

使脑磁探测的难度类似于在摇滚现场去听一根针掉在地上的声音。

量子玩具

微型化结构使单个光泵磁力计（OPM）探头大小和重量都和一个乐高砖块相似。这些探头由位于美国科罗拉多的QuSpin公司生产。

（图片来源：诺丁汉大学）

使问题更加复杂的是地球磁场的加入。对于SQUID，地磁并没有影响，因为SQUID只对随时间变化的磁场敏感——当然地球磁场几乎

不移动。但是对于OPM，我们希望病人可以在扫描过程中自由移动。这就使磁力计相对于地球磁场产生了运动。这样一来，OPM所测

得的磁场变化和大脑也就没啥关系了，因为他们在一个磁场中发生了旋转，或者在梯度场种发生了移动。在一些情况下，这点会让

OPM完全无法运作。

由于这些原因，在OPM测试周围，随时间变化的磁场和地球的静态磁场都必须被去除。为了得到高保真的信号，采用了主动和被动的

磁场屏蔽技术。

被动屏蔽技术包括将MEG系统放在一个由多层高磁导率金属材料制成的磁屏蔽室中。然而，即便是xianjin的被动屏蔽也不能将地球磁

场屏蔽到允许患者可以自由移动的水平。因此，就引入了主动磁场补偿系统。

主动磁场控制：

亥姆霍次线圈产生或者抵消一定范围内的磁场。但是如果我们只用这些来控制外部磁场的话，就需要建立一个完整的3D矢量场（比如

三个方向正交）。这也就意味着需要将目标区域（物体）完全包围。但是这里所采用的双平面线圈系统，每套线圈由8组独立的线圈叠

加组成。通过使用MRI中梯度线圈的设计，每个线圈在中心区域产生不同的场或者梯度场（比如 Bx，By，Bz，dBx/dx，dBy/dy）。

这种结构与亥姆霍次笼有相似的性能表现，同时不会限制目标物体的运动。这些“指纹线圈”被安放在两个平面内。每个平面是

1.6x1.6m2，两平面间距1.5m。复杂的走线和系统的尺寸都增加了系统搭建的难度。不过即便如此，这个系统对于MEG研究来说，也

是更为合适的。更重要的是，这种设计也可以用在其他的领域，现在类似的技术已经用在了量子引力测量方面，用以进行地下结构的地

球物理测绘。

整套系统由与一套独立的磁力计阵列相连的复杂的电磁线圈系统构成。磁力计阵列可以测量被测者头部附近的磁场。通过测量所得的数

值，一个闭环反馈系统可以调节线圈阵列里的电流，产生相反的场。这样，这些就可以抵消掉被测者头部周围的残留测场。通过建造这

样的主动被动相结合的磁屏蔽设备，可以将被测者周围的磁场削减至50μT到~200pT。屏蔽系数达到~250000。通过使用这个技术，

可以产生一个0.5m3的测量空间，被测者可以在其中自由移动。

“This technology generates a region of space around 0.5 m3 in which a patient can move freely during a scan”

“这项技术可以产生一个大约0.5m3的空间。在扫描时，被测者可以在其中自由移动。”

