使用光泵磁力仪（OPMs）非接触测量视网膜活动

原文见：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811921008016

摘要

光泵磁力仪（OPM）已被用于测量大脑活动。无需冷却至低温，这些传感器的阵列可以更灵活地放置，这允许记录新皮质以外的神经元结构。在这里，我们使用八个OPM传感器来记录闪光刺激后的人类视网膜活动。我们将这一【磁视网膜图（MRG）】活动与八名参与者同时记录的【电视网膜图】进行比较。MRG显示熟悉的闪光诱发电位（a波和b波），并与【电视网膜图】共享大量信息（同时和单独测量）。我们得出结论，OPM传感器有可能成为测量视网膜活动的非接触式光纤电极替代品。这样的非接触式解决方案可以使临床和神经科学环境受益。

绪论

在过去几年中，光泵磁力仪（Optically pumped magnetometers，OPM）在神经科学研究中引起了越来越多的关注。由于不需要像超导量子干涉装置（SQUID）磁强计那样冷却到低温，OPM需要相对最小的绝缘，并且不需要像传统MEG那样安装在杜瓦罐（cryogenic storage dewar）的固定位置。【杜瓦罐（cryogenic storage dewar）也称真空罐、低温储罐】

传感器可以单独放置并靠近头皮，这为模拟（Boto等人，2016；Iivaninen等人，2017）和真实记录（Boto et al.，2018；2017；Hill等人，2020；Iivanainen等人，2020）中的大脑活动测量提供了更好的信噪比（SNR）。OPM传感器的单独放置可能性也启发了新的放置方式，例如在口腔中记录海马活动。

在这项研究中，我们利用这项新的技术来测量视网膜活动。视网膜的电生理记录用于研究（例如，Bach等人，2018；Heinrich和Bach，2004；2002）和临床设置（Marmor等人，1989；2009；McCulloch等人，2015），并使用隐形眼镜电极或纤维电极进行测量。

视网膜电图（ERG）反映了视网膜中不同细胞群的总活动，并具有缓慢的诱发电位和高频振荡活动（Frishman，2013）。闪光通常在闪光开始后25ms左右激发负电位，即由感光体活动引起的A波（Frishman，2013；Perlman，2001）。在a波之后，80ms左右的正波，即b波，归因于ON双极细胞的活动（Frishman，2013；Sieving等人，1994；Vukmanic等人，2014）。

与a波同时出现的是一个高频振荡脉冲串（以120Hz为中心），即振荡电位（Fröhlich，1914；Munk和Neuenschwander，2000）。振荡电位的起源归因于不同的细胞群体（Doty和Kimura，1963年；Frishman，2013年；Kenyon等人，2003年），并传递到视觉皮层（Lopez和Sannita，1997年；Neuenschwan der等人，2002年；Todorov等人，2016年；Westner和Dalal，2019年，但见Doty和Kim，1963年，Heinrich和Bach，2004年；Molotchnikoff等人，1975年）。

视网膜活动的测量通常是用电极进行的，然而，可以记录相应的磁活动，如Aittoniemi等人（1979）和Katila等人（1981）使用SQUID传感器所开创的那样。据报道，全头SQUID MEG系统的额叶和颞部传感器可以检测视网膜活动（Shigihara等人，2016）。磁视网膜电图（MRG）不需要磁力计与参与者的眼睛直接接触。OPM提供了一个令人兴奋的新机会，可以在参与者的眼睛周围放置几个传感器，并且比SQUID传感器更接近眼睛。与ERG记录相比，OPM提高了舒适度，与早期尝试MRG记录相比也提高了覆盖率。

