Ezeknek a módszereknek és eszközöknek is vannak előzményei. Közéjük tartozik az elektroenkefalográfia, vagyis az EEG, ami tágabb értelemben véve pszichofiziológiai mérőeljárás, s amelynek segítségével a pszichés működés élettani háttere vizsgálható meg. Szűkebb értelemben az elektroenkefalográf elektrofiziológiai mérőeszköz, amely az idegsejtek elektromos aktivitásának mérésére szolgál valós időben. Az EEG-vel vizsgálható jel az elektroenkefalogram, amely egy komplex, több komponensű periodikus görbeként írható le.

  Az elektromos agystimulációval történő agyi funkciók lokalizálásának fordulópontját Gustav Theodor Fritsch és Eduard Hitzig német természettudósok 1870-ben megjelenő publikációja jelentette.

Ebben leírták, hogy kutyák agykérgének egy részét stimulálva mozgást váltottak ki az állatokban. 1875-ben Richard Caton brit fiziológus elektromos aktivitás jelét vezette el majmok és nyulak agyából, amikor fényingerrel kísérletezve kimutatta, hogy az ingerlés hatására az idegsejtek elektromos aktivitása megváltozott.

Az elektromos feszültséget galvanométerrel regisztrálta. A galvanométer nagyon kis áramerősségek mérésére alkalmas műszer.

1929-ben Hans Berger osztrák pszichiáter megalkotta az EEG-t: az emberi fejbőrre helyezett elektromos rögzítő berendezés segítségével arra kereste a választ, hogy a különböző pszichológiai állapotok és fiziológiai állapotok között milyen kapcsolat áll fenn.

Az elektroenkefalogram készítésének két módja lehetséges. Az egyik az invazív eljárás, amelynek során a koponyán át fúrt lyukakon keresztül néhány mikrométer csúcsátmérőjű elektródákat helyeznek el az agyszövetben. Ezt a módszert általában állatkísérletek során alkalmazzák, bár napjainkban egyre gyakrabban használják embereken is, főleg epilepsziás betegeknél az operáció előtt az epilepsziás góc pontos beazonosítására. Ilyenkor a kemény agyhártyába helyezik el az elektródákat. Előnye, hogy a kisfeszültségű, nagyobb frekvenciájú összetevők tisztán elvezethetők, de a látvány elég rémisztő, még akkor is, ha csak a bekötözött fejű áldozatot látod.

A másik, nem invazív technikát általában embereken alkalmazzák, amikor a hajas fejbőrre kisellenállású, fémből készült makroelektródákat helyeznek el. Ezek száma és elhelyezése szabványosított, 31, 63, 123 – ritkán 200-nál is több, csecsemőknél 21-nél kevesebb.

A vizsgálatok elvégzése és kiértékelése rutinszerű. Mindig két elektróda közötti potenciálkülönbséget mérnek, és az egyes csatornák közötti feszültség változásait kirajzoltatják.

Ma már digitalizálják a jeleket, így matematikai elemzéssel az EEG-görbét különböző frekvenciájú komponensekre bonthatják. A folyamatban meghatározzák az EEG-jel amplitúdóját egy-egy frekvenciatartományban. Mivel az idegsejtek elektromos tevékenysége mV nagyságrendű jelként továbbítható, a jelerősítés elég problematikus. A neuronpopulációk aktivitását mutató görbékben egy-egy inger által előidézett változás nehezen észlelhető, vagyis a jel-zaj viszony rendkívül rossz. További probléma, hogy a jeleket az elektróda és a források között lévő rétegek – a fejbőr, a koponyacsont, az agyhártyák, az agy-gerincvelői folyadék (liquor) – csillapítják. A jel-zaj viszonyt az egyes tartományokban sávszűrőkkel javítják.

