利用光泵磁强计，检测40Hz听觉稳态反应
2022-10-30 08:42:30   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

听觉稳态反应（ASSR）是由周期性重复的听觉刺激在初级听觉区域诱发的神经节律性反应。对于人类来讲，在刺激频率为听觉神经回路的共振频率，即40Hz时，ASSR具备最大值，且40Hz ASSR的振幅和相位能够反映抑制性γ-氨基丁酸能神经元（GABAergic neuron）和兴奋性谷氨酸能神经元之间的平衡。目前，研究40Hz ASSR的方法有两种，即事件相关谱扰动（ERSP）方法和试次间相位一致性（ITPC）方法。ERSP是对功率变化的测量，与相位无关；而ITPC是对跨试验相位同步性的测量，也被称为锁相因子。据相关研究报道，在患有精神分裂症、双相情感障碍和自闭症谱系障碍的个体中，40Hz ASSR的功率和相位同步性往往出现降低的现象。

40Hz ASSR可以通过头皮脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）进行无创测量，二者在测量神经生理活动时皆具有高时间分辨率。具体来看，EEG具有系统相对简单、成本效益高、传感器布置灵活等优点。然而，由于在头皮上附着电极需要较长的前期准备时间，同时颅骨存在电导率低且不均匀的问题，导致EEG的空间分辨率有限。与此相对，因为神经磁场在穿过头部组织时较少受到干扰，使得MEG具有较高的空间分辨率。传统的MEG通过利用超导量子干涉器件（SQUID）来测量神经元产生的磁场，而低温SQUID传感器通常需要在使用液氦制造的温度为7K的环境中工作。为了保持低温，需要使用坚硬容器杜瓦瓶来存储液氮，因而在实际应用时，SQUID传感器通常被固定在头盔内，且传感器与头皮之间至少有约为2厘米的距离。

近年来，研究人员已研制出了12.4mm × 16.6mm × 24.4mm的小尺寸光泵磁强计（OPM）并实现了商业化。OPM传感器可以在室温下工作，并可以灵活地放置在靠近头皮的地方，目前已应用于神经磁信号的检测。过往基于OPM的MEG研究，主要涉及到与听觉诱发场（AEF）、视觉处理、体感处理、运动处理和语言功能有关的各种大脑活动的测量。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自日本金泽大学（Kanazawa University）等机构的研究人员开发了一个OPM-MEG系统，通过使用六个OPM传感器来检测来自颞叶的听觉大脑反应。研究人员对受试者进行听觉纯音测试的同时对OPM-MEG信号进行记录，证实了OPM传感器可以检测到AEF。此外，研究人员以40Hz的频率提供重复听觉刺激，证明了OPM可以通过测算ERSP和ITPC可靠地检测40Hz ASSR。相关研究成果以“Detection of the 40 Hz auditory steady-state response with optically pumped magnetometers”为题发表于Scientific Reports期刊。

图1 设置在磁屏蔽室的光泵磁强计（OPM）传感器阵列和测量装置

具体来看，研究人员首先向受试者发送纯音脉冲，并测算AEF，以确认所开发的OPM传感器阵列可以检测到大脑听觉活动。测试结果表明，可以观测到由六个OPM传感器检测到的清晰AEF信号。图2a展示了六个传感器检测到的22个受试者的总平均AEF分布，结果显示，覆盖头皮T3点位的中心传感器检测到了最大强度的AEF。图2b显示了清晰的M₅₀和M₁₀₀磁反应组分波，其中，M₅₀组分波的出现时间约为43ms（42.91±6.12ms），而M₁₀₀组分波的出现时间约为86ms（86.27±7.34ms）。图2c给出了基线周期（以听觉刺激开始时间为基准，浮动范围为−110ms~−100ms）、M₅₀组分波（40~50ms）和M₁₀₀组分波（80~90ms）的拓扑图模式。从图中可以发现，M₅₀组分波和M₁₀₀组分波的拓扑极性相反。

图2 在听觉纯音测试时由光泵磁强计（OPM）传感器记录的听觉诱发场（AEF）及其拓扑分布

接着，研究人员以40Hz的频率对受试者进行持续时间为1s的听觉音串刺激，以研究调制的听觉皮层伽马带的活动。然后，对事件相关场、时频特征（TFR）和ITPC进行测算来研究40Hz ASSR。

图3 40Hz听觉稳态反应期间的总平均波形和时频特征（TFR）

此外，研究人员通过分析ITPC研究了40Hz ASSR的相位同步性。图4显示了每个OPM传感器的ITPC结果。结果发现各试验在40Hz有很强的相位锁定。

图4 40Hz ASSR试次间相位一致性（ITPC）结果

总体而言，在这项研究中，科研人员使用光泵磁强计（OPM）传感器测量了健康受试者的AEF和40Hz ASSR。据相关研究表明，AEF的潜伏期和/或振幅与儿童发育和神经发育障碍有关。而40Hz ASSR具有较高的测试-再测试结果的可靠性，并被认为是神经生理障碍（如精神分裂症、双相情感障碍和自闭症谱系障碍）的有用指标，因此，40Hz ASSR可能是儿童发展和临床研究的有效工具。因而，研究人员提出的基于OPM传感器的40Hz ASSR研究将为未来儿童发展、临床实践和脑机接口的研究提供基础。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-022-21870-5

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《传感器技术和市场趋势-2020版》

《可穿戴传感器技术及市场-2022版》