Magnetoenkefalografia

Aivomagneettikäyrä eli magnetoenkefalografia (lyh. MEG) on aivojen sähköisen toiminnan tuottamia magneettikenttiä mittaava kuvantamismenetelmä.

Aivojen toiminta perustuu hermosolujen sähkökemialliseen viestintään. MEG mittaa aivojen ulkopuolelta heikkoja magneettikenttiä, joita synnyttävät hermosoluviestintään liittyvät sähkövirrat. Näin aivojen toimintaa voidaan seurata millisekunnin tarkkuudella. MEG-mittauksen perusteella voidaan myös paikantaa nämä sähköisen toiminnan keskukset muutamien millimetrien tarkkuudella. MEG antaa siis tietoa siitä, milloin ja millä aivoalueella tapahtuu vilkasta hermosoluviestintää, kun tutkittava henkilö tekee annettua tehtävää, esimerkiksi lukee sanoja tai liikuttaa sormea.

MEG:tä käytetään toistaiseksi lähinnä tieteelliseen tutkimukseen, mutta sitä käytetään jonkin verran myös potilaiden tutkimiseen esimerkiksi epilepsian yhteydessä.

Aivomagneettikäyrä Suomessa

Suomalaiset tutkijat ja tutkimuslaboratoriot ovat olleet avainasemassa aivojen MEG-kuvantamisen kehityksessä. Suomessa on käytössä kolme MEG-laitteistoa: Espoossa Aalto-yliopiston Kylmälaboratorion Aivotutkimusyksikössä, Helsingissä Meilahden sairaalan BioMag-laboratoriossa ja Jyväskylän yliopiston monitieteisessä aivotutkimuskeskuksessa. Aalto-yliopiston Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitoksella on rakenteilla uuteen SQUID-MRI-teknologiaan perustuva MEG-MRI-laite.

MEG-tekniikan kehitystyö Suomessa

Euroopan ensimmäiset SQUID-magnetometrit kehitettiin apul. prof. Toivo Katilan johtamassa matalien lämpötilojen fysiikan laboratoriossa toimineessa tutkimusryhmässä TKK:n Teknillisen fysiikan osastolla 1970-luvun alkupuolella. Laitteet mahdollistivat korkealaatuisten magneettisten herätevasteiden mittaukset. Kuulovasteita laitteilla mittasi LL Riitta Hari; tutkimusryhmän ensimmäinen kuuloherätevastetutkimus julkaistiin v. 1979. Hari siirtyi Katilan ryhmästä v. 1982 Kylmälaboratorioon, joka oli irtaantunut Teknillisen fysiikan osastosta erilliseksi yksiköksi v. 1973. MEG-laitekehitys jatkui prof. Olli Lounasmaan johdolla Katilan ryhmän erikoistuessa sydäntutkimukseen tiiviissä yhteistyössä HYKS:n lääkärien kanssa. Kylmälaboratorion ensimmäisen MEG-laitteen teki venäläinen Viktor Vvedensky; laitetta käytettiin kylmälaboratorion v. 1980 valmistuneessa, VTT:n kehittämässä magneettisesti suojatussa huoneessa.

Fyysikoista ja matemaatikoista koostunut MEG-teknologiaa kehittänyt tutkimusryhmä oli koko ajan teknisesti alan kärjessä valmistaen 1-kanavaisen MEG-laitteen v. 1982, 4-kanavaisen v. 1984, 7-kanavaisen v. 1986, 24-kanavaisen v. 1989 ja 122-kanavaisen v. 1992. Viimeksi mainittu laite oli vuonna 1989 Lounasmaan perustaman Neuromag Oy:n kehittämä. Neuromagista (nyk. Elekta Neuromag) tuli alan teknologiajohtaja; se toi markkinoille 306-kanavaisen laitteen v. 1998. Ensimmäisissä laitteissa olleet SQUIDit oli kehitetty TKK:lla; 1- ja 4-kanavaisissa käytettiin SHE:n, 24- ja 122-kanavaisissa IBM:n ja 306-kanavaisessa VTT:n kehittämiä SQUIDeja.

Neuromag Oy on kehittänyt SQUID-laitteita perustamisestaan (1989) lähtien.