Majdnem elfelejtettem elregélni, hogy mit jelent a neuronpopuláció. Nos, a neuronpopuláció olyan idegsejtekből álló csoport, amelynek egyedi sejtjei együtt vesznek részt valamilyen információ feldolgozásában vagy kódolásában. Ugyanis egyetlen neuron jele (tüzelési mintázata, külföldiül spike train) nagyon zajos és bizonytalan lehet. Ha viszont sok neuron válaszát együtt nézzük, sokkal stabilabb és informatívabb kép adódik – mint amikor a dalnokok egy kórusban énekelnek: egy-egy hang lehet bizonytalan, de a közös hangzás egyértelmű. Egy neuronpopuláció lehet helyileg szervezett; pl. a retina valamelyik területén a ganglionsejtek együtt dolgoznak; illetve funkcionálisan szervezett pl. a V1 kéreg azon sejtjei, amelyek ugyanazt kódolják.

Az EEG vizsgálatok során még egy trükköt alkalmaznak az eredmények pontosabbá tételére. Azt már hangtechnikából is tudod, hogy a zaj véletlenszerű, a hasznos jel viszont valamiféle szabályosságot mutat. Ha ugyanazt a mérést többször (100-500-szor egymás után) végzik el, akkor feltételezve, hogy a neuronpopulációk az egyes ingerekre hasonlóan reagálnak, a zaj viszont továbbra is véletlenszerű lesz, a mérési eredmények átlagolása után az zaj nagyon kicsivé válik, a hasznos jel viszont kiemelkedik belőle.

Az EEG legfőbb erénye az, hogy milliszekundumos pontossággal követhetők az agyban lejátszódó elektromos potenciálváltozások, szemben például a PET-tel vagy az fMRI-vel, amelyek jobb térbeli felbontást tudnak, de időbeli felbontásuk jóval rosszabb az EEG-nél. Az EEG másik előnye, hogy az elektromos kisülések közvetlenül mérhetők, szemben más módszerrel, pl. a BOLD fMRI-vel, amellyel csak a véroxigén-szint változásából, a vérátáramlásból tudunk indirekt módon következtetni az agyi tevékenységekre. Az EEG hátránya, tehát a rossz térbeli felbontása oka, hogy az EEG mindig egy hatalmas méretű neuronpopuláció összegzett aktivitását mutatja. A forrásanalízis nehézségét az úgynevezett inverz probléma foglalja össze, amelynek lényege, hogy ha egy gömbszerű test felszínén elektromos aktivitást észlelünk, akkor ebből egyértelműen nem lehet visszakövetkeztetni az aktivitás forrására, mivel a felszíni aktivitásmintázatnak elvileg végtelen számú forrás feleltethető meg. Mielőtt teljesen lefárasztanálak, röviden elmesélem, hogy miről is van szó. Ha tudjuk, hogy hol és hogyan tüzelnek a neuronok az agyban, akkor matematikailag jól kiszámítható, milyen feszültségeket fogunk mérni a fejbőrön. Ez megoldható a Maxwell-egyenletek alapján. (A Maxwell-egyenletekről a sorozatban szőrmentén volt csak többször szó, tekintettel arra, hogy felsőfokú matek-fizikai ismereteket igényel, és minden rendes műszaki egyetemi villanyosmérnök hallgató legalább egyszer megbukik belőle). A helyzet viszont az, hogy általában csak a fejbőrön mért jeleket ismerjük, és ebből kellene visszakövetkeztetni, hogy hol és hogyan aktivizálódott az agy. Nem egyértelmű, hogy ugyanaz a fejbőrfeszültség-mintázat melyik belső forrásból is származhat, hiszen az agyban potenciálisan sok tízezer lehetséges forrás van, de a fejen csak 64-256 elektródával mérnek. Ezt aluldefiniált problémának hívják. Klasszikus példája ennek az a bárgyú vicc, miszerint a kapitány lekiabál a hajógépházba a fűtőnek, hogy:
–Mennyi?
– Harminc – hangzik a válasz.
– Mi harminc? – kérdi a kapitány.
– Mi mennyi? – kérdezi a fűtő.