在本文中，我们将证明OPM-MRG测量视网膜活动是可行的，并产生与纤维电极ERG测量类似的结果。

方法

2.1参与者和测量设置

9名参与者参与了这项研究，然而，由于过度嘈杂的视网膜电图（ERG）测量，一名参与者的数据被排除在外，其中50%的试验被眨眼污染。因此，我们提供了8名参与者的数据（2名女性；平均年龄36.0岁，SD 3.97）。所有参与者的视力正常或可矫正至正常，但在实验中没有戴眼镜或隐形眼镜，因为刺激是不包含细节的全视野闪光。所有参与者都给予了书面知情同意，该研究获得了Midtjylland地区Komitée II（丹麦中部地区道德委员会，第二委员会）的Videnskabssetiske Komitéer的批准。

我们使用了8个OPM传感器（美国科罗拉多州博尔德市FieldLine股份有限公司；一个传感器的尺寸：1.3×1.5×3 cm），它们在一个3D打印支架（7.8×9.4 cm）中以4×4阵列的形式隔开。这些传感器（第1代）的报告带宽为0–150 Hz，标称灵敏度为10–15 fT/√ 频率为20–50 Hz。测量在3层磁屏蔽室（Vacuumschmelze GmbH&Co.KG，Hanau，Germany）内进行。参与者处于仰卧位，OPM支架安装在柔性臂上，以便将传感器放置在靠近参与者左眼的位置（参见图1）。为了不引入运动伪影，持有者没有与参与者进行任何身体接触。Katila等人（1981）指导了支架在参与者眼睛侧面的定位，传感器网格相对于眼睛中线居中。

图1。测量设置。磁屏蔽室（MSR）内的实验装置。SQUID-MEG系统（未显示）位于该示意图的左侧。该图包括OPM传感器和房间的坐标系。

使用Dawson Trick Litzkow（DTL）纤维电极从参与者的左眼记录ERG（Dawson等人（1979）；爱尔兰都柏林Di agnosys Vision有限公司）。虽然OPM传感器的数据是通过FieldLine采集系统采集的，但ERG活性是通过Elekta Triux MEG系统（MEGIN Oy，赫尔辛基，芬兰）的生物电位放大器记录的。两个测量值均以1000Hz采样。将光电二极管安装在屏幕上，用于刺激开始定义，并使用OPM和MEG系统记录数据流，以离线同步记录。

为了主动消除位于屏蔽室内的Elekta MEG系统氦气回收器的磁性部件产生的磁梯度，我们在MEG杜瓦的磁性部件周围使用了亥姆霍兹线圈。测量开始前，测量位置的梯度为零，使用磁通门作为反馈，手动调整发送至亥姆霍兹线圈的电流。在一个空房间中，用磁通门测量的记录点的磁场测量值为19.25nT 轴，1.3 nT 轴和26 nT 轴（该坐标系对应于房间的坐标系，图1，底部）。置零后，磁场被提高到2.0nT 轴，1.0 nT 轴和3.25 nT 轴。

在开始记录之前，OPM传感器测量了所有三个维度的磁场。参与者的平均值为21.46 nT（−15.55–5.91 nT） 方向，范围为1.97 nT（−13.40至−11.43 nT） 方向，最后是4.72 nT（−2.56–2.17 nT）的范围 所有8个传感器的方向。注意，这些值对应于传感器的坐标系（图1，顶部）。

2.2刺激

对于视觉刺激，我们向参与者提供了短暂的闪光刺激。闪光的持续时间为694秒，随机的刺激间隔为1000到1100毫秒。用PROPixx投影仪（VPixx Technologies，Saint Bruno，Canada）以1440Hz的刷新率将刺激投射到参与者面前的屏幕上。屏幕上的刺激亮度为236cd m−2。在刺激呈现期间，房间是黑暗的，但参与者在刺激开始之前保持光适应。

一组刺激包括400次试验，每个参与者观看两组。对于第一组，OPM传感器和DTL光纤电极用于记录，对于第二组，光纤电极从参与者的眼睛中移除，只有OPM传感器就位。这样做是为了同时记录ERG和MRG通道的数据以及单独来自OPM传感器的记录，以确保ERG电极不会引入由OPM测量的任何潜在视网膜活动。

2.3数据分析

所有数据分析都是在MATLAB中使用开源数据分析工具箱FieldTrip（Oostenveld等人，2011）和自定义脚本完成的。用于数据分析的所有自定义代码可在https://github.com/britta-wstnr/opm_mrg.

