В. Л. ВВЕДЕНСКИЙ, В. И. ОЖОГИН

        В конце 1960-х годов развитие финики сверхпроводимости привело к созданию нового измерительного прибора, получившего название «сквид». Действие прибора основано на использовании чисто квантовых явлений — эффекта Джозефсона и интерференции волновой функции электронных пар в сверхпроводящем кольце, содержащем джозефсоновский переход. Сквид представляет собой чувствительный элемент магнитометров, применяемых для измерения магнитного ноля и, следовательно, таких физических величин, как электрический ток, магнитная восприимчивость, перемещение магнетика и т.п. Чувствительность этих новых приборов по крайней мере в 1000 раз выше, чем у лучших несверхпроводниковых магнитометров.

        Для поддержания сверхпроводящего состояния, которое возможно при очень низкой температуре, сквид помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием. Если стенки сосуда металлические, то возникающие в них токи искажают магнитные поля от источников, находящихся снаружи. В последнее время разработаны специальные диэлектрические сосуды Дьюара из стеклопластика. В них сквид или его специальное входное устройство из сверхпроводящей проволоки (так называемый транформатор магнитного потока) размещены всего лишь в сантиметре от наружной стенки сосуда и могут без искажений воспринимать магнитное поле от внешнего источника, находящегося при комнатной температуре.

        Такой прибор (сквид-магнитометр) очень быстро нашел применение для измерения магнитных полей, порождаемых живыми организмами, и прежде всего человеком. Стала развиваться новая область исследований, основанных на анализе информации, поставляемой этими слабыми полями, и получившая наименование биомагнетизма в отличие от магнитобиологии, занимающейся изучением влияния сильных магнитных полей на биопроцессы. Резкое увеличение чувствительности магнитометров, достигнутое благодаря сквиду, практически открыло биомагнетизм. Биомагнитные сигналы очень слабы, и их измерение представляет собой непростую физическую задачу. Прежде всего это объясняется высоким уровнем магнитных шумов в окружающем нас пространстве (рис. 1). Без применения специальных мер защиты от них проведение биомагнитных измерений невозможно.

Рис.1

        Существуют дни подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный — создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо снижать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стенками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната—дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе ее сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

        Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь ни расстояниях, сравнимых о размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

        Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако, часто  внешние (шумовые) ноля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля — градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с «магнитно-спокойной» обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают и в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

        В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.

Природа биомагнитных полей

        Магнитные поля живого организма могут быть вызваны тремя причинами. Прежде всего, это ионные точки, возникающие вследствие электрической активности клеточных мембран (главным образом мышечных и нервных клеток). Другой источник магнитных полей—мельчайшие ферромагнитные частицы, попавшие или специально введенные в организм. Эти два источника создают собственные магнитные поля. Кроме того, при наложении внешнего магнитного поля проявляются неоднородности магнитной восприимчивости различных органов, искажающие наложенное внешнее поле.

        Магнитное поле в двух последних случаях не сопровождается появлением электрического, поэтому при исследовании поведения магнитных частиц в организме и магнитных свойств различных органов применимы лишь магнитометрические методы. Биотоки же, кроме магнитных полей, создают и распределение электрических потенциалов на поверхности тела. Регистрация этих потенциалов уже давно используется в исследованиях и клинической практике — это электрокардиография, электроэнцефалография и т.п. Казалось бы, что их магнитные аналоги, т.е. магнитокардиография и магнитоэнцефалография, регистрирующие сигналы от тех же электрических процессов в организме, будут давать практически аналогичную информацию об исследуемых органах. Однако, как следует из теории электромагнетизма, строение источника тока в электропроводящей среде (организме) и неоднородность самой это среды существенно по-разному отражаются на распределении магнитных и электрических полей: некоторые виды биоэлектрической активности проявляют себя преимущественно в электрическом поле, давая слабый магнитный сигнал, другие — наоборот. Поэтому есть много процессов, наблюдение которых магнитографически предпочтительнее.

        Магнитография не требует прямого контакта с объектом, т. е. позволяет проводить измерения через повязку или другую преграду. Это не только практически удобно, но и составляет принципиальное преимущество перед электрическими методами регистрации данных, так как места крепления электродов на коже могут быть источниками медленно меняющихся контактных потенциалов. Подобных паразитных помех нет при магнитографических методах, и потому магнитография позволяет, в частности, надежно исследовать медленно протекающие процессы (на сегодняшний день с характерным временем в десятки минут).

