脳磁図

脳磁図(MEG)とは？

脳磁図(MEG: Magnetoencephalography)は、脳の神経活動によって生じる微弱な磁場を計測する脳イメージング技術です。この磁場は、脳内の神経細胞の電気活動によって発生する電流が、アンペールの法則に従って生み出すものです。MEGは、この微弱な磁場を、非常に高感度のセンサーである超伝導量子干渉計(SQUID)を用いて計測します。

MEGは、脳の活動を非侵襲的に、かつ高い時間分解能と空間分解能で計測できることから、研究面と医療面の両方で広く利用されています。研究では、脳の様々な機能の解明に、医療では、脳外科手術における病変位置の特定や、てんかんの診断などに用いられています。

MEGの歴史

MEGによる計測が初めて成功したのは1968年、デービッド・コーエンによってです。初期のMEGは、感度の低い検出器を用いていたため、計測された信号はノイズが多く、実用性に乏しいものでした。その後、より高感度のSQUIDが開発され、磁場シールドされた部屋を用いることで、よりクリアな信号が得られるようになり、MEGは本格的に研究に用いられるようになりました。

1980年代には、複数のセンサーを同時に用いることで計測効率を向上させる技術が開発されました。現在のMEGシステムでは、ヘルメット状の装置の中に300個以上のセンサーが配置されており、頭部のほぼ全体をカバーして計測を行うことが可能です。

脳磁場信号の基盤

MEGで計測される磁場は、非常に微弱です。大脳皮質の活動では10 fT(フェムトテスラ)程度、アルファ波では103 fT程度しかありません。一方、環境磁場ノイズは108 fTにも達するため、MEG計測ではノイズの影響を低減することが非常に重要になります。

この問題に対処するために、高感度のSQUIDや、磁場シールドルームが用いられています。近年では、光ポンピング磁力計を用いた新しいセンサーの開発も進められており、SQUIDを凌駕する感度を持つセンサーの実現が期待されています。

MEGで計測される信号は、シナプス伝達によってニューロンの樹状突起で発生するイオン電荷の流れが起源となります。この電流によって生じる磁場をMEGが計測しているのです。しかし、活動電位は、電流が反対方向に流れるため、磁場が打ち消し合ってしまい、検出可能な磁場を生み出すことはありません。ただし、末梢神経の活動電位は検出可能です。

検出可能な信号を得るためには、約50,000個のニューロンの同期した活動が必要です。また、磁場が強め合うためには、電流双極子の向きが揃っている必要があり、皮質表面に垂直に並ぶ錐体細胞の層が、計測可能な強さの磁場を生み出します。

磁場のシールド

MEGで計測される磁場は非常に微弱なため、地磁気などの外部磁場ノイズの影響を低減するために、磁気シールドルーム(MSR)が用いられます。MSRは、アルミニウムとミューメタルなどの強磁性体からなる多層構造で、高周波ノイズと低周波ノイズの両方を減衰させます。さらに、アクティブシールドシステムを用いることで、ノイズ除去の効果を高めています。

電流源推定

MEG計測で得られた磁場データから、脳活動の発生源の位置を推定する処理を電流源推定と言います。これは、逆問題を解くことに相当します。逆問題は一般的に、複数の解が存在するため、適切なモデルを用いる必要があります。

電流源のモデルとしては、過剰決定モデルと過少決定モデルの2種類があります。過剰決定モデルは、数個の点状の電流源を仮定するもので、過少決定モデルは、広がりを持った電流源を仮定するものです。

電流源推定アルゴリズムとしては、順モデルを用いた反復的な位置修正を行う方法や、ビームフォーミング法、[独立成分分析]などが用いられます。ICAは、様々な信号が混ざったデータから、統計的に独立な信号を分離する手法です。

磁場源の画像化

推定された電流源の位置は、MRI画像と統合することで、脳の解剖学的構造と機能活動を同時に可視化することができます。しかし、MEGの空間分解能は比較的低いため、画像化された結果は統計的な確率の集合であり、生理的な確実性を必ずしも反映するとは限りません。

双極子電流源の位置推定とリードフィールド・イメージング

電流源モデリング手法として、等価電流[双極子]を用いる方法があります。ECDは、広がりを持った電流源を、位置とモーメントが一定の双極子で近似するものです。しかし、ECDは広がりを持った電流源を正確に表現できないという限界があります。

リードフィールド・イメージングは、電流源を多数の双極子で構成された格子で表現する手法です。この手法は、空間分解能が低いという欠点がありますが、実験者による事前推定が不要であるという利点があります。

他のイメージング技術との比較

MEGは、EEG、PET、fMRIなどの他の脳機能計測技術と比較して、高い時間分解能と空間分解能を併せ持っています。また、非侵襲的であるという利点もあります。ただし、空間分解能はfMRIに劣り、深部脳活動の検出には限界があります。

脳電図(EEG)との比較

MEGとEEGはどちらも神経活動を計測する技術ですが、計測原理が異なり、得られる情報も異なります。MEGは磁場を計測するため、頭蓋骨や頭皮の影響を受けにくく、より高い空間分解能を得ることができます。また、脳溝内の活動を選択的に計測できます。一方、EEGは電場を計測するため、頭蓋骨や頭皮の影響を受けやすく、空間分解能はMEGよりも低いです。

MEGの応用

MEGは、様々な研究分野や医療分野で応用されています。

研究分野: 脳の様々な機能の解明（例：聴覚処理、言語処理など）
医療分野: てんかんの診断と治療、脳腫瘍の手術計画など

MEGは、他の脳機能計測技術と組み合わせることで、より詳細な脳機能情報を得ることができます。今後の技術開発によって、さらにその応用範囲は拡大していくと期待されています。

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