Magnetoencephalography (MEG) is a powerful technique for functional neuroimaging, offering a non-invasive window on brain electrophysiology. MEG systems have traditionally been based on cryogenic sensors which detect the small extracranial magnetic fields generated by synchronised current in neuronal assemblies, however, such systems have fundamental limitations. In recent years, non-cryogenic quantum-enabled sensors, called optically-pumped magnetometers (OPMs), in combination with novel techniques for accurate background magnetic field control, have promised to lift those restrictions offering an adaptable, motion-robust MEG system, with improved data quality, at reduced cost. However, OPM-MEG remains a nascent technology, and whilst viable systems exist, most employ small numbers of sensors sited above targeted brain regions. Here, building on previous work, we construct a wearable OPM-MEG system with 'whole-head' coverage based upon commercially available OPMs, and test its capabilities to measure alpha, beta and gamma oscillations. We design two methods for OPM mounting; a flexible (EEG-like) cap and rigid (additively-manufactured) helmet. Whilst both designs allow for high quality data to be collected, we argue that the rigid helmet offers a more robust option with significant advantages for reconstruction of field data into 3D images of changes in neuronal current. Using repeat measurements in two participants, we show signal detection for our device to be highly robust. Moreover, via application of source-space modelling, we show that, despite having 5 times fewer sensors, our system exhibits comparable performance to an established cryogenic MEG device. While significant challenges still remain, these developments provide further evidence that OPM-MEG is likely to facilitate a step change for functional neuroimaging.

Small, commercially-available Optically Pumped Magnetometers (OPMs) can be used to construct a wearable Magnetoencephalography (MEG) system that allows large head movements to be made during recording. The small dynamic range of these sensors however means that movement in the residual static magnetic field found inside typical Magnetically Shielded Rooms (MSRs) can saturate the sensor outputs, rendering the data unusable. This problem can be ameliorated by using a set of electromagnetic coils to attenuate the spatially-varying remnant field. Here, an array of bi-planar coils, which produce an open and accessible scanning environment, was designed and constructed. The coils were designed using a harmonic minimisation method previously used for gradient coil design in Magnetic Resonance Imaging (MRI). Six coils were constructed to null B

Abstract Background Optically pumped magnetometers (OPMs) have made moving, wearable magnetoencephalography (MEG) possible. The OPMs typically used for MEG require a low background magnetic field to operate, which is achieved using both passive and active magnetic shielding. However, the background magnetic field is never truly zero Tesla, and so the field at each of the OPMs changes as the participant moves. This leads to position and orientation dependent changes in the measurements, which manifest as low frequency artefacts in MEG data. Objective We modelled the spatial variation in the magnetic field and used the model to predict the movement artefact found in a dataset. Methods We demonstrate a method for modelling this field with a triaxial magnetometer, then showed that we can use the same technique to predict the movement artefact in a real OPM-based MEG (OP-MEG) dataset. Results Using an 86-channel OP-MEG system, we found that this modelling method maximally reduced the power spectral density of the data by 26.2 ± 0.6 dB at 0 Hz, when applied over 5 s non-overlapping windows. Conclusion The magnetic field inside our state-of-the art magnetically shielded room can be well described by low-order spherical harmonic functions. We achieved a large reduction in movement noise when we applied this model to OP-MEG data. Significance Real-time implementation of this method could reduce passive shielding requirements for OP-MEG recording and allow the measurement of low-frequency brain activity during natural participant movement.

Abstract The evolution of human cognitive function is reliant on complex social interactions which form the behavioural foundation of who we are. These social capacities are subject to dramatic change in disease and injury; yet their supporting neural substrates remain poorly understood. Hyperscanning employs functional neuroimaging to simultaneously assess brain activity in two individuals and offers the best means to understand the neural basis of social interaction. However, present technologies are limited, either by poor performance (low spatial/temporal precision) or unnatural scanning environment (claustrophobic scanners, with interactions via video). Here, we solve this problem by developing a new form of hyperscanning using wearable magnetoencephalography (MEG). This approach exploits quantum sensors for MEG signal detection, in combination with high-fidelity magnetic field control – afforded by a novel “matrix coil” system – to enable simultaneous scanning of two freely moving participants. We demonstrate our approach in a somatosensory task and an interactive ball game. Despite large and unpredictable subject motion, sensorimotor brain activity was delineated clearly in space and time, and correlation of the envelope of neuronal oscillations between people was demonstrated. In sum, unlike existing modalities, wearable-MEG combines high fidelity data acquisition and a naturalistic setting, which will facilitate a new generation of hyperscanning.