A jobban közelítő megoldásnak több változata is van; az egyik legeredményesebb, de egyben a legdrágább, is, ha többféle eszközt, eljárás használnak egyszerre. Ezt multimodális kombinációnak hívják; ilyen pl. az EEG/MRI/fMRI/PET/CT/MEG valamelyik csoportjának együttes használata. Közülük már mindegyikről volt szó, e sorozaton kívül is hallhattál is róluk, de mi az a MEG?

A MEG, vagyis a magnetoenkefalográfia olyan képalkotó eljárás, amely az agy elektromos aktivitása által létrehozott mágneses teret méri, illetve regisztrálja. Ugyanis David Cohen fizikusnak, aki a biomágnesesség kutatásával foglalkozott, eszébe jutott a jó öreg Faraday-féle indukciós törvény.

Faraday 1831-ben kimutatta, hogy ha egy tekercsben mágnest mozgatunk, akkor a tekercsben feszültség keletkezik. Az is igaz, hogy ha az elektromos térerő változik, akkor a mágneses tér is változik, és e mágneses tér változását úgy tudjuk megmérni, ha e térbe tekercset teszünk, vagyis visszaalakítjuk elektromos feszültségváltozássá. Mivel a neuronok tevékenysége, tüzelése elektromos áram- és feszültségváltozással jár, ez a változás mágneses térerősség változást okoz, és ezt a változást mérni lehet.

Az elv persze nagyon jó, de nem véletlenül csak keveseknek jutott eszébe ennek mérése. A két legfontosabb probléma a jelek gyengesége és a környezet mágneses zajának erőssége. A hagyományos réz tekercs nem is alkalmas a mérésre szobahőmérsékleten, mert még egy kis darabka drótnak is nagy az ellenállása ahhoz, hogy a rajta folyó áram ne a mérést ellehetetlenítő mértékű fölösleges hőt termeljen. A megoldást a mai napig használatos SQUID (superconducting quantum interference device, szupravezető kvantum interferencia eszköz) detektorok alkalmazása jelentette.

A MEG-ben alkalmazott, rádiófrekvenciás SQUID detektort James Edward Zimmerman, a Ford Motor Company kutatója fejlesztette ki abban az időszakban, amikor az volt a kérdés, hogy ha már feltalálták a SQUID-ot, akkor az mi a fenére használható.

Mivel nem kvantumfizikai professzorképzést tartok, ezért csak egészen földszintetesen mesélem el az SQUID működését, amelynek alapja a Cooper-párok létezése és a Josephson átmenet.

Egy-egy Cooper-pár két elektron kvantummechanikai kötött állapota egy vezetőben. Feltűnt, milyen furcsa ez? Hiszen az elektronok azonos töltésűek, tehát eddig úgy tudtad, hogy taszítják egymást. Viszont a kvantumfizika és a szupravezetők világában, ahol nagyon kicsi az elektromos ellenállás, minden másképp van. Ott az elektronok mégis párosodni tudnak egy vezetőben – úgy látszik, az LMBTQ+ már a mikrorészecskék világában is létezik. A vezetőben mozgó elektron a környező pozitív ionrácsot kicsit eltorzítja, magához vonzza az ionokat, s így helyileg pozitív töltéssűrűség lesz. Ez a lokális pozitív töltéstöbblet másik elektront vonz ugyanabba a térségbe. Így a két elektron közvetett vonzást érez az ionrácson keresztül, és kötött állapotot alkot. Emiatt ellenállásmentesen képesek áramlani; ez a szupravezetés lényege.

A Cooper-pár kötési energiája határozza meg a szupravezető kritikus hőmérsékletét: ha ennél magasabbra melegítjük, a párok szétesnek, és megszűnik a szupravezetés.