为了实现OPM-MEG系统，还有些其他问题需要解决。

探头在被测者头部具体的分布形式，是通过解析解和计算模拟综合决定的。这种分布不仅使OPM阵列可以高效地采集大脑地磁场信

号，而且还可以使相互之间的串扰Z小化。这种串扰是由探头周围存在的其他探头而引入的。OPM探测阵列在头部的固定，是通过高

级3D打印技术实现的。此外还研发了电控和数据采集系统，用来同步采集高达50个OPM的信号，同时还有一个独立的控制系统用来控

制线圈系统以及对被测者的刺激。除了这些，还需要新的数学模型模块，根据OPM在头皮上的测量信号，来建立大脑中电流密度图

像。这些研发综合起来，就诞生出了手个可穿戴式的OPM-MEG系统，并完全覆盖了整个大脑。

新一代的MEG：

传统的MEG扫描器非常笨重，固定测量尺寸，而且需要被测者保值不动。通过一系列关键技术的发展，诺丁汉大学的物理学家，与伦

敦大学学院的神经学家合作，通过使用光泵磁力计（OPM），制作出了新一代MEG——一种可穿戴、可广泛适用不同人的、可以在测

量中自由运动的MEG。同时，也提升了数据采集的质量。（来源：诺丁汉大学）

可穿戴式成像设备

这种量子技术和电磁理论的独特结合，使得之前无法实现的神经成像变为可能，同时被测对象可以自由活动，并且和周遭进行互动。即

便在Z初始的阶段，神经科学研究就展示了从打乒乓球时的脑部活动，到探索虚拟ShiJie时的被测人的MEG记录等一系列成果。

“Laboratories around the world are trying to gain access to this new technology”

“全SJ的实验室都期待使用这一新技术”

这些仅仅是探索的开始。现在around the world都在设法使用这项技术。很多正在进行中的研究聚焦于儿童大脑成像，并寻找神经发展研究领域中新

的突破。比如，新的成像方式可以观察儿童学会说话前后的大脑运作，或者学会行走的前后变化。这就为神经科学家创造了无数的可能

性，为实验提供了一个全新的方法。

神经科学演示：

a.进行球类游戏时候的大脑活动。神经振荡模式集中在~20Hz，主要涉及的大脑区域集中在控制腰部和手臂运动的部分。（Nature 

555 657，Springer Nature许可）。b.在虚拟现实中的测试。被测者置身于一个虚拟房间中，探过一个杆子去观察远处的棋盘。如果

棋盘在左边，右边的视觉皮层就会活跃（红色），如果棋盘出现在右边，左边的视觉皮层就会活跃（蓝色）（Neuroimage 199 

408，Elsevier许可，Ben McGeorge Henderson）。c.2岁受测儿童在感官实验中的大脑活动。（CC by 4.0 Nature 

Communications 10 4785）

除了神经科学，OPM-MEG成功的标志还体现在临床医学的应用。传统的MEG可以用在观察癫痫诊断中特定类型的“峰——波”活

动。同时在治疗药物无法控制的癫痫的切除术（将大脑中导致癫痫的部分切除）中也有应用。MEG扫描可以定位作用区域，从而大大

增加手术的有效性和成功率。

“Understanding and managing human brain health is one of the major scientific challenges of the 21st century”

“对人类大脑健康的理解和测绘是21世纪科学界大的挑战之一”

MEG还可以用在测绘癫痫区域周围的运动性语言中枢（大脑中正常工作的区域）。这可以为神经外科学家提供很多有价值的信息——

比如，测绘大脑中的运动区域，可以在外科手术中避免对这些区域的损伤，从而避免造成病人瘫痪。现在，OPM-MEG的灵活性也被

用于癫痫儿童的检测，因为OPM-MEG技术回避了传统EEG和MRI的局限性。理论上说，OPM-MEG的坚固性也可以记录癫痫发病时的

脑部活动。对于癫痫病人来说，OPM-MEG是一种极具前景的技术。

这一技术在其他脑部障碍领域也有用武之地。比如对于帕金森氏病患者，保持适用于传统检测的稳定度时很困难的，OPM-MEG就为

这类患者的检测提供了新的可能性。此外，大约二到三成的人，在生命中的某个阶段，会发生精神健康方面的问题，而且Z新的记录表

明，OPM-MEG可以探测到之前预想中认为会被严重精神疾病毁坏的大脑之间的连接。同时，对于老年人“皮质减缓”（神经振荡频

率漂移的一种现象）的识别，可以作为一种新的早期老年痴呆症发病的信号。上述仅仅是可得益于这种新设备的大脑功能障碍的冰山一

角。

理解和描绘人脑健康，是21世纪科学界主要的挑战之一，但是去迎接这一挑战的手段仍不清晰。即便如此，从X射线到MRI，从超声

技术到核医学，物理学不断能够提供改变生活的新技术。当我们展望未来时，也许这一量子技术项目的前期成功，将会成为下一代健康

技术发展的基石。

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