        Магнитные поля быстро ослабевают при удалении от источника активности, так как являются следствием сравнительно сильных токов в самом работающем органе, в то время как поверхностные потенциалы определяются более слабыми и «размазанными» токами в коже. Поэтому магнитография более удобна для точного определения (локализации) места биоэлектрической активности.

        И, наконец, индукция магнитного поля как вектор характеризуется не только абсолютной величиной, но и направлением, что также может давать дополнительную полезную информацию.

        Не следует полагать, что электро- и магнитографические методы конкурируют между собой. Наоборот, именно их комбинация дает наиболее полную информацию об исследуемых процессах. Но для каждого из методов есть области, где применение какого-либо одного из них предпочтительнее.

Магнитокардиография

        Сердце — наиболее сильный источник электрических и магнитных полей в организме, поэтому магнитокардиография возникла еще до появления сквидов. Но лишь сквид-магпитометры позволили получать магнитокардиограммы (МКГ) столь же высокого качества, как и электрокардиограммы (ЭКГ). Но внешнему виду сигналы МКГ и ЭКГ очень похожи, нарушения же сердечной деятельности несколько по-разному сказываются на результатах электрических и магнитных измерений. В ряде лабораторий мира сейчас идет процесс накопления соответствующих данных, что позволит систематизировать особенности магнитного проявления различных сердечных заболеваний.

        Как уже упоминалось, наиболее ярко достоинства магнитографии проявляются при наблюдении медленно меняющихся и том более постоянных сигналов. Так, именно магнитографически были обнаружены постоянные «токи повреждения», возникающие при закупорке коронарной артерии (в экспериментах на собаках).

        Другой серьезный успех магнитокардиографии — наблюдение МКГ плода в теле матери (рис. 2). Четкая локализация магнитного поля в районе источника позволила отделить сигналы плода от более сильных сигналов материнского сердца, в то время как электрические сигналы в значительной мере смешаны — из-за пространственной размазанности слабых поверхностных токов ЭКГ.

       Магнитография позволяют решать и другую важную задачу кардиологии — определение кровотока в сердце. Если наложить небольшое внешнее магнитное поле, то периодический выброс крови сердцем вызовет переменный магнитный сигнал, позволяющий определить объем и скорость движущейся жидкости.

        Совсем недавно возникло повое направление в магнитокардиографии, которое сродни рассматриваемым ниже нейромагнитным измерениям, - это МГК высокого разрешения. Суть ее заключается в более «пристальном» изучении тех интервалов сердечного цикла, когда мышца спокойна: в это время можно измерить слабые магнитные сигналы, сопровождающие нервные импульсы, распространяющиеся в сердце. Была выявлена интересная особенность: эти системы неизменны в точение приблизительно 20 циклов, затем слегка изменяют форму, снова сохраняя ее следующие 5—10 циклов, и т. д. Вероятно, здесь содержится определенная информация о нервных процессах в сердце.

Ферромагнитные частицы в организме

        На коже и в организме большинства людей, особенно работающих в металлообрабатывающей промышленности, присутствуют мелкие ферромагнитные частицы, магнитные поля которых могут мешать тонким биомагнитным измерениям. Вообще говоря, от этих помех можно избавиться размагничиванием во внешнем переменном поле убывающей амплитуды. Поля ферромагнитных частиц можно и усилить намагничиванием и достаточно большом постоянном поле. Тогда измерения можно проводить даже менее чувствительными приборами, особенно если содержание ферромагнитных частиц в организме велико. Например, обычные (феррозондовые) магнитометры уже используются как средство охраны труда для определения содержания железной пыли в легких сварщиков.

        Применение сквида позволяет обнаруживать малейшие количества, но только ферромагнитных, по и парамагнитных (т.е. существенно слабее намагничиваемых) примесей. Высокая чувствительность метода может оказаться полезной для ряда диагностических целей. С помощью сквид-магнитометров удалось выделить магнитный сигнал от микрочастиц железа, попавших в желудок вместе с едой, а это дает возможность определять, например, какими были продукты - свежими или консервированными. Кроме того, измерение распределения магнитных полей вокруг торса человека после ингаляции безвредного для организма магнетита (Fe3O4) позволяет наблюдать места преимущественного осаждения пыли и легких и скорость ее естественного выведения (обнаружено, в частности, что у курящих пыль выводится медленнее, чем у некурящих). Таким способом можно выявить очаги застойности (воспаление), а по результатам физического воздействия на частицы ныли (ультразвуком, СВЧ-нагревом или переменным магнитным нолем) получить информацию о характере цитологических изменений в очаге. Подобные исследования проводятся и на любом другом органе, в который можно внести магнитные частицы. Например, недавно был реализован своеобразный метод регистрации колебательных движений глаза (тремора и саккад) и органов среднего уха, заключающийся и том, что в нужном месте закрепляется мельчайшая пылинка ферромагнетика, а ее движение регистрируется по колебаниям магнитного поля.