Egy-egy Josephson-átmenet úgy jön létre, hogy két szupravezetőt elválasztanak egy nagyon vékony, pár nanométer vastag szigetelő réteggel. Bár a szigetelő elvileg nem engedi át az áramot, a Cooper-párok át tudnak jutni rajta. Brian David Josephson 1962-ben megjósolta, hogy ilyen szerkezetben két fontos hatás lép fel.

Az egyik az egyenáramú, DC Josephson-hatás: ha nincs feszültség a két szupravezető között, mégis folyhat áram a szigetelőn keresztül – ez a szupravezető áram. A másik a váltóáramú, AC Josephson-hatás: ha kis feszültséget kapcsolunk az átmenetre, akkor időben változó áram keletkezik, amelynek frekvenciája arányos a feszültséggel. Ez közvetlen kapcsolatot teremt a feszültség és a frekvencia között, amit pl. nagyon pontos feszültség-etalonként használnak. A Josephson-hatás volt az egyik első kvantummechanikai jelenség, amely makroszkopikus méretben is közvetlenül megfigyelhető lett. Tudom, hogy téged sem vigasztal, miszerint noha a Josephon-hatás már évtizedek óta ismert jelenség, a fizika tudásunk mégis jobbára még ott tart, hogy minden vízbe mártott test a súlyából annyit veszt, amennyi az általa kiszorított víz súlya. De legalább most olvastál valamit a modern (?) fizikából.

Az SQUID rendkívül érzékeny mágneses tér-érzékelő. A legkisebb mágneses változásokat is képes kimutatni, akár 10⁻¹⁵ Tesla térerősséget is, ami egymilliárdszor gyengébb, mint a Föld mágneses tere.

De most jön az, hogy mi a rossebb az a kvantum interferencia? A kvantum interferencia akkor lép fel, amikor egy kvantumrészecske (például elektron, foton vagy atom) több lehetséges úton is eljuthat egy adott ponthoz, és ezek az utak hullámszerűen összegződnek. Másképp fogalmazva, nem mintha ezzel könnyebb lenne: a részecskék hullámfüggvénye (ami a részecske állapotát írja le) képes önmagával szuperpozícióba kerülni, és ezek a hullámfüggvények tudják egymást erősíteni vagy kioltani, akárcsak a vízhullámok. Ez az erősítés és kioltás hozza létre az interferencia-mintázatot. Képzeld el, hogy ha elektront vagy fotont bocsátunk át két szűk résen, és a másik oldalon ernyőn mérjük, interferencia-csíkok jelennek meg, mintha hullám ment volna át a réseken. Az interferencia akkor is fellép, ha a részecskéket egyenként lövöldözzük ki: hosszú idő után ugyanúgy kirajzolódik a csíkmintázat. Ha viszont megpróbáljuk megmérni, hogy a részecske melyik résen ment át, a szuperpozíció „összeomlik”, és az interferencia eltűnik. A kvantum interferencia nem klasszikus „hullám-részecske kettősség”, hanem annak a következménye, hogy a kvantumrészecske állapota több lehetőség kombinációja. Nem a részecskék zavarják egymást, hanem a saját valószínűségi amplitúdóik interferálnak. Az interferencia eredménye a mérési valószínűségekben jelenik meg. Röviden: a kvantum interferencia azt mutatja meg, hogy a kvantumrészecskék nem csupán részecskék, hanem hullámszerű természetük miatt az összes lehetséges útjuk „összeadódik”, és ebből jönnek létre az erősítések és kioltások.

Várj csak, nem úszod meg anélkül. hogy meg ne értenéd. Ha még nincs Java telepítve a gépeden, töltsd le a kép alatti linkről!

https://www.java.com/en/download/manual.jsp

Telepítés után indítsd el, majd ugorj a következő kép alatti linkre!

https://phet.colorado.edu/hu/simulations/quantum-wave-interference

Indítsd el az animációt, kövesd az utasításokat, meg fog jelenni a cucc magyar nyelven. Változtatgasd a beállításokat, és játssz vele kedvedre!

