從微觀的神經(jīng)元活動到宏觀的認(rèn)知行為，腦科學(xué)探索著人類最神秘、最復(fù)雜的領(lǐng)域之一。在這個過程中，科研人員、醫(yī)生和創(chuàng)業(yè)者們扮演著至關(guān)重要的角色。他們不僅致力于揭示大腦的奧秘，更將科研成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，推動腦科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展。

為了深入了解腦科學(xué)領(lǐng)域的科研創(chuàng)新、轉(zhuǎn)化、臨床應(yīng)用和前景，以及產(chǎn)業(yè)內(nèi)的創(chuàng)業(yè)風(fēng)向和發(fā)展瓶頸，橙果局策劃了“Brain talk接龍”系列訪談。我們希望通過與科研人員、醫(yī)生和創(chuàng)業(yè)者的對話，為大家呈現(xiàn)一個全面、深入的腦科學(xué)世界，讓更多人了解這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展和未來趨勢。

本期“Brain talk接龍”的專家是來自北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院丁銘教授，她將帶來結(jié)合量子磁場測量腦部疾病的研究故事。

當(dāng)量子磁場測量技術(shù)和腦科學(xué)發(fā)生交集，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授丁銘在成功研發(fā)無液氦腦磁圖儀后，幾乎每天都能收到來自各大醫(yī)院神經(jīng)科醫(yī)生的反饋：“這個產(chǎn)品太好了，我們臨床太需要了?！?

精確診斷腦部疾病是醫(yī)生們面臨的棘手問題。雖然功能基因組學(xué)和神經(jīng)系統(tǒng)影像技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床實踐，但許多腦重大疾病的病理機(jī)制仍然是未解之謎。這種感受也同樣縈繞在丁銘心上。在大大小小的學(xué)術(shù)會議間歇，許多臨床醫(yī)生會主動找上丁銘團(tuán)隊尋求合作，希望能夠共同突破腦重大疾病精準(zhǔn)診斷相關(guān)技術(shù)。

“是因為痛點太突出了，在有些問題上缺少一個精確診斷的工具?！痹诓稍L過程中，丁銘反復(fù)提及這句話，她很同意用“千呼萬喚使出來”來形容無液氦腦磁圖產(chǎn)品的誕生。

01下一代生物成像技術(shù)

2015年前后，丁銘偶然間看到一些關(guān)于量子磁場測量進(jìn)行腦部疾病檢測的論文；2017年，丁銘又看到英國諾丁漢大學(xué)Sir Peter Mansfield影像中心基于原子磁力計研發(fā)了世界上首臺可穿戴式非超導(dǎo)式腦磁圖儀，患者可以在掃描過程中移動,甚至是喝水、顛乒乓球。“當(dāng)時就覺得很有趣。”丁銘回憶道。

而這也打開了丁銘將量子磁場測量技術(shù)用于腦疾病研究的思路。丁銘說，當(dāng)時國內(nèi)還很少有團(tuán)隊專注該方向的研究，他們基本集中在底層磁場測量技術(shù)的開發(fā)工作上。作為工科教授，她一直希望結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，研發(fā)出能實際用于臨床的生物磁場測量儀器。

▲無液氦腦磁圖儀，來源于未磁科技官網(wǎng)

朝著這個方向，丁銘開始進(jìn)行原子磁力計技術(shù)的研究，并在原子磁力計技術(shù)突破后，進(jìn)一步成功研發(fā)出新一代常溫運行的無液氦腦磁圖儀。這款腦磁圖儀最高可集成256通道原子磁力計，可以有效檢測大腦磁場信息，幫助醫(yī)生進(jìn)行腦疾病診斷與研究。

其中，儀器采集的腦磁信號來自大腦皮層中作為主要投射神經(jīng)元的錐體細(xì)胞，當(dāng)大腦產(chǎn)生意識活動時，錐體細(xì)胞內(nèi)將發(fā)生微弱的電流變化從而產(chǎn)生腦磁信號。一開始著手研發(fā)時，丁銘就感到這種方式與其他測量技術(shù)有很大不同。

“現(xiàn)在常用的腦功能成像方法，大多通過含氧量變化或者代謝變化進(jìn)行判斷，都是對大腦神經(jīng)元活動的間接測量?！倍°懭绱苏f道。

而腦磁是對大腦放電活動的直接測量，可以精準(zhǔn)地實現(xiàn)大腦功能性成像。與腦電信號相比，腦磁信號不受頭皮軟組織、顱骨等人體組織阻抗的影響，衰減率低且不易發(fā)生畸變，也因此能夠獲得更加細(xì)微且準(zhǔn)確的大腦活動信息，具有較高的時間及空間分辨率。