Магнитные поля внутренних органов, кожи, мышц, глаз

        Магнитные проявления биологической активности свойственны многим органам живых организмов. Установлено, что постоянные или колеблющиеся с периодом в несколько минут магнитные поля характерны для желудка человека, причем вид сигнала явно определяется функциональным состоянием желудка. Сигналы различны до и после приема пищи, изменяются при приеме воды (натощак) или лекарства.. Этот факт может в дальнейшем найти применение в диагностике желудочных заболеваний.

        Были обнаружены магнитные поля постоянных электрических токов в коже появляющихся при прикосновению к покрывающему ее волосяному покрову.
        Обнаружение таких токов электрографически предельно затруднено из-за паразитных потенциалов, возникающих в местах крепления электродов и, кроме того, самим их закреплением — они давят на ножу.

        Измерены магнитные поля при сокращении скелетных мышц человека. 3aпись, этих полей как функции времени называют магнитомиограммой (ММГ). В дополнение к высокочастотным компонентам (10—150 Гц), регистрируемым также и электромиографически, наблюдалась медленно меняющаяся составляющая ММГ, возникавшая при сокращении мышцы или при ее легком массаже. Такое магнитное поле свойственно мышцам ног и способно существовать около часа. Высказывалось мнение, что токи, вызывающие эти поля, играют важную роль в росте и регенерации конечностей, например в залечивании переломов кости.

        Известно, что глаз — источник довольно сильного электрического поля, так как работа сетчатки сопровождается возникновением потенциала до 0,01 В между передней и задней ее поверхностями. Это вызывает в окружающих тканях электрический ток, магнитное поле которого можно регистрировать в виде магнитоокулограммы (МОГ) при движении глаз и в виде магниторетинограммы (МРГ) при изменении освещенности сетчатки. Наблюдение и изучение магнитных полон глаза представляют собой интересную самостоятельную задачу. Вместе с тем оказалось, что индукция магнитного поля глаз существенно выше, чем магнитного поля мозга (см. рис. 1). Поэтому конфигурацию и другие характеристики этих полей необходимо знать, приступая к магнитографическим исследованиям мозга, особенно при изучении зрительного восприятия.

Нейромагнитные поля

        При работе мозга, основы которой пока еще во многом загадочны, возникают как электрические так и магнитные поля. Наиболее сильные сигналы порождаются спонтанной ритмической активностью  мозга. С помощью энцефалографии проведена  классификация этих ритмов и установлено соответствие между ними и функциональным состоянием мозга (бодрствованием, разными фазами сна) или патологическими проявлениями (например, эпилептическим припадком).

        Исследования показали, что электро- и магнитоэнце-фалограммы (ЭЭГ и МЭГ) могут сильно отличаться: некоторые ритмы проявляются лишь в электрических исследованиях, а некоторые — только в магнитных. В кардиографии же сигналы ЭКГ и МКГ очень похожи. Поэтому применение сквид-магнитометров особенно перспективно при исследовании мозга. С их помощью уже получено много важных результатов.

        Однако различие в ЭЭГ и МЭГ отнюдь не обязательно. Так, в альфа-ритме, т.е. колебаниях с частотой 8—12Гц, характерном для бодрствующего человека с закрытыми глазами в спокойном состоянии, магнитные и электрические поля появляются синхронно (рис. 3), причем их амплитуды пропорциональны, т.е. субъект с большим электрическим сигналом альфа-ритма вырабатывает и больший магнитный сигнал. Правда, подобная четкая связь отсутствовала у пациентов с нарушениями ритмической активности.

Рис.3

        При сравнении электро- и магнитоэнцефалограмм следует учитывать, что и отлично от других органов мозг практически целиком окружен постной тканью черепа, а ее электропроводность много меньше, чем кожи и самого вещества мозга. Кроме того, естественные отверстия черепа усложняют пути электрического тока, в результате чего картина потенциалов на поверхности головы человека представляет собой сложное наложение пространственных распределений сигналов от довольно удаленных источников внутри мозга. Магнитный же датчик реагирует главным образом на более сильные токи в самой области биоэлектрической активности и, что также очень важно, определенным образом ориентированные относительно приемной катушки сквид-магнитометра. Это делает магнитографические методы предпочтительными, поскольку наибольший исследовательский и диагностический интерес представляет изучение сигналов  от конкретного источника внутри мозга - без помех, создаваемых другими видами активности. Так, исследования мозга у лиц, страдающих эпилептическими припадками, показали, что магнитографически удается точно обнаружить очаг патологической активности, в то время как на ЭЭГ у отдельных пациентов не регистрировался спектр, характерный для эпилепсии.