A SQUID érzékelő alapja egy zárt szupravezető gyűrű, amelyben az elektromos áram veszteség nélkül keringhet. A gyűrűt két helyen nagyon vékony szigetelő réteggel, Josephson-csatolással szakítják meg. Szupravezető állapotban az elektronok Cooper-párokat alkotnak, amelyek hullámfüggvénye (kvantum fázisa) kiterjed az egész hurokra. Amikor mágneses fluxus halad át a hurkon, a Cooper-párok hullámfüggvényének fázisa eltolódik. A két Josephson-csatolás két lehetséges „út” a Cooper-párok számára. Ezek hullámfüggvényei interferálnak, és az interferencia erőssége függ attól, mekkora mágneses fluxus halad át a hurkon. Emiatt a hurokban mérhető szuperáram periodikusan változik a fluxus mértékével. A SQUID rendkívül érzékeny mágneses fluxusmérő, mert már egyetlen fluxuskvantumnyi változás is észrevehető az interferencia miatt. A fluxuskvantum a legkisebb „adag” mágneses fluxus, amely egy szupravezető hurokban stabilan fennmaradhat, és értéke rendkívül kicsi.

A SQUID érzékelőket az emberi fej körvonalait követve, detektorrendszerbe építik be. Mivel a SQUID-ek szupravezetők és állandó hűtést igényelnek, a detektorokat -269 C-on, folyékony héliumban kell tartani.

A MEG-gel tehát megoldották, hogy nagyon kis agyi aktivitást tudnak vele mérni. Illetve tudnának, ha a Föld mágneses tere és mindenféle más elektromágneses zavarforrások nem pofáznának bele. Ezeket a zavarokat csak úgy tudják kiküszöbölni, hogy a MEG berendezést a vizsgálandó áldozattal együtt  egy mágnesesen jól árnyékolt helyiségbe teszik.

A MEG-gel az a cél, hogy a színek időbeli feldolgozását nyomon követhessék az emberi agyban, főként a V1, V2, hV4 területeken A MEG előnye, hogy nagyon jó az időbeli felbontás, 1 ms körüli. A MEG lehetővé teszi a dinamikus színfeldolgozás időbeli profiljának feltérképezését, amit fMRI önmagában nem ad vissza. Viszont a térbeli lokalizáció pontossága kisebb, mint az MRI alapú módszereké. Az igazán nagy probléma az vele, hogy minden MEG-rendszert egyedileg kell tervezni, a mágnesesen árnyékoló helyiség kialakítása különösen költséges, és az egész cucc túl nagy, túl nehéz, kb. 50 tonna tömegű ahhoz, hogy könnyen áthelyezhető legyen. A hűtéshez folyékony hélium, ún. kriogén kell, az áldozatnak mozdulatlanul kell feküdnie vagy ülnie a vizsgálat során.

A hagyományos MEG telepítési költsége 8-12 millió dollár, az évi fenntartási költség 0,5-1 millió dollár. Mit gondolsz, hazánkban hány MEG van? Sajnos, eltaláltad. Egy sincs.

A legtöbb országnak, kutatóintézetnek nincs pénze MEG-re, és az is jó volna, ha könnyebben telepíthető lenne valamilyen hasonló tudású készülék. A hordozható MEG, az OPM MEG az utóbbi évek egyik legizgalmasabb fejlesztése az idegtudományban. Az OPM-ben, teljes külföldi nevén Optically Pumped Magnetometerben a gáznemű atomokat érzékeny mágneses térszondákként használják. Ebből a célból az atomok kvantummechanikai állapotát lézerfény felhasználásával állítják be, és a mágneses tér hatását erre az állapotra lézerfénnyel olvassák le.