基于光电二极管信号创建基本处理Epochs，以精确识别闪光开始。使用离散傅里叶变换去除线噪声（50Hz、100Hz、150Hz）。人工剔除工件，并使用FieldTrip的数据浏览器分别对两个数据集进行剔除。所有眨眼、眼球运动、肌肉抽搐或其他伪影的试验都被移除。仅对于视觉伪影检查，数据在2Hz下进行高通滤波。对于同时记录ERG和MRG的会话，在人工制品排斥后，平均仍有330.63次试验（SD 29.30）。对于OPM，仅剩下380.38次试验（SD 19.73）的平均数据集。

数据在1Hz下进行高通滤波（单通零相位，汉明窗FIR滤波器，阶数1650），在45Hz下进行低通滤波（单通道零相位，汉明窗FIR滤波，阶数294）。然后使用闪光开始前的-1000ms时间窗作为基线对数据进行基线校正。

相互信息为了量化ERG和MRG之间的共享信息，在受试者中计算ERG电极和OPM通道之间的相互信息。通过搜索通道中的最高b波振幅（最大搜索窗口：0–100 ms），根据数据集和参与者选择OPM通道。每个参与者和数据集选择一个“最佳”频道的动机是OPM阵列的位置可能因每个录制会话和参与者的不同而略有不同。接下来，我们计算了每个受试者和数据集−50–150 ms时间窗口的MRG通道与ERG电极的相互信息。相互信息的计算基于Cohen（2014）。

使用Freedman-Diaconis规则估计用于计算互信息的最佳箱数。平均而言，8.94个箱被估计为最佳代表数据（中位数9.0，标准差2.14，范围6-13），因此所有数据集和参与者的箱数设置为9。相互信息以位报告。进行排列测试以确定两个时间序列是否共享信息。为此，两个时间序列中的一个相对于另一个随机移动。此过程重复5000次，以创建空分布，然后用于估计p值。

信号和噪声特性的估计在对数据进行任何其他处理之前，根据同时数据集的连续数据计算数据的噪声谱。使用具有汉明窗口的快速傅里叶变换，以1 Hz步长估计1–200 Hz范围内的功率谱密度。在去除线噪声和伪影之后，根据划时代的数据估计信噪比（SNR）。使用基线（闪光开始前−100至−30 ms）和活动期（闪光开始后30–100 ms）的均方根计算SNR估计值，然后转换为分贝，如下所示： = 10log_10（/), 具有 表示相应信号的均方根。

结果

在出现两组短闪光刺激时，用8个OPM传感器记录视网膜活动。图2显示了OPM传感器的记录活动，参与者的平均值。该图显示了两个会话的数据，一个使用ERG电极同时测量视网膜活动（图2A），另一个仅使用OPM传感器（图2B）。两个记录都清楚地显示，a波在25ms左右为负偏转，b波在80ms左右为正偏转（还比较了图3C所示的ERG活动）。在单独的测量中，a波和b波的清晰形状已经证明OPM传感器从ERG电极中拾取人工活动的可能性，同时表明OPM直接记录了真实的视网膜活动。

图2 视网膜活动的OPM测量。该图显示了使用OPM传感器进行的两次视网膜活动测量。这些轨迹显示了八个OPM传感器记录的活动，这些传感器对参与者进行了平均。颜色对应于传感器在记录网格中的位置，如图中的插入部分所示。A表示同时测量，此时ERG电极也存在。B显示了移除ERG电极后来自相同参与者的第二次测量的数据。

图3A显示了同时测量的单个受试者的信号，所有试验和通道的平均值。此外，在这里，所有参与者都可以识别出a波和b波，并且当查看图3B中最佳信道（定义为具有最高b波振幅的信道）的试验平均值时，a波和b波更加明显。ERG平均值（图3 C）显示出与单个受试者平均值的高度相似性，但也与图2所示的同时测量和单独测量数据的高度相似。