        Но наиболее ярко преимущества магнитной регистрации проявляются при исследованиях откликов мозга на различные воздействия через органы чувств.
        В ряде лабораторий мира проводятся исследования магнитных сигналов, сопровождающих отклики мозга на осязательное, звуковое и зрительное раздражение. Уже первые результаты показали, что эти так называемые вызванные магнитные поля (ВМП) мозга обладают сравнительно простой структурой и по ним можно установить расположение источника биоэлектрической активности в коре головного мозга. Некоторые источники ВМП могут быть достаточно хорошо представлены в виде токового диполя, т. о. как бы миниатюрной батарейка с близко расположенными полюсами. Положение токового диполя, глубину его залегания в мозге, направление и значение (произведение плотности тока па объем области активности) можно определить магнитографически. В ответ на зрительное раздражение возникает токовый диполь в затылочной части головы, на слуховое — в височной части. В ответ на раздражение мизинца правой руки возникает диполь, перпендикулярный центральной борозде левого полушария (рис. 4). Этот диполь расположен в проекционной зоне чувствительных рецепторов различных частей тела, и именно в том месте, где, как показали нейрохирургические исследования, находится «представительство» мизинца.

Рис. 4

        С помощью магнитографии становится возможным без хирургического вмешательства весьма точно выявить то место в коре мозга, куда приходит в где обрабатывается информация от органов чувств. Так, токовый диполь от мизинца находится на 2 см выше диполя, возникающего при раздражении большого пальца. Можно надеяться, что магнитная регистрация позволит подтвердить или определить положение и других функциональных центров в головном мозге. Столь точно устанавливать положение источника биоэлектрической активности мозга ЭЭГ не позволяет.

        Сравнительная простота ряда ВМП дает возможность проводить с ними надежные нейрофизиологические эксперименты. Например, исследовались магнитные поля мозга, вызванные реакцией на решетку из темных и светлых полос, периодически появляющуюся на экране осциллографа. Такой вид стимулирования в исследованиях зрительного восприятия весьма распространен, и его применение связано с современными теоретическими представлениями о восприятии образов. Оказалось, что амплитуда магнитного сигнала в этом случае больше, чем, например, при использовании простой вспышки. Периодически (от восьми до двадцати раз в секунду) предъявляя такую решетку, можно по фазовому отставанию магнитного отклика установить время прохождения сигнала по нервным путям от глаза до определенной области коры головного мозга.

        Как установлено, прохождение сигнала — не пассивный процесс. При этом осуществляется последовательная обработка информации в различных отделах мозга, и по времени этого «активного» запаздывания (t) можно в той или иной мере судить о характере этой обработки. Запаздывание тем больше, чем гуще решетка, т.е. чем выше ее «волновое число» N, измеряемое числом штрихов на градус поля зрения (рис. 5). Значит, мозг быстрее реагирует па стимул с более крупными деталями. Но это справедливо лишь для частот появления решетки на экране осциллографа, меньших 20 Гц, на больших же частотах механизм обработки сигнала резко меняется и запаздывание уже не зависит от волнового числа решетки. Подобная граничная частота (тоже 20 Гц) была обнаружена и при прохождении сигналов от осязательного раздражения.

Рис. 5. Зависимость временной задержки магнитного отклика мозга (левая шкала, дискретные значки) и полного времени реакции человека (правая шкала, сплошные кривые) от густоты предъявляемого зрительного стимула, выражаемой числом штрихов на один градус поля зрения

        Интересно отметить, что измерение магнитного отклика на зрительный стимул и сравнение характеристик этого отклика с данными традиционного хронометрического опыта по измерению общей реакции человека на разовое предъявление решетки позволили разделить время реакции (tр) на две части—для анализа сигнала (зависит от периодичности решетки) и для передачи исполнительного импульса. Как следует из сравнения npавой и левой вертикальных шкал па рис. 5, последнее составляет примерно 110 мс независимо от сложности предъявляемого стимула.

