123RF
Kwantowe czujniki pomogą w wykrywaniu demencji
Redaktor: Iwona Konarska
Data: 22.11.2021
Źródło: PAP/Paweł Wernicki
Nowe, bardzo czułe czujniki kwantowe mogą w przyszłości identyfikować choroby mózgu, takie jak demencja, stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i choroba Parkinsona – informuje pismo „Scientific Reports”.
Opracowywane przez naukowców z University of Sussex, University of Brighton oraz Niemieckiego Narodowego Instytutu Metrologii skanery kwantowe mogą wykrywać pola magnetyczne generowane podczas aktywacji neuronów. Mierząc zmiany w mózgu w niewielkich odstępach czasu, śledzą prędkość, z jaką sygnały przemieszczają się w mózgu. Pacjent może być skanowany dwa razy w odstępie kilku miesięcy, aby sprawdzić, czy aktywność w jego mózgu nie zwalnia. Takie spowolnienie może być wczesną oznaką choroby Alzheimera lub innych chorób mózgu.
– Po raz pierwszy pokazaliśmy, że czujniki kwantowe mogą generować bardzo dokładne wyniki zarówno pod względem przestrzeni, jak i czasu. Podczas gdy inne zespoły wykazały korzyści dotyczące lokalizacji sygnałów w mózgu, po raz pierwszy czujniki kwantowe okazały się tak dokładne również pod względem synchronizacji sygnałów – wskazuje główna autorka artykułu, Aikaterini Gialopsou, doktorantka University of Sussex. – Może to być naprawdę istotne dla lekarzy i pacjentów zainteresowanych rozwojem zaburzeń mózgu.
Czujniki kwantowe są znacznie dokładniejsze niż rejestrujące aktywność mózgu elektroencefalografy (EEG) lub skanery fMRI, częściowo ze względu na fakt, że mogą zbliżyć się do czaszki. Mniejsza odległość czujników od mózgu może nie tylko poprawić przestrzenną, ale także czasową rozdzielczość wyników. Ta podwójna poprawa dokładności – zarówno w czasie, jak i w przestrzeni – sprawia, że sygnały wytwarzane przez mózg mogą być śledzone w sposób niedostępny dla innych typów czujników.
– To technologia kwantowa sprawia, że te czujniki są tak dokładne – wyjaśnia profesor Peter Kruger, który kieruje laboratorium Quantum Systems and Devices przy University of Sussex. – Czujniki zawierają gaz atomów rubidu. Wiązki światła laserowego padają na atomy, a gdy atomy doświadczają zmian w polu magnetycznym, emitują światło w inny sposób. Wahania emitowanego światła ujawniają zmiany aktywności magnetycznej w mózgu. Czujniki kwantowe mają dokładność mierzoną w milisekundach i milimetrach.
Nieinwazyjny sposób badania aktywności mózgu, który może wykorzystywać kwantowe czujniki, nazywa się magnetoencefalografią (MEG). W przeciwieństwie do istniejących skanerów mózgu – które wysyłają sygnał do mózgu i rejestrują to, co wraca – MEG pasywnie mierzy to, co dzieje się wewnątrz mózgu, eliminując zagrożenia dla zdrowia obecnie związane z badaniem niektórych pacjentów.
Na razie skanery MEG są drogie i nieporęczne, co sprawia, że trudno je stosować w praktyce klinicznej. Rozwój technologii czujników kwantowych może mieć niezwykle istotne znaczenie dla przeniesienia skanerów z wysoce kontrolowanych środowisk laboratoryjnych do rzeczywistych warunków klinicznych.
– Po raz pierwszy pokazaliśmy, że czujniki kwantowe mogą generować bardzo dokładne wyniki zarówno pod względem przestrzeni, jak i czasu. Podczas gdy inne zespoły wykazały korzyści dotyczące lokalizacji sygnałów w mózgu, po raz pierwszy czujniki kwantowe okazały się tak dokładne również pod względem synchronizacji sygnałów – wskazuje główna autorka artykułu, Aikaterini Gialopsou, doktorantka University of Sussex. – Może to być naprawdę istotne dla lekarzy i pacjentów zainteresowanych rozwojem zaburzeń mózgu.
Czujniki kwantowe są znacznie dokładniejsze niż rejestrujące aktywność mózgu elektroencefalografy (EEG) lub skanery fMRI, częściowo ze względu na fakt, że mogą zbliżyć się do czaszki. Mniejsza odległość czujników od mózgu może nie tylko poprawić przestrzenną, ale także czasową rozdzielczość wyników. Ta podwójna poprawa dokładności – zarówno w czasie, jak i w przestrzeni – sprawia, że sygnały wytwarzane przez mózg mogą być śledzone w sposób niedostępny dla innych typów czujników.
– To technologia kwantowa sprawia, że te czujniki są tak dokładne – wyjaśnia profesor Peter Kruger, który kieruje laboratorium Quantum Systems and Devices przy University of Sussex. – Czujniki zawierają gaz atomów rubidu. Wiązki światła laserowego padają na atomy, a gdy atomy doświadczają zmian w polu magnetycznym, emitują światło w inny sposób. Wahania emitowanego światła ujawniają zmiany aktywności magnetycznej w mózgu. Czujniki kwantowe mają dokładność mierzoną w milisekundach i milimetrach.
Nieinwazyjny sposób badania aktywności mózgu, który może wykorzystywać kwantowe czujniki, nazywa się magnetoencefalografią (MEG). W przeciwieństwie do istniejących skanerów mózgu – które wysyłają sygnał do mózgu i rejestrują to, co wraca – MEG pasywnie mierzy to, co dzieje się wewnątrz mózgu, eliminując zagrożenia dla zdrowia obecnie związane z badaniem niektórych pacjentów.
Na razie skanery MEG są drogie i nieporęczne, co sprawia, że trudno je stosować w praktyce klinicznej. Rozwój technologii czujników kwantowych może mieć niezwykle istotne znaczenie dla przeniesienia skanerów z wysoce kontrolowanych środowisk laboratoryjnych do rzeczywistych warunków klinicznych.