图3。单个受试者信号。同时测量的视网膜活动，每个信号对应一个参与者。A显示所有试验和OPM传感器的平均值。B每个参与者都显示了最佳OPM传感器的所有试验的平均值。每个受试者分别将最佳传感器定义为具有最高b波峰值振幅的传感器。C每个参与者显示了ERG电极试验的平均值。

图4A显示了参与者的ERG和MRG平均轨迹。对于MRG分析，再次为每个参与者和测量选择具有最高b波振幅的OPM传感器。深蓝色实线对应于来自同时测量的MRG数据，而深蓝色虚线描绘了来自分离数据集的数据。为了量化ERG和MRG之间的共享信息，在具有最高信噪比的ERG电极和OPM传感器之间的受试者内计算相互信息。图4B显示了两个数据集的ERG和MRG之间的相互信息（以位为单位）。当没有共享信息时，所有值都明显高于零假设下的预期值，这是通过置换测试确定的（所有p值≤0.0000125，Bonferroni校正）。我们还使用贝叶斯配对样本t检验测试了两个数据集之间ERG和MRG的相互信息是否不同。没有证据表明两个OPM数据集与ERG显示相同的共享信息。令人惊讶的是，ERG和MRG之间的共享信息更高（Bayes Factor[BF]1.711）。这可以被视为替代假设的轶事证据（Jeffreys，1961；Lee和Wagenmaker，2014），即两个数据集的共享信息不相同。为了排除这是否仅仅是单独条件下试验次数增加的结果，因此MRG诱发场的SNR更高，我们通过对单独条件下的MRG数据进行二次采样来重复相互信息的计算，以匹配同时条件下的试验次数。然而，结果没有改变（BF 1.755，参见图S1）。

图4。ERG和MRG测量之间的相似性。A此图显示了试验和参与者的ERG和MRG痕迹的平均值。橙色线对应于ERG电极，蓝色线是每个参与者的最佳OPM通道的平均值（参见图3B）和测量值（实线对应于与ERG同时进行的测量，虚线表示来自单独OPM测量的数据）。B条形图显示了最佳OPM通道和每位参与者ERG之间的相互信息。浅绿色条表示同时进行的MRG-ERG测量，深绿色条表示仅有MRG测量。（为了解释本图图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本。）

我们还计算了每个参与者的ERG和每个OPM传感器之间的相互信息，以确定哪个OPM传感器位置测量的视网膜活动与ERG轨迹最匹配。这是使用同步数据集完成的。图5显示了参与者的平均结果。较深的绿色阴影表示给定位置的OPM传感器与ERG信号之间的相互信息程度较高。圆圈大小显示了这一估计的精度：大小与参与者之间相互信息的标准差成反比。因此，较小的圆对应于互信息的不太确定的估计。阵列左下角的OPM传感器显示MRG和ERG之间的相互信息最高，参与者之间的标准偏差很小。这对应于放置在参与者鼻子和脸颊侧面的传感器。

图5。OPM阵列的灵敏度。图中显示了每个通道的相互信息以及同时测量的ERG活动，在受试者之间取平均值。颜色对应于相互信息，圆圈的大小与参与者之间的标准偏差成反比（这样，较小的圆圈对应于对相互信息的不太确定的估计）。

最后，通过计算噪声谱和信噪比，我们研究了MRG和ERG信号的信号和噪声特性。图6A比较了同时测量的连续数据中ERG（橙色，顶部）和MRG（蓝色，底部）的功率谱密度（PSD）。这两种测量技术都显示了整个频率范围内的光谱密度的可比分布，OPM对线路噪声的灵敏度更高。OPM传感器显示的PSD为3-100fT/√ 在20Hz以下，我们预计大部分生物信号都会出现。高于50 Hz时，PSD衰减至3fT/√以下. 图6B描述了单次试验的信噪比（SNR）。【尽管ERG的SNR（信噪比）在所有参与者中都高于0dB，但OPM的SNR对于所有参与者和传感器始终低于0dB】。

