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Des mini magnétomètres pour étudier le cerveau

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John Kitching et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, dans le Colorado, viennent de mettre au point un petit magnétomètre presque aussi sensible que les Superconducting Quantum Interference Device  utilisés en magnétoencéphlographie (MEG). Le dispositif fonctionne à température ambiante, contrairement aux Squid refroidis par de l'hélium liquide.

En l'absence de champ magnétique le spin des atomes reste parallèle au rayon laser qui n'est pas absorbé. Un corps approché perturbe cette orientation par son champ magnétique et l'intensité lumineuse du faisceau laser à la sortie baisse. Crédit: Loel Bar

Tout le monde connaît, bien sûr, l'IRM qui fournit des images en coupe spectaculaires du corps humain et notamment du cerveau. Les champs magnétiques sont donc des outils puissants pour pénétrer les secrets des systèmes vivants et toute percée technologique en relation avec eux peut donc potentiellement faire avancer la médecine et la biologie.

Il y a quelques dizaines d'années, en partant des travaux du prix Nobel de physique Brian Josephson, il avait été possible de construire des magnétomètres extrêmement sensibles aux champs magnétiques : les fameux Superconducting Quantum Interference Device (Squid) capables de mesurer des champs aussi faibles que quelques femtoteslas (10-15 T). Ces dispositifs ne tardèrent pas à être utilisés pour améliorer une technique connue sous le nom de Magnéto-encéphalographie (MEG), permettant de mesurer de façon non invasive l'activité interne du cerveau et de planifier des opérations de neurochirurgie délicates, risquant d'endommager le cortex.

Un dispostif de MEG classique, notez la grande taille de celui-ci. Crédit : Institut Fédératif des Neurosciences de Lyon

Malheureusement, ces dispositifs ne sont pas très commodes car ils nécessitent d'être refroidis avec de l'hélium liquide à seulement quelques kelvins. Les nouveaux capteurs mis au point n'ont pas ce problème, même s'ils ne permettent pour le moment que de mesurer des champs magnétiques de 70 femtoteslas. Cette limite est déjà remarquable puisqu'il s'agit d'une intensité de champ un milliard de fois plus faible que celle du champ magnétique terrestre.

Un principe physique simple

Le principe du fonctionnement est simple. On enferme un gaz d'atomes de rubidium dans une petite boîte transparente et l'on fait passer à travers un faisceau laser polarisé circulairement. Tant que le gaz n'est pas soumis à un champ magnétique, le faisceau laser ne subit pas d'absorption significative mais son intensité baisse aussitôt à la sortie du dispositif lorsque l'on  plonge celui-ci dans le faible champ magnétique généré par un corps quelconque.

Pour en faire un véritable dispositif portable, il reste encore à miniaturiser le laser et le détecteur d'intensité lumineuse nécessaires, mais cela devrait pouvoir se faire. Les chercheurs pensent même que le tout pourra fonctionner avec de simples batterie et qu'il pourra équiper des aéroports afin de détecter d'éventuelles bombes.

Les chercheurs ont déjà réussi à mesurer le champ magnétique lié aux battements de coeur d'une souris et ils pensent même pouvoir détecter celui du cœur de bébés pas encore nés. Dans l'avenir, ils prévoient de descendre à une sensibilité de 10 femtoteslas et de cartographier l'activité du cerveau.

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