Проект «Комбинированная Энцефалография»(ЭМЭГ)



Рис 1. Схема обработки комбинированных данных ЭЭГ и МЭГ

Проект направлен на создание энцефалографической системы, комбинирующей измерения малым (до 25) количеством магнитометров с оптической накачкой (МОН) и измерения ЭЭГ. Указанная установка будет характеризоваться сравнительно низкой ценой при сохранении пространственного разрешения, сравнимого с традиционными МЭГ-системами, содержащих сотни сенсоров СКВИД. Идея создания установки базируется на разработанных ранее группой Сколтеха методах обработки данных МОН-МЭГ и ЭЭГ, включающих методы существенного увеличения пространственного разрешения ЭЭГ-данных путем решения задачи Коши для эллиптических уравнений (Koshev 2020, Razorenova 2020, Malovichko 2020), а также двухстадийный алгоритм решения обратной задачи для комбинированных измерений ЭЭГ и МЭГ (ЭМЭГ, см. Рис 1).
Решение задачи Коши производится как классическими методами математической физики, так и инновационными методами, основанными на использовании искусственных нейросетей (см. Рис. 2). В ходе работы над проектом предполагается создание полноценной системы энцефалографии, включающей само устройство, всю необходимую инфраструктуру эксперимента, математические алгоритмы предобработки и обработки комбинированных измерений МЭГ и ЭЭГ. Кроме того, предполагается сравнение точности локализации электрической активности коры головного мозга с традиционными существующими МЭГ системами в реальном когнитивном эксперименте. Исследование предполагает использование магнитозащищенной комнаты и МЭГ системы Elekta Neuromag, установленных в МЭГ-центре МГППУ.

Рис 2. Экстраполяция потенциала со скальпа (область измерений ЭЭГ, слева)
на кору головного мозга (справа).

1. Borna, A., Carter, T. R., Goldberg, J. D., Colombo, A. P., Jau, Y. Y., Berry, C., ... & Schwindt, P. D. (2017). A 20-channel magnetoencephalography system based on optically pumped magnetometers. Physics in Medicine & Biology, 62(23), 8909.
2. Boto, E., Holmes, N., Leggett, J., Roberts, G., Shah, V., Meyer, S. S., ... & Barnes, G. R. (2018). Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system. Nature, 555(7698), 657-661.
3. Iivanainen J, Zetter R, Parkkonen L. Potential of on-scalp MEG: Robust detection of human visual gamma-band responses. Hum Brain Mapp. 2020;41:150–161.
4. Tierney, T. M., Holmes, N., Meyer, S. S., Boto, E., Roberts, G., Leggett, J., ... & Baldeweg, T. (2018). Cognitive neuroscience using wearable magnetometer arrays: Non-invasive assessment of language function. NeuroImage, 181, 513-520.
5. Lin, C. H., Tierney, T. M., Holmes, N., Boto, E., Leggett, J., Bestmann, S., ... & Miall, R. C. (2019). Using optically pumped magnetometers to measure magnetoencephalographic signals in the human cerebellum. The Journal of physiology, 597(16), 4309-4324.
6. R. Zetter et al. “Optical co-registration of MRI and on-scalp MEG, Scientific Reports (2019) 9:5490.
7. R.M. Hill et al. “Multi-Channel Whole-Head OPM-MEG: Helmet Design and a Comparison with a Conventional System, bioRxiv preprint posted March 13, 2020.
8. Jaufenthaler et al. “Quantitative 2D Magnetorelaxometry Imaging of Magnetic Nanoparticles Using Optically Pumped Magnetometers” Sensors 2019, 20, 753;
9. Borna et al. “Non-Invasive Functional-Brain-Imaging with an OPM-based Magnetoencephalography System” PLoS ONE (2020) 15 (1): e0227684
10. Razorenova A., Yavich N., Malovichko M., Fedorov M., Koshev N., Dylov D., Deep Learning for Cortical Potential Imaging, submitted to MICCAI 2020.
11. Koshev, Nikolay; Yavich, Nikolay; Malovichko, Mikhail; Skidchenko, Ekaterina; Fedorov, Maxim; FEM-based Scalp-to-Cortex EEG data mapping via the solution of the Cauchy problem,Journal of Inverse and Ill-posed Problems,1,ahead-of-print,,2020,De Gruyter

Международное сотрудничество: Prof. Michael V. Klibanov (University of North Carolina at Charlotte, USA) on development of a globally convergent algorithms for the source localization inverse problem.