图6。信号和噪声特性。该图比较了MRG和ERG记录的信号和噪声特性。A所示为ERG（橙色，顶部）和OPM-MRG（蓝色，底部）的功率谱密度。记录道对应于单个受试者，数据来源于同时记录。B ERG（橙色）和MRG记录（蓝色/绿色）的信噪比。对于MRG记录，颜色与传感器在网格中的位置相对应（参见插图）。同时记录的数据在参与者之间进行平均。（为了解释本图图例中对颜色的引用，读者可参考本文的网络版本。）

用DTL纤维电极测量的ERG数据经常受到眨眼的高度污染，因为电极位于下眼睑，在眨眼或眼球运动时很容易移动。这导致更多的试验被排除在数据分析之外。MRG的情况要少得多：由于OPM传感器与参与者没有物理接触，因此眨眼活动的敏感性与SQUID MEG传感器相当。虽然总体上SNR较低，但我们发现OPM数据受伪影影响较小：我们在仅基于ERG的同时测量中平均排除了64.13次试验（SD 31.60）（在第二步中也查看了MRG数据后，平均排除了5.25次额外试验[SD 10.19]），但我们仅从单独的OPM测量中排除了19.63次试验（SD19.73）。单边贝叶斯配对样本t检验为MRG和ERG数据中被排除的实验数量之间的差异提供了证据（BF 7.42），ERG数据集中有更多试验被排除（不包括同时OPM测量中额外拒绝的试验）

讨论

在本文中，我们首次使用OPM传感器测量视网膜活动。我们表明，记录的MRG活动显示出a波和b波（图3），这是视觉闪光刺激后的典型视网膜电位。我们还证明，在相同的参与者中，MRG活性与ERG纤维电极记录的视网膜活性密切匹配（图4）。此外，我们描述了记录阵列上视网膜活动磁场的分布（图5），并定义了ERG和MRG数据的信号和噪声特性（图6）。

最近的几篇论文显示，OPM传感器成功地记录了皮层和皮层下的大脑活动（例如，Boto等人，2018；Iivaninen等人，2020；Zhang等人，2020），并指出了全头部OPM系统的潜力（Boto等，2016；Hill等人，2020年）。在这篇论文中，我们表明，使用OPM，我们不仅限于（亚）皮层大脑活动，而且还可以很容易地记录视网膜的磁活动。我们的OPM记录与ERG记录共享大量信息，并且在诱发活动中，a波和b波都清晰可见。与Katila等人（1981年）的开创性论文相比，Katila等报道了大约0.1pT的a波到b波振幅，我们的测量结果显示增加了大约6倍（参见Katila et al.，1981年的图4A和图14）。

令人惊讶的是，与来自同时记录的MRG相比，来自单独记录的MRR数据的MRG和ERG之间的共享信息略高。这种影响不是由伪影导致的试验量的差异驱动的，而伪影在同时记录中更高。可能的是，这一结果可以通过OPM传感器在单独记录中用于记录视网膜活动的平均稍微有利的位置来解释，或者通过ERG电缆的微小运动引起的伪影来解释在同时记录中稍微较差的SNR来解释。还要注意，这一结果的贝叶斯因子不是很高，仅被归类为“轶事证据”（Jeffreys，1961；Lee和Wagenmaker，2014）。最终，我们仍然可以得出结论，OPM传感器中的视网膜活动不仅仅是由ERG电极引起的，而是真实记录的活动。