Az OPM belsejében lévő érzékeny közeg gáz halmazállapotú, és ugyancsak gáz halmazállapotú atomokat birizgál; pl. elpárolgott kálium, rubídium vagy cézium atomokat, ezért nincs szükség alacsony hőmérsékletre, és az OPM-ek végső soron kicsik és rugalmasak lehetnek. Az érzékelőket közvetlenül a fejre szerelhető sisakba vagy könnyű rögzítő szerkezetbe építik. Ez lehetővé teszi, hogy az áldozat szabadon mozoghasson, akár sétálhasson is mérés közben – ami a hagyományos MEG-ben elképzelhetetlen, mert ott a mozgás nagyon zavaró. Gyermekekhez és klinikai környezethez jobban illeszkedik.

Az OPM érzékelők is a femtotesla tartományban (10⁻¹⁵ T) képesek mérni, ami a hagyományos SQUID-szenzorokkal összevethető.

Az OPM-MEG kb. tizedannyiba kerül, mint a hagyományos, és a fenntartása is nagyságrendekkel olcsóbb. Ez az oka annak, hogy sok kutató reméli: az OPM-MEG „demokratizálja” a technológiát, vagyis kikerülhet a luxuskategóriából, és idővel sokkal több klinikán és kutatóhelyen elérhető lesz. 2018-ban készült el az első sisak, és 2025-ben már néhány kutatóintézetben megtalálható a mobil MEG. A klasszikus MEG luxus-kategóriájú kutatóeszköz marad, az OPM-MEG viszont tényleg elhozhatja a mindennapi klinikai gyakorlatba is.

Gyakran egy már létező eszköz és módszer jelentős továbbfejlesztésével sikerül áttörést elérni. Az optikai koherencia-tomográfia (OCT) olyan nem invazív módszer, amely lehetővé tette az ideghártya nagy felbontású, keresztmetszeti leképezését. Az eljárás elvi szinten hasonlít az ultrahangos cuccokra, ebben az esetben azonban ultrahang helyett fényt sugároz a berendezés. A fényforrás sugárzása a látható fényénél nagyobb hullámhosszú, a közeli infravörös tartományba esik, OCT esetén jellemzően 850-1 050 nm. Az érzékelő hullámhossz-sorozatot választ ki a fényút hosszának változtatásával, az interferencia törvényeinek megfelelően.

A módszer az interferometria elvén alapul, azaz a mintáról visszaverődött sugárzás interferál egy referenciasugárral. Az így kapott interferencia-mintázatot interferogramnak hívják, melyből Fourier-transzformáció segítségével kinyerhető az infravörös spektrum. A különböző sejtrétegek reflektivitása eltérő, ezáltal azok egymástól elkülöníthetők. Ezzel a hagyományos OCT-vel az a gond, hogy a fázisviszonyok elvesznek.

2016-ban Dr. Hendrik Spahr és Dr. Dierck Hillmann az OCT legújabb változatával, a holografikus OCT-vel lepte meg a világot.

A holografikus OCT a digitális holográfiát hívja segítségül. A referenciasugár és a minta fénye adott szögben találkozik a detektoron, így olyan interferenciakép jön létre, amely az intenzitás és fázisviszonyokat is tartalmazza. A teljes, komplex hullámfront rögzíthető és rekonstruálható különböző síkokban. A különböző torzításokból származó hibák is korrigálhatók, nanométernél kisebb változások, elmozdulások is megfigyelhetők akár sejten belül, akár a sejtek között.

Ezzel a módszerrel sikerült először élő ember szemében nem invazív módon egyedi csapok különböző színű fényingerekre adott válaszát detektálni. A két holland tudóst 2023-ban a Heidelberg Engineering Xtreme Research Award díjjal tüntették ki. Ez a díj az orvosi képalkotó módszerek terén olyan, mintha a Nobel-díj előszobája lenne; a világ legjelentősebb szemészeti díja.

A holovibes az egyik ingyenes hologramfeldolgozó program. Holovibessel készültek az alábbi videók.

Most, hogy már valamennyire ismered a fontosabb képalkotó módszereket, következhet, hogy mit és hogyan is értek el velük a színlátás agybeli folyamatainak, az elméletek igazolásának vagy cáfolatának terén, különösen a 21. században.