ABSTRACT Magnetoencephalography with optically pumped magnetometers (OPM-MEG) offers a new way to record electrophysiological brain function, with significant advantages over conventional MEG including adaptability to head shape/size, free movement during scanning, better spatial resolution, increased signal, and no reliance on cryogenics. However, OPM-MEG remains in its infancy, with significant questions to be answered regarding optimal system design and robustness. Here, we present an open-source dataset acquired using a newly constructed OPM-MEG system with a triaxial sensor design averaging 168 channels. Using OPM-optimised magnetic shielding and active background-field control, we measure the test-retest reliability of the human connectome. We employ amplitude envelope correlation to measure whole-brain functional connectivity in 10 individuals whilst they watch a 600 s move clip. Our results show high repeatability between experimental runs at the group level, with a correlation coefficient of 0.81 in the theta, 0.93 in alpha and 0.94 in beta frequency ranges. At the individual subject level, we found marked differences between individuals, but high within-subject robustness (correlations of 0.56 ± 0.25, 0.72 ± 0.15 and 0.78 ± 0.13 in theta, alpha and beta respectively). These results compare well to previously reported findings using conventional MEG; they show that OPM-MEG is a viable way to characterise whole brain connectivity and add significant weight to a growing argument that OPMs can overtake cryogenic sensors as the fundamental building block of MEG systems.

Neural oscillations mediate the coordination of activity within and between brain networks, supporting cognition and behaviour. How these processes develop throughout childhood is not only an important neuroscientific question but could also shed light on the mechanisms underlying neurological and psychiatric disorders. However, measuring the neurodevelopmental trajectory of oscillations has been hampered by confounds from instrumentation. In this paper, we investigate the suitability of a disruptive new imaging platform – optically pumped magnetometer-based magnetoencephalography (OPM-MEG) – to study oscillations during brain development. We show how a unique 192-channel OPM-MEG device, which is adaptable to head size and robust to participant movement, can be used to collect high-fidelity electrophysiological data in individuals aged between 2 and 34 years. Data were collected during a somatosensory task, and we measured both stimulus-induced modulation of beta oscillations in sensory cortex, and whole-brain connectivity, showing that both modulate significantly with age. Moreover, we show that pan-spectral bursts of electrophysiological activity drive task-induced beta modulation, and that their probability of occurrence and spectral content change with age. Our results offer new insights into the developmental trajectory of beta oscillations and provide clear evidence that OPM-MEG is an ideal platform for studying electrophysiology in neurodevelopment.

ABSTRACT Magnetoencephalography (MEG) measures brain function via assessment of magnetic fields generated by neural currents. Conventional MEG uses superconducting sensors, which place significant limitations on performance, practicality, and deployment; however, the field has been revolutionised in recent years by the introduction of optically-pumped-magnetometers (OPMs). OPMs enable measurement of the MEG signal without cryogenics, and consequently the conception of ‘OPM-MEG’ systems which ostensibly allow increased sensitivity and resolution, lifespan compliance, free subject movement, and lower cost. However, OPM-MEG remains in its infancy with limitations on both sensor and system design. Here, we report a new OPM-MEG design with miniaturised and integrated electronic control, a high level of portability, and improved sensor dynamic range (arguably the biggest limitation of existing instrumentation). We show that this system produces equivalent measures when compared to an established instrument; specifically, when measuring task-induced beta-band, gamma-band and evoked neuro-electrical responses, source localisations from the two systems were highly comparable and temporal correlation was >0.7 at the individual level and >0.9 for groups. Using an electromagnetic phantom, we demonstrate improved dynamic range by running the system in background fields up to 8 nT. We show that the system is effective in gathering data during free movement (including a sitting-to-standing paradigm) and that it is compatible with simultaneous electroencephalography (EEG – the clinical standard). Finally, we demonstrate portability by moving the system between two laboratories. Overall, our new system is shown to be a significant step forward for OPM-MEG technology and offers an attractive platform for next generation functional medical imaging.

