腦磁波儀 (MEG)

簡介

根據法拉第定律─電生磁，腦部神經細胞興奮時會產生腦電流，同時合併有腦電位變化及腦磁場。大家較熟悉的腦電圖儀就是藉由記錄腦電位變化，以探討神經興奮現象，而最近台北榮總引進的腦磁圖儀能偵測腦磁場，將所記錄到的腦磁波，加以分析以了解腦部神經興奮的過程及主要放電源所在的腦部區位。但是我們所屬的環境到處都有磁場，而腦神經活化時所產生的磁場強度大約介於10-15T到10-1３T之間，而背景環境產生的雜訊磁場通常比腦神經興奮產生之腦磁場強過數千、數萬或數億倍，因此要偵測腦部神經元活動時的磁場變化，所以需要敏感度高的偵測器及磁場遮蔽室的建置。因此科學家致力於發展對磁通量敏感的偵測器，所以超導線圈 (Superconducting QUantum Interference Device, SQUID) 在1960年代時被James Zimmermann所發明，進而David Cohen發展出第一台測量腦活化所引發磁場的超導線圈測量儀為腦磁儀的原型，且進行正常人阿發波和癲癇病人自發性的測量﹔幾年後便有人利用此儀器來記錄所誘發的反應。

相較傳統臨床使用於記錄腦電位的腦電圖而言，由腦部神經元活動產生的腦電位變化傳出到頭皮表面的過程，會受腦脊髓液、頭骨及頭皮等組織所阻擋而減弱，但對於腦磁場而言，磁場為遠距力所以不需考慮介質傳導性差異的問題，在傳遞過程則不受這些組織構造所影響，這正是腦磁圖檢查較腦電圖檢查更能精確找到放電源頭所在的原因之一。所以科學家致力於腦磁儀的發展，從單一頻道的超導線圈測量儀到全腦的腦磁波儀﹔因此使得其可偵測全腦活化所引發的磁場，且強度不受介質干擾，具有較功能性核磁共振儀高的時間解析度和較腦電波更精準的空間解析度的特性，另外更可將得到較直接的訊號波形配合上解剖影像進而較精確的定出神經活化所在的解剖位置，因此逐漸成為研究人腦功能的重大利器之一。

研究方向

	利用獨立成分分析進行癲癇症之多重棘波源定位 (92年榮總院內專案)
		癲癇症（epilepsy）是一種復發性的腦功能障礙，因腦中一部分的異常神經細胞（致癲癇神經元）發生陣發性放電所引起，這種不正常放電現象所引發的電生理變化之磁場與電場分佈，可經由非侵入式腦磁波儀（magnetoencephalography）等醫學儀器，即時、持續、及高時間解析度的方式來量測腦部電生理活動改變的動態信號。傳統多重信號源之定位方法會面臨兩大難題：信號源數目未知及規則化（regularization）問題。根據我們初步的實驗觀察，獨立成分分析（Independent Component Analysis）的技術可將複合訊號適切的分解成多重訊號成分。在本研究中，我們將假設棘波（spike）與其它腦部神經元活動在時間及空間上的變化具有互相獨立的特性，我們擬採用獨立成分分析的方法，希望將所測得癲癇症病人的腦磁波中之棘波訊號與其它訊號分開，視每一棘波為單一信號源，進而以電磁模型最佳化等過程估測棘波源在腦部皮質區的所在位置與方向大小等處理，並將分析結果協同結構性影像（如磁振造影影像）真正地投影到大腦解剖圖上，這樣才能幫助醫師進行病灶的檢測、決定治療方式、及手術過程中避開危急區域。

	運動相關腦磁波之腦部信號源動態造影（92年國科會計畫）
		如何從量測得之腦磁波圖/腦電波圖來估算腦部活動信號源是研究人腦功能與動態相當重要的基礎，提升信號源估算的準確度、方便性、與功能性也一直是相當重要的研究主題。本計畫的主要目的是在發展一套準確有效的腦磁波信號源之動態造影技術，並能將所估算得之功能性腦部活動信號與結構性人腦影像相結合，在一整合性環境中以三維視覺化效果動態呈現腦部活動。本計畫所擬發展的動態造影法，其優點之一為我們可針對大腦皮質區（cortical-based）的時序信號進行時間頻率分析，而非傳統分析方法是以感應器為基礎（sensor-based）的方式。由於每一感應器所偵測到的信號是來自於整體皮質區神經元電生理活動之權重總和（weighted sum），無法單純解釋與實驗相關皮質區之活動機轉。為解決此問題，本研究將先利用所量得的多頻道腦磁波時間序列訊號，估算出相關皮質區神經活動之時序信號，而得以排除非相關腦部區域的干擾，直接觀測所感興趣的皮質區之時間頻率動態（time-frequency dynamics）。另外，在腦功能實驗（尤其是運動相關實驗）進行中受試者頭部相對於感應器的位置很可能會改變，同一感應器在不同時間所量得的信號可能不是來自於同一皮質區，如此一來傳統上利用多筆數據的平均值以提高訊雜比之處理方式就容易導入誤差。我們擬發展的動態造影法另一項優點在於其能夠容忍低訊雜比，只需少筆數據即可進行皮質區之時序信號估測。為了驗證這套方法的準確性，本計畫也將進行運動相關實驗，以估測運動相關皮質區神經活動之時序信號及時間頻率分佈圖，並進而探討人類在運動時腦部運作之動態機轉。

