Med sensorer baserade på nanotrådar som är supraledande i flytande kväve skapas nya möjligheter att mäta hjärnans aktivitet. I framtiden kan tekniken revolutionera hjärnforskningen och till exempel öka kunskapen om hur vi påverkas av stress. Den kommer även förenkla diagnostik av patienter med neurologiska sjukdomar.
Projektanslag 2014
Nanoscale superconducting devices for a closer look at brain activity
Huvudsökande:
Dag Winkler, professor i fysik
Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Thilo Bauch
Göteborgs universitet
Mikael Elam
Johan Wessberg
Karolinska Institutet
Martin Ingvar
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
34, 4 miljoner kronor under fem år
– Det här projektet är något av det mest spännande jag har varit med om i min forskarkarriär, säger Dag Winkler, professor i fysik på Chalmers.
Han och Justin Schneiderman, docent i medicinsk teknik vid Göteborgs universitet och MedTech West, berättar engagerat om forskningen i det tvärvetenskapliga projektet de hjälps åt att koordinera. Målet är att utveckla ett känsligare sensorsystem till magnetencefalografi, MEG, ett avancerat instrument som mäter hjärnans signaler.
I projektet förs fysikforskare, som utvecklar supraledande komponenter på nanonivå, samman med hjärnforskare inom neurovetenskap och fysiologi. Forskningen bygger vidare på tidigare framsteg inom respektive områden. Tack vare anslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har arbetet med att knyta ihop forskargrupperna kunnat ta fart.
– Stödet har gett oss möjlighet att länka samman forskningen här på Chalmers och vid Karolinska Institutet med det som görs vid Göteborgs universitet och Sahlgrenska akademin. Det här gör att vi kan skapa ett starkt svenskt och nordiskt nav för forskning inom sensorteknik och hjärnavbildning, säger Dag Winkler.
Squiden känner av magnetfält
MEG är ett mycket dyrt instrument som kan mäta det magnetiska avtrycket från de strömmar som genereras av nervcellerna i hjärnan. De finns på vissa specialiserade sjukhus och används för såväl forskning som kliniska undersökningar, till exempel inför hjärnoperationer och vid diagnostik av epilepsi och demens.
I Sverige finns bara en MEG. Det är Karolinska Institutet som köpt in den med bidrag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och driver den nationella anläggningen NatMEG som projektet samarbetar med.
– Genom att jämföra den nya sensortekniken med befintliga MEG-system och förstå mer av behoven kan vi förfina våra komponenter ytterligare, säger Justin Schneiderman.
De sensorer som fångar upp hjärnans elektriska aktivitet inuti MEG bygger på en mycket känslig detektor som kallas squid. Det står för supraledande kvantinterferometer, eller superconducting quantum interference device på engelska. Chalmers har en lång tradition inom supraledande kretsar och tillämpning av supraledning, berättar Dag Winkler.
– Nu har vi utvecklat en mycket känslig squid som kan göra MEG både billigare och enklare att använda. Förhoppningen är att vi ska kunna mäta hjärnan med större finkornighet, ungefär som en kamera med fler pixlar.
Närmare skallen
Supraledning innebär att ström kan passera utan resistans i vissa material, fenomenet uppstår under en viss kritisk temperatur. I dagens MEG-teknik används så kallade lågtemperatur-squidar, som måste kylas till -269° C.
– Vi har som första forskargrupp i världen lyckats visa att högtemperatur-squidar med signal-brusförhållanden liknande standardiserade MEG-system kan användas för att mäta spontan hjärnaktivitet. Vi har också registrerat signaler från hjärnan som inte kunnat ses tidigare med annan teknik, säger Dag Winkler.
Dessa högtemperatur-squidar, som nu kommer att baseras på nanotrådar, behöver bara kylas till -196 grader. Det här ger en rad fördelar, förklarar Justin Schneiderman medan han visar på Dag Winkler hur mätningarna går till i labbet. För att experimenten inte ska störas av magnetfält utifrån har man installerat ett magnetiskt skärmat rum med inredning utan metalldelar.
– Våra squidar kräver mindre termisk isolering, vilket gör att vi kan komma närmare huvudet. Det är viktigt eftersom de magnetiska fälten försvinner ganska snabbt med avståndet. Signalerna blir till och med starkare än vad vi hade trott, det ser vi tydligt, säger Justin Schneiderman.
Att det går att kyla ner de nya squidarna med flytande kväve är en stor fördel. Det är mindre komplicerat och innebär avsevärt lägre kostnader än helium som krävs i dagens MEG.
Dammfri tillverkning
Några våningar under mätlabbet finns Chalmers avancerade renrum, till stora delar finansierat av Stiftelsen. Här tillverkas squidar och andra elektroniska nanokomponenter under helt dammfria förhållanden. Forskarna kommer dels ägna sig åt att förstå mer om kvantfenomenen i de högtemperatursupraledande nanomaterialen, dels utveckla nya nano-squidar.
– Ett spår som vi undersöker är att ha flera av dessa små squidar i ett slags kluster för att lättare kunna koppla det magnetiska fältet till dem, säger Dag Winkler.
En stor utmaning i projektet är att sy ihop den tekniska forskningen med tillämpningarna i den medicinska forskningen. Tekniken ska till exempel användas i studier vid Göteborgs universitet om hur kroppen påverkas av stress. Och för att tolka de signaler som uppstår när du berör något, hur hjärnan kan förstå skillnaden mellan mjukt eller skrovligt till exempel.
– Det känns som vi är på väldigt god väg att koppla ihop arbetet som görs i de olika forskargrupperna, det finns mycket positiv energi i projektet, säger Dag Winkler.
Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström
“