        Возможность измерения  активного  запаздывания ВМП позволила сравнить время реакции различных полушарий мозга на зрительный стимул. Система связи мозга с зрительными органами организована иначе, чем для других органов чувств: в левое полушарие идет сигнал от правой половины поля зрения обоих глаз, в правое — от левой половины. У большинства испытуемых время запаздывания для обоих полушарий мозга одинаковое, по у некоторых людей разница во времени реакции правого и левого полушарий достигала 0,1с. Этот факт, по-видимому, может иметь клиническую ценность, например, для ранней диагностики склероза.

        Развивающаяся техника магнитных измерений позволяет со все большей точностью определять местоположение токового диполя, соответствующего тому или иному виду нервной активности головного мозга, и тонко разделять разные сигналы. Удалось проследить изменение положения возбужденного участка коры головного мозга при повышении высоты звука с 200 до 5000 Гц: область активности сдвигалась в глубь так называемой сильвиевой борозды на 1см, причем была видна постепенность этого перемещения при плавном изменении частоты.

        Точное измерение положения области нервной активности, сопровождающей раздражение того или иного органа чувств, позволяет строить карты активности коры головного мозга: «соматотопическую» для осязания, «тонотопическую» для слуха, «ретинотопическую» для зрения.

Такие карты могут служить основой для понимания процессов переработки поступающей в головной мозг информации и постановки более сложных нейрофизиологических экспериментов на базе полученных результатов. Причем исследования можно проводить на вполне здоровых людях без какого-либо оперативного вмешательства и существенных неудобств для испытуемого.

        Если же учесть, что пока мы рассматриваем лишь простейшие проявления нервной активности и что более сложные процессы и мозге, которые тоже картируются магнитографически, будут иметь, скорее всего, ярко выраженные индивидуальные черты, то подобное применение бесконтактных методов магнитометрии представляется чрезвычайно перспективным.

        Магнитография позволяет исследовать процессы не только в коре больших полушарий, но и в глубоких структурах мозга и не только отклики на возбуждение органов чувств, но и более сложные процессы. Так, уже измерены магнитные поля, которые возникают, когда человек намерен произвести какое-либо действие. Источник этого поля возникает за секунду (!) до того, как человек реально произведет, например, движение ногой. Как оказалось, источник опять-таки имеет вид, близкий к диполю, и залегает в районе гиппокампа*, причем при желании двинуть правой ногой диполь повернут на 45° влево, а при движении левой ногой — вправо.

        Дипольный (обусловленный токовым диполем) характер большинства обнаруженных проявлений нейромагнитной активности объясняется двумя причинами. С одной стороны, такой вид возбуждения, видимо, действительно характерен для тех сравнительно простых нервных процессов, которые исследовались в первых работах по биомагнетизму. Более сложные нейрофизиологические явления связаны, очевидно, и с более сложной системой источников магнитного поля. С другой стороны, при использовании существующих сквид-магпитомстров детектирование даже дипольного источника — весьма кропотливая работа, а исследование более сложных процессов представляет серьезные технические трудности. К счастью, прогресс в развитии сверхчувствительной магнитометрии отнюдь не исчерпал себя. Развитие новых технологических процессов производства сквидов на базе микроэлектронной промышленности, разработка компактного криогенного оборудования, перспективы использования мощного вычислительного обеспечения для обработки получаемых магнитных сигналов — все это позволяет предвидеть дальнейшее плодотворное внедрение методов сквид-магнитометрии в исследование человеческого мозга.

        Вполне реально создание набора, скажем, из ста чувствительных элементов, одновременно регистрирующих магнитные поля в разных точках вокруг головы человека. Обработка этих данных на ЭВМ даст картину распределения источников поля по всему объему мозга. Такая система во многом схожа с уже существующими системами компьютерной рентгеновской томографии и ЯМР-интроскопии, из которых первая дает полную картину распределения плотности вещества и мозге на основании данных о поглощении рентгеновских лучей, а вторая— картину распределения определенных химических веществ, полученную методом ядерного магнитного резонанса.

        Магнитные методы обещают в перспективе построение трехмерной картины электрической активности мозга.

        Магнитные исследования мозга реально ведутся всего лишь несколько лет, но уже первые результаты показали большую перспективность метода. Биомагнетизм оказался не только важной частью биологической науки, но и обеспечил базу для развития других применений сверхчувствительной магнитометрии.

        Наряду с транзистором и лазером детище квантовой механики сквид лишний раз демонстрирует, насколько практичной стала эта удивительная наука, казавшаяся в прошлом столь абстрактной.

* Гиппокамп — один из участков головного мозга, расположенный под большими полушариями,