	磁振造影與腦磁波圖/腦電波圖之自動化整合（92年國科會計畫）
		本計畫的目的是在發展自動化對位的技術，利用電腦準確迅速地將由磁振造影所得到的三維腦部結構影像與由腦磁波儀/腦電波儀所量測得的電生理信號進行多元整合，使得在後續進行腦部功能區域分佈研究時能較方便、迅速、準確，並幫助腦科學多元（multimodality）相關研究的進展，對於闡明人腦各部功能乃至於制訂功能性腦圖譜（functional brain atlas）而言是非常重要的研究工作。這個多元整合技術的核心主要是在利用立體電腦視覺的技術，自動估算磁振造影與腦磁波儀/腦電波儀之間的頭部模型之座標系統轉換關係（coordinate system transformation），如此不但可省去傳統人工選點的麻煩與耗時，並可降低因人工選點所導致的對位誤差，能大幅提昇多元整合與腦部功能定位之準確度。同時，運用這個技術之後受試者只需進行一次磁振造影掃瞄，日後所多次量測的電生理信號都可與先前掃瞄得的腦部結構影像進行整合，無須每次量測電生理信號時都需搭配掃瞄磁振造影影像，也就是同一受試者的一組三維腦部結構影像可重複進行多組的電生理信號之整合，如此能更加提升腦科學研究的效能。在完成多元整合技術之開發後，我們除了將進行實驗以測試其準確度之外，也將開發人機介面，以便能將磁振造影、腦磁波圖、腦電波圖的整合資料顯示出來，並將實地進行磁振造影與腦磁波圖/腦電波圖的多元整合腦功能實驗。

	利用合成孔徑測磁計與獨立成分分析法之腦磁圖訊號源定位技術（93年榮總院內專案計畫）
		由於具有高時間解析度的優點，腦磁波儀對於研究人腦功能及其動態機轉是非常重要的儀器。近年來藉著合成孔徑測磁計技術的發展，我們已經能以獨立掃瞄的方式，利用腦磁波儀量測所得的信號來計算每個腦部位置的的神經元活化強度時序信號。為了進一步提升合成孔徑測磁計的空間解析度，我們擬在本計畫中利用獨立成分分析法來分離在時序上獨立無關連的活化強度時序信號，如此在空間上相鄰但時序上不同的腦部活動也有機會被分開來，除能增進空間解析度，提供較精確的焦點源定位，也能提升腦部活動時序動態的準確度，對人腦科學基礎及臨床研究建立重要的基礎。

	應用腦磁圖和表面肌電圖研究大腦與動作肌肉的溝通和協調機制
		人類的雙手極具靈巧性，舉凡打躬作揖、穿針引線，皆有賴大腦與動作肌肉的溝通和協調才能達成，先前研究指出[1]，不論是動作的複雜度的增加、經過學習後的運動效果(motor learning)，自發性或誘發性動作以及單手或雙手同時動作等，皆會造成腦部某些與運動控制有相關聯的功能性區域 (neural motor system) 腦波律動(Brain rhythm)的能量大小在運動前後改變，稱為task-dependent modulations of cortical oscillatory activity [2]，例如，運動前在感覺運動皮質區alpha rhythm (10~20 Hz) 的能量會變小，稱為event-related desynchronization (ERD)，相同的情形也會出現在自發性運動前，輔助運動皮質區(SMA)上，運動後在感覺運動皮質區beta rhythm ( around 20 Hz) 的能量會變大，稱為post-movement event-related synchronization (ERS) [3]，一般研究認為[3]，ERD的成因跟皮質上的background oscillatory activity被運動事件所調節或干擾有關，而ERS則被視為可能是因為待處理的訊息減少(reduce information processing)或事件誘發的潛在網路已不活化所致(deactivation in underlying cortical networks)，然而，到底我們的大腦是如何藉由intercortical interaction去調控這些複雜多變的動作式樣，卻仍有待全面性研究[4-8]，所以，本研究的目的是希望藉由一系列完善的實驗，整合多通道腦電波、腦磁波和表面肌電圖等高時間解析度的特性，分析腦中的功能性腦波律動(functional brain rhythmic signal)訊號的改變，並藉由非線性方法(mutual information)，以高維度方式減少trial to trial variation的影響，去估算出: (1) cotical to cortical間及(2) cortical to muscle的functional connection在不同頻率間的關係 (coherence)和相對應的modulation，以期能建構出運動神經系統的調控機制，未來並可應用此機制為基礎，探討正常人與運動失常病人(例如帕金森氏症、重度腦局部貧血、癲顯(epileptic)等病人)之異常的原因，進而幫助我們了解此類疾病，提供臨床治療的參考

儀器圖像

實驗實況

	1. 測量之先定做HPI (Head Position Indicator) 的定位量測，此為貼完HPI的正/側面像。

	2. 為清楚訊號受眼動的影響，所以貼EOG (Electric Ocular Graph) 以偵測眼動狀態，此為貼完EOG的正/側面像。

	3. 此為戴上數位座標感應器後的正/側面像。

	4. 此為用感應筆來偵測點的座標的正面像。

	5. 此為進入腦磁波儀準備進行實驗的正/側面像。

	7. 此為腦磁波儀的左/右斜位像。