Overvågning af elektromagnetiske signaler i hjernen med MR

Forskere studerer almindeligvis hjernens funktion ved at overvåge to typer elektromagnetisme - elektriske felter og lys. Imidlertid, de fleste metoder til måling af disse fænomener i hjernen er meget invasive.

MIT -ingeniører har nu udtænkt en ny teknik til at detektere enten elektrisk aktivitet eller optiske signaler i hjernen ved hjælp af en minimalt invasiv sensor til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI).

MR bruges ofte til at måle ændringer i blodgennemstrømning, der indirekte repræsenterer hjerneaktivitet, men MIT -teamet har udviklet en ny type MR -sensor, der kan registrere små elektriske strømme, samt lys produceret af selvlysende proteiner. (Elektriske impulser opstår fra hjernens interne kommunikation, og optiske signaler kan produceres af en række forskellige molekyler udviklet af kemikere og bioingeniører.)

"MR tilbyder en måde at fornemme ting udefra på kroppen på en minimalt invasiv måde, "siger Aviad Hai, en MIT postdoc og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Det kræver ikke en kabelforbundet forbindelse til hjernen. Vi kan implantere sensoren og bare lade den være der."

Denne form for sensor kunne give neurovidenskabsmænd en rumligt nøjagtig måde at lokalisere elektrisk aktivitet i hjernen. Det kan også bruges til at måle lys, og kunne tilpasses til måling af kemikalier såsom glucose, siger forskerne.

Alan Jasanoff, en MIT -professor i biologisk teknik, hjerne og kognitive videnskaber, og atomvidenskab og teknik, og et associeret medlem af MIT's McGovern Institute for Brain Research, er seniorforfatter af papiret, som fremgår af 22. oktober -udgaven af Natur Biomedicinsk teknik . Postdocs Virginia Spanoudaki og Benjamin Bartelle er også forfattere til avisen.

Registrering af elektriske felter

Jasanoffs laboratorium har tidligere udviklet MR -sensorer, der kan detektere calcium og neurotransmittere såsom serotonin og dopamin. I denne avis, de ønskede at udvide deres tilgang til at opdage biofysiske fænomener som elektricitet og lys. I øjeblikket, den mest nøjagtige måde at overvåge elektrisk aktivitet i hjernen er ved at indsætte en elektrode, som er meget invasiv og kan forårsage vævsskade. Elektroencefalografi (EEG) er en ikke -invasiv måde at måle elektrisk aktivitet i hjernen, men denne metode kan ikke præcisere aktivitetens oprindelse.

For at oprette en sensor, der kan registrere elektromagnetiske felter med rumlig præcision, forskerne indså, at de kunne bruge en elektronisk enhed - specifikt en lille radioantenne.

MRI fungerer ved at detektere radiobølger udsendt af kernerne af hydrogenatomer i vand. Disse signaler registreres normalt af en stor radioantenne i en MR -scanner. Til denne undersøgelse, MIT -teamet skrumpede radioantennen ned til blot et par millimeter i størrelse, så den kunne implanteres direkte i hjernen for at modtage radiobølger genereret af vand i hjernevævet.

Sensoren er indledningsvis indstillet til den samme frekvens som radiobølgerne udsendt af brintatomerne. Når sensoren opfanger et elektromagnetisk signal fra vævet, dens tuning ændres, og sensoren matcher ikke længere brintatomernes frekvens. Når dette sker, et svagere billede opstår, når sensoren scannes af en ekstern MR -maskine.

Forskerne demonstrerede, at sensorerne kan opfange elektriske signaler, der ligner dem, der produceres af aktionspotentialer (de elektriske impulser, der affyres af enkelte neuroner), eller lokale feltpotentialer (summen af ​​elektriske strømme produceret af en gruppe neuroner).

"Vi viste, at disse enheder er følsomme over for potentialer i biologisk skala, i størrelsesordenen millivolt, som kan sammenlignes med, hvad biologisk væv genererer, især i hjernen, "Siger Jasanoff.

Forskerne udførte yderligere test på rotter for at undersøge, om sensorerne kunne opfange signaler i levende hjernevæv. Til disse forsøg, de designede sensorerne til at detektere lys udsendt af celler konstrueret til at udtrykke protein luciferase.

Normalt, luciferases nøjagtige placering kan ikke bestemmes, når den er dybt inde i hjernen eller andre væv, så den nye sensor tilbyder en måde at udvide nytten af ​​luciferase og mere præcist identificere de celler, der udsender lys, siger forskerne. Luciferase konstrueres almindeligvis til celler sammen med et andet gen af ​​interesse, giver forskere mulighed for at afgøre, om generne med succes er blevet inkorporeret ved at måle det producerede lys.

Mindre sensorer

En stor fordel ved denne sensor er, at den ikke behøver at have nogen form for strømforsyning, fordi radiosignalerne, som den eksterne MR -scanner udsender, er nok til at drive sensoren.

Hej, der tiltræder fakultetet ved University of Wisconsin i Madison i januar, planlægger at minimere sensorerne yderligere, så flere af dem kan injiceres, muliggør billeddannelse af lys eller elektriske felter over et større hjerneområde. I denne avis, forskerne udførte modellering, der viste, at en sensor på 250 mikron (et par tiendedele af en millimeter) skulle kunne registrere elektrisk aktivitet i størrelsesordenen 100 millivolt, ligner mængden af ​​strøm i et neuralt aktionspotentiale.

Jasanoffs laboratorium er interesseret i at bruge denne type sensorer til at detektere neurale signaler i hjernen, og de forestiller sig, at det også kunne bruges til at overvåge elektromagnetiske fænomener andre steder i kroppen, herunder muskelsammentrækninger eller hjerteaktivitet.

"Hvis sensorerne var i størrelsesordenen hundredvis af mikrometer, hvilket er, hvