脑磁图（Magnetoencephalography，MEG)是一种重要的神经科学工具，目前主要有基于超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Devices，SQUIDs）的传统脑磁图和基于光泵原子磁力计（Optically Pumped Magnetometers, OPMs）的新型脑磁图。
OPMs在物理原理上与SQUIDs有很大的不同。主要的区别在于，OPMs不需要低温冷却，并且可以放置在距离受试者头皮仅毫米的地方。相比传统SQUID-MEG，OPM-MEG对于皮层源的敏感性提高了三到五倍（并且在不同头形和大小之间保持一致）[1]。此外，OPM-MEG系统的可穿戴性和抗运动性[2]，这意味着可以使用OPMs提出和回答涉及受试者运动的新颖神经科学问题。特别是对于传统上不太服从的患者，会有额外的临床好处[3]。例如，基于儿童癫痫的尖波定位和精确定位术前计划，因为儿童在早期癫痫手术中受益最大，越早进行手术，他们恢复正常发育轨迹的前景就越好[4]；另外对于老年人，OPM-MEG能够扫描难以遵守传统静态系统限制的中风或运动障碍患者。
OPMs所需的许多理论与核磁共振（ Nuclear Magnetic Resonance, NMR）和磁共振成像（ Magnetic Resonance Imaging, MRI）是相通。MRI和OPMs都依赖于操控一种称为自旋的量子性质（这种性质是粒子磁矩的基础，因此影响其对磁场的响应）。首次描述核自旋和电子自旋的研究可追溯到20世纪20年代和30年代 [5,6]，而这一性质构成了NMR、MRI和OPMs的基础。尽管OPMs和MRI都基于自旋的操控，但它们在自旋系统操控方式上存在差异。在NMR和MRI中，通常使用大的磁场来影响核自旋系统，而在OPMs中，光泵浦用于操控原子（即核自旋和电子自旋)。
光泵浦是指使用光源，如激光或放电灯 [7]，来引起样品（通常是由碱金属之一的蒸汽形成的，因为它们具有简单的原子结构、低熔点和易于使用现成的激光泵浦）吸收或发射能量的现象，而且这一过程发生在精确定义的频率下，改变了样品的量子状态。由于这些吸收和发射的频率（周期的倒数）非常精确已知，所以碱金属的光泵浦可以用来帮助定义国际单位制中的时间单位 [8]。这种方法催生了原子钟的发展。有兴趣的读者可以查阅关于碱金属蒸汽中原子跃迁（OPMs的基本组成部分）在时间定义中所起的作用的综述[9]。
在20世纪50年代末和60年代初，人们发现光泵浦可以用于在原子系统中诱导出对磁场敏感的状态，因此可以测量弱磁场[7]。到了20世纪70年代初，通过应用调制场以提高信噪比并在磁屏蔽环境中操作传感器，OPMs的灵敏度已经达到了30飞特/√Hz的范围 [10]。不久之后，人们发现通过增加碱金属蒸汽的密度，传感器可以保持高度的磁敏感性，这允许蒸汽容器和传感器本身的小型化。
三十年后OPMs敏感性已经提高到与SQUID系统相当的水平，这得益于零磁场条件下灵敏度的提高，以及在高密度蒸汽条件下所提供的额外灵敏度。后者通常被称为自旋交换弛豫自由（SERF）状态，从概念上讲，这种状态通过增加碰撞粒子的速率（通过加热蒸汽）来最小化碰撞粒子对蒸汽的磁敏感状态的影响。灵敏度的改进以及微纳制造的进步，使得开发应用于神经科学的OPM成为可能。同时，随着传感器技术的进步，大量研究人员也研究了诸如信噪比改善、空间分辨率和准确源重建所需的要求等问题。
OPM包含三个关键组件：光源（激光或放电灯）、高压蒸汽和检测系统。光源可以是激光，检测系统可以是光电二极管。激光发射电磁波，通过将偏振光传递给蒸汽，从而在蒸汽中建立了一种对磁场敏感的状态。这个过程被称为光泵浦。重要的是，一旦建立了这个光泵浦状态，光源就不再将偏振光传递给蒸汽。相反，偏振光穿过蒸汽，并在光电二极管处检测为电压变化。然而，这个光泵浦状态会受到周围磁场的影响，只有在激光再次将偏振光传递给蒸汽时才能重新建立。因此，光电二极管的输出，以电压形式测量，会随着磁场的变化而变化。
复杂情况下，可能会使用两台激光器，一台用于诱导对磁场敏感的状态（通常称为泵浦光束），另一台用于测量磁场变化（通常称为探测光束）。泵浦光束可以是圆偏振的，但这取决于被激发的原子[11] 。重要的是，激光的频率和极性都被选择为在高压蒸汽中引起泵浦效应。探测光束通常是线偏振的，但其频率被精心选择，以不引起泵浦效应。磁场存在时，探测光束的偏振会以与蒸汽状态成比例的方式旋转（通过法拉第旋转），因为蒸汽的状态是磁场的函数。这种探测光束偏振的变化可以通过极化计进行测量。无论是使用一台还是两台激光器，都会导致与蒸汽的磁敏感状态成比例的信号。
参考文献
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