在我们的实验中，OPM被均匀地分布在一个塑料支架中，该支架位于参与者眼睛的侧面。网格对视网膜活动的敏感性（与ERG电极测量的活动相比）在参与者的鼻子和脸颊处最高。这与Katila及其同事（1981年）的早期MRG记录报告相吻合，他们还发现，在SQUID磁强计的记录中，眼睛下方的区域对视网膜活动最敏感（参见他们论文中的图15）。
我们根据参与者的眼睛放置了带有传感器的网格，因此，准确的位置自然会因参与者而异。【随着更精确的位置、更接近解剖结构的OPM支架，以及OPM与面部标志的共同注册，参与者之间的信号应该更具可比性。然后，甚至可以观察信号的地形分布，例如结合多焦点ERG刺激（Derafshi等人，2017）。】

单次试验中OPM传感器的SNR显著低于ERG的SNR（图6B），对于OPM，噪声功率甚至高于信号功率（值低于0dB）。然而，如上所述，当整个试验平均时，视网膜诱发电位仍然清晰可见，与ERG诱发电位相似。这种低的单次试验SNR可能是磁屏蔽室中背景场的结果。虽然OPM测量具有总体较低的SNR，但它们显示的伪影较少。我们报告了MRG和ERG记录因眨眼或其他伪影而被拒绝的试验数量之间的显著差异。ERG电极与下眼睑直接接触，因此在眨眼或眼球运动时不可避免地会移动，从而导致大量伪影甚至信号饱和。由于OPM阵列与参与者没有任何身体接触，眨眼或眼球运动不会对信号造成同样的干扰。这是OPM-MRG相对于纤维电极ERG的明显优势。

OPM-MRG测量的SNR可以通过进一步降低屏蔽室中的噪声来提高，我们的实验中的背景场在基于空房间记录的调零后的3.25nT范围内。将OPM传感器放置在眼睛周围，更好地调整头部形状，可以进一步提高信噪比。此外，自适应噪声消除的新发展（Boto等人，2018；Iivanainen等人，2019），一人屏蔽解决方案（Borna等人，2020年）或新型传感器（Zhang等人，2020）将使使用OPM技术记录神经磁场更容易，也将使本研究的限制（如记录期间保持静止的要求）过时（Boto等人，2018年；Roberts等人，2019年）。

闪光刺激后的视网膜活动还包括高频响应，即振荡电位。虽然在我们的数据集中看不到，但我们对能够用OPM记录这种快速振荡感到乐观，尤其是在噪声较小的环境中。【OPM最近被证明可以从枕皮质捕获高达70 Hz的视觉伽马活动（Iivanainen等人，2019）。】虽然用于MEG应用的OPM传感器的带宽有限，通常为0-200 Hz（Knappe等人，2019），但在噪声较小的环境中，仍有可能记录以120 Hz为中心的振荡电位（Frishman，2013）。

DTL纤维电极通常适用于儿童和敏感成人的临床检查，并已证明其具有与Burian Allen隐形眼镜电极相似的信号质量（Dawson等人，1979年；Kuze和Uji，2000年）。然而，即使是DTL电极也需要与巩膜接触，一些患者和健康参与者可能仍然会感到不愉快（García-García等人，2016；Yin和Pardue，2004）。随着成本效益屏蔽解决方案的进一步完善（Borna等人，2020年；Boto等人，2018年；Iivanainen等人，2019年），OPM也可能在临床环境中变得更加经济可行。因此，OPM传感器有可能成为ERG电极的无接触替代品。通过实现【视网膜源定位】，容易获得眼睛周围的多通道覆盖也可以进一步提高多焦视网膜图的精度，这也可以进一步增加SNR。

此外，测量视网膜活动的非接触式解决方案将有助于人类视觉系统的神经科学研究。展望整个头部OPM系统，在眼睛附近添加一些OPM通道以捕获视网膜活动将是微不足道的。对于视力矫正，MEG兼容视力矫正可与低温MEG一样使用。这将允许在视觉处理的研究中轻松舒适地检查视网膜和皮层，以从电生理角度研究视觉通路（Westner和Dalal，2019），例如使用多焦点或模式ERG（McCulloch等人，2015）或自然刺激等临床方法。总之，OPM-MRG为视觉研究、视觉神经科学以及潜在的临床应用提供了令人兴奋的新可能性。