這也被定義成“下一代生物成像技術(shù)”。

02錨定腦機(jī)接口、腦腫瘤、癲癇、阿爾茲海默病等熱門賽道

醫(yī)療技術(shù)和儀器永遠(yuǎn)是為解決臨床問題服務(wù)。丁銘告訴橙果局，團(tuán)隊研發(fā)的無液氦腦磁圖儀能輔助醫(yī)生完成重要腦部手術(shù)前的定位和評估。

2024年2月初，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光教授團(tuán)隊、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊宣布實現(xiàn)通過植入式硬膜外電極腦機(jī)接口，幫助54歲四肢截癱患者老楊擁有自主喝水等腦控功能，抓握準(zhǔn)確率超過90%。

其中，無液氦腦磁圖可發(fā)揮腦磁信號采集并解讀數(shù)據(jù)的作用。在接受采訪時，未磁科技創(chuàng)始人蔡賓博士表示，無液氦腦磁圖儀大概只需10分鐘即可完成精準(zhǔn)、無創(chuàng)的定位，找到需要手術(shù)的大腦功能區(qū)域，為后續(xù)有創(chuàng)手術(shù)提供術(shù)前規(guī)劃。

這只是無液氦腦磁圖儀應(yīng)用的一個方向。在更多腦部疾病領(lǐng)域，如癲癇、腦腫瘤、阿爾茲海默病等方向，丁銘團(tuán)隊研發(fā)的無液氦腦磁圖儀同樣發(fā)揮著重要作用。

以腦腫瘤術(shù)前功能區(qū)定位和評估為例，2023年11月，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院季楠教授團(tuán)隊完成全球首例無液氦腦磁圖運動功能區(qū)定位輔助下的膠質(zhì)瘤切除手術(shù)。在術(shù)前，手術(shù)團(tuán)隊利用無液氦腦磁圖儀和功能核磁進(jìn)行了上肢運動功能區(qū)定位，并利用“金標(biāo)準(zhǔn)”術(shù)中皮層電刺激進(jìn)行運動功能區(qū)定位驗證，結(jié)果表明無液氦腦磁圖儀較功能核磁定位更加準(zhǔn)確，與皮層電刺激結(jié)果高度一致。

腫瘤成功切除后患者運動功能完整保留，病人得以重返社會正常生活?！罢业侥[瘤，然后切除腫瘤。”丁銘這樣說，“切除腫瘤是為了活下來，而最大程度的保護(hù)腦部功能區(qū)是為了讓患者更好地生活。”目前在天壇醫(yī)院已開展的研究病例中，基于無液氦腦磁圖儀對腦腫瘤患者進(jìn)行腦功能區(qū)定位的研究成功率已經(jīng)達(dá)到100%。

在癲癇病灶定位方面，無液氦腦磁圖儀同樣提供了一種全新方法。2024年2月，媒體報道了“全球首例無液氦腦磁圖定位核磁陰性難治性癲癇手術(shù)”新聞。要知道，核磁陰性的難治性癲癇已經(jīng)成為癲癇外科中公認(rèn)的難點。由于常規(guī)影像學(xué)檢查無法定位致癇病灶，許多此類患者也失去了通過手術(shù)達(dá)到治愈的機(jī)會。

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科舒凱教授團(tuán)隊通過無液氦腦磁圖的檢查，完成癲癇患者在靜息狀態(tài)下1小時左右的腦磁圖無創(chuàng)檢查，經(jīng)過分析，其偶極子定位于右側(cè)額上回及額上溝，與其他檢查相符且更加精準(zhǔn)。

“這與過往檢測癲癇病灶的有創(chuàng)技術(shù)有很大不同?！倍°懻f，“常規(guī)方法需要向患者大腦中植入電極棒，而用腦磁信號進(jìn)行定位，則是完全無創(chuàng)的，不用植入任何東西?！?

而針對阿爾茲海默病，丁銘團(tuán)隊更加注重于病癥的早期診斷?！鞍柎暮Ｄ∈且环N起病隱匿的進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，病理改變積累緩慢，直到產(chǎn)生癡呆癥臨床癥狀。越是發(fā)展到后期，藥物治療的成功率就越低?！痹诙°懣磥?，腦磁圖儀有望成為早期無創(chuàng)檢測阿爾茲海默病的重要手段。

無創(chuàng)、高空間分辨率和高時間分辨率是無液氦腦磁圖儀獨有的優(yōu)勢，也是產(chǎn)品能夠快速應(yīng)用于各類腦重大疾病的重要原因。丁銘認(rèn)為，他們的工作就是為醫(yī)生提供一個工具，幫助醫(yī)生和科學(xué)家解決腦疾病檢測及腦科學(xué)研究上的難題。