Abstract Optically-pumped magnetometers (OPMs) offer the potential for a step change in magnetoencephalography (MEG) enabling wearable systems that: provide improved data quality; accommodate any subject group; allow data capture during movement and offer a reduction in costs. However, OPM-MEG is still a nascent technology and, to realise its potential, it must be shown to facilitate key neuroscientific measurements, such as the characterisation of human brain networks. Networks, and the connectivities that underlie them, have become a core area of neuroscientific investigation, and their importance is underscored by many demonstrations of their perturbation in brain disorders. Consequently, a demonstration of network measurements via OPM-MEG would be a significant step forward. Here, we aimed to show that a wearable 50-channel OPM-MEG system enables characterisation of the electrophysiological connectome. To this end, we characterise connectivity in the resting state and during a simple visuo-motor task, using both OPM-MEG and a state-of-the-art 275-channel cryogenic MEG device. Our results show that connectome matrices from OPM and cryogenic systems exhibit an extremely high degree of similarity, with correlation values >70 %. This value is not measurably different to the correlation observed between connectomes measured in different subject groups, on a single scanner. In addition, similar differences in connectivity between individuals (scanned multiple times) were observed in cryogenic and OPM-MEG data, again demonstrating the fidelity of OPM-MEG data. This demonstration shows that a nascent OPM-MEG system offers results similar to a cryogenic device, even despite having ∼5 times fewer sensors. This adds weight to the argument that OPMs will ultimately supersede cryogenic sensors for MEG measurement.

Neural oscillations mediate the coordination of activity within and between brain networks, supporting cognition and behaviour. How these processes develop throughout childhood is not only an important neuroscientific question but could also shed light on the mechanisms underlying neurological and psychiatric disorders. However, measuring the neurodevelopmental trajectory of oscillations has been hampered by confounds from instrumentation. In this paper, we investigate the suitability of a disruptive new imaging platform - Optically Pumped Magnetometer-based magnetoencephalography (OPM-MEG) - to study oscillations during brain development. We show how a unique 192-channel OPM-MEG device, which is adaptable to head size and robust to participant movement, can be used to collect high-fidelity electrophysiological data in individuals aged between 2 and 34 years. Data were collected during a somatosensory task, and we measured both stimulus-induced modulation of beta oscillations in sensory cortex, and whole-brain connectivity, showing that both modulate significantly with age. Moreover, we show that pan-spectral bursts of electrophysiological activity drive task-induced beta modulation, and that their probability of occurrence and spectral content change with age. Our results offer new insights into the developmental trajectory of beta oscillations and provide clear evidence that OPM-MEG is an ideal platform for studying electrophysiology in neurodevelopment.

Disruption of the balance between excitatory and inhibitory neurotransmission (E-I balance) underlies theories of many neurodevelopmental disorders, however, its study is typically restricted to adults, animal models and the lab-bench. Neurophysiological oscillations in the gamma frequency band relate closely to E-I balance, and a new technology - OPM-MEG - offers the possibility to measure such signals across the lifespan. We used OPM-MEG to measure gamma oscillations induced by visual stimulation in >100 participants, aged 2-34 years. We demonstrate a significantly changing spectrum with age, with low amplitude broadband gamma oscillations in children and high amplitude band limited oscillations dominating in adults. We used a canonical cortical microcircuit to model these gamma signals, revealing significant age-related shifts in E-I balance in superficial pyramidal neurons in visual cortex. Our findings detail the first MEG metrics of gamma oscillations and their underlying generators from toddlerhood, providing a benchmark against which future studies can contextualise.