Vuonna 2008 aloitettiin Aalto-yliopiston koordinoima EU-hanke MEGMRI, jossa kehitetään uuden sukupolven laitteistoa, jolla voidaan mitata rakenteellinen kuva (MRI) ja aivojen toimintaa (MEG) samanaikaisesti. Hankkeessa on Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitoksen lisäksi Elekta Neuromag Oy, VTT, BioMag-laboratorio ja Aivon Oy.

MEG-tekniikan käyttö

Riitta Hari veti Kylmälaboratorion AIVO-ryhmän neurofysiologista tutkimusryhmää aina vuoteen 1996 saakka, jonka jälkeen hän on johtanut laboratorion koko MEG-ryhmää nimikkeellä Kylmälaboratorion Aivotutkimusyksikkö (Brain Research Unit, BRU).

MEG-mittaus

Mittauksissa tutkittava henkilö tyypillisesti istuu kypäränmallisen mittauslaitteen alla. Kypärän sisällä ovat magneettikenttää mittaavat SQUID-anturit, jotka toimiakseen vaativat erittäin kylmän toimintalämpötilan. Tästä syystä MEG-kypärä on yhteydessä termospullomaiseen suureen säiliöön, jossa oleva nestemäinen helium pitää anturit kylminä, -269 °C, ja suprajohtavassa tilassa. MEG-laite on sijoitettu magneettisesti suojattuun huoneeseen ympäröivän sähkömagneettisen kohinan vähentämiseksi, sillä aivojen tuottamat heikot magneettikentät ovat luokkaa 10 fT kun taas suojahuoneen ulkopuolella ympäristön tuottamat ei-toivotut kentät ovat erittäin paljon suuremmat, luokkaa 10⁸  fT.

Tyypillisessä MEG-mittauksessa samaa ärsyketyyppiä (esim. puheääni) esitetään kymmeniä kertoja. MEG-signaali analysoidaan useimmiten keskiarvoistamalla noin sekunnin pätkä aivomagneettikäyrää kaikkien samantyyppisten ärsykkeiden jälkeen. Näitä herätevasteita verrataan eri ärsyketyyppien välillä. MEG-signaalista voidaan myös selvittää aivojen rytmisen toiminnan määrä kullakin taajuudella.

MEG-mittaus on kivuton ja siitä ei ole havaittu olevan haittaa tai vaaraa tutkittavalle. MEG-tutkimuksessa ei käytetä lääkeaineita, radioaktiivisia aineita tai röntgensäteilyä. Mittaus kestää tyypillisesti noin puoli tuntia.

Tiedon analysointi

MEG-laitteen tietokone kerää satojen eri puolille kypärää asetettujen SQUID-anturien tuottamaa aikasarjadataa. Kerätyn datan oikeanlainen tietokoneavusteinen analysointi on MEG-kuvantamisen mittauksen keskeinen vaihe. Aivovasteiden paikantamiseen (käänteisongelman ratkaisemiseen) on olemassa useita menetelmiä. Millään menetelmistä ei ole mahdollista saada varmaa vastausta aivoaktivaation sijainnista, koska ongelma ei ole yksikäsitteinen. Perinteinen dipolianalyysi perustuu oletukseen pistemäisistä lähdealueista kun taas minimivirta- ja miniminormiestimaatit yrittävät selittää mitatun signaalin mahdollisimman vähäisellä sähkövirran kokonaismäärällä aivoissa. Paikannustavasta riippumatta MEG:llä voidaan saada selville aktivoituneen aivoalueen keskipiste, ei sen laajuutta tai muotoa.

Vertailu muihin kuvantamismenetelmiin

MEG:llä on yhtä hyvä aikatarkkuus kuin aivosähkökäyrällä (millisekunteja), mutta MEG:llä aktivoituneiden aivoalueiden paikantaminen on helpompaa. MEG:n vahvuus verrattuna toiminnalliseen magneettikuvaukseen (fMRI) on mahdollisuus tutkia likimain paikannetun aivoalueen aikakäyttäytymistä. fMRI:n paikannustarkkuus puolestaan on MEG:tä parempi, jopa alle millimetri.