03產(chǎn)業(yè)明日之星

從想法萌芽到項目立項，丁銘說，一切還算是順利。

2023年5月21日，國家重點研發(fā)計劃“診療裝備與生物醫(yī)用材料”重點專項“新型無液氦腦磁圖系統(tǒng)研發(fā)”項目啟動會召開。該項目由北京未磁科技有限公司牽頭，聯(lián)合與首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院、北京航空航天大學(xué)、機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、中國食品藥品檢定研究院、華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院、北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院、北京交通大學(xué)、北京水木東方醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司協(xié)同攻關(guān)。在國家項目的支持下，團(tuán)隊得以快速搭建腦磁圖實驗室，進(jìn)行高效研發(fā)和產(chǎn)品迭代。

丁銘面臨最大的難點是如何把產(chǎn)品做得更好。丁銘告訴橙果局，在實際研發(fā)過程中，腦磁圖產(chǎn)品仍然存在許多困難。

一是如何準(zhǔn)確收集到微弱的腦磁信號。腦磁信號在顱外的強(qiáng)度僅在10-100fT量級，約為地球磁場的十億分之一，十分微弱因而難以探測。

“而要測量微弱的腦磁信號則需要特別靈敏的傳感器。雖然國內(nèi)外針對傳感器的相關(guān)研究很多，但真正能形成產(chǎn)品的公司不過兩三家。”丁銘同時感嘆，傳感器要想集靈敏性、小型化于一身，是一件十分不容易的事情。

二是高密度陣列結(jié)構(gòu)會影響傳感器效果。腦部磁場測量需要很多通道同時進(jìn)行，這意味著傳感器與傳感器之間也會互相影響，產(chǎn)生串?dāng)_，從而影響腦磁信號測量準(zhǔn)確度。三是腦磁測量對場地及環(huán)境要求較高。需要搭建磁屏蔽系統(tǒng)隔絕外部磁場，而傳統(tǒng)腦磁圖儀使用的磁屏蔽房造價昂貴，占地面積大，且建設(shè)周期長，不利于腦磁圖在醫(yī)院的實際落地應(yīng)用。

為此，丁銘團(tuán)隊首先是在傳感器上下功夫。丁銘表示，團(tuán)隊使用的傳感器是自主研發(fā)的全國產(chǎn)化傳感器。據(jù)了解，這是全球為數(shù)不多進(jìn)入到量產(chǎn)的商用量子磁場傳感技術(shù)。

丁銘表示：“現(xiàn)在，我們研發(fā)的傳感器不僅在指標(biāo)上追平美國競爭對手，在集成度、可靠性等方面都比國外做得更好，尤其在對腦磁檢測關(guān)鍵的體積上，相較于此前美國Quspin原子磁力計產(chǎn)品體積進(jìn)一步縮小15%?！?

在磁場屏蔽方面，丁銘團(tuán)隊利用重量不足一噸的集成式的屏蔽倉和動態(tài)磁場追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)了高效能的主被動磁場屏蔽，可方便、快速的在幾乎所有醫(yī)療環(huán)境中進(jìn)行部署，并大幅降低了設(shè)備的購置、安裝和維護(hù)成本及難度。

▲全球首臺256通道無液氦腦磁圖儀，來源于未磁科技官網(wǎng)

2024年2月3日，未磁科技發(fā)布了全球首臺256通道無液氦腦磁圖儀。據(jù)了解，該款產(chǎn)品使用了截面尺寸僅為11.4mm×15mm的全新原子磁力計，相較于此前美國Quspin原子磁力計產(chǎn)品體積進(jìn)一步縮小15%，是目前全球最微型化的商用原子磁力計。

此外，該腦磁圖儀還保持了10fT量級的極弱磁場測量靈敏度。同時還突破了256通道超高密度腦磁探測器陣列串?dāng)_及同步控制的難題，第一次使得無液氦腦磁圖儀OPM-MEG通道數(shù)達(dá)到與傳統(tǒng)超導(dǎo)量子干涉儀腦磁圖儀SQUID-MEG相當(dāng)。

對于腦磁圖技術(shù)研發(fā)以及產(chǎn)品發(fā)展，丁銘認(rèn)為：“產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度很快，產(chǎn)品性能也快速走向成熟，很多臨床專家也已經(jīng)用上了我們的設(shè)備開展研究。只不過市場的培育可能還需要一定的時間。”反過來，身為科創(chuàng)者的她也十分希望和臨床專家合作，共同推廣技術(shù)走向市場。

來源：動脈橙果局

作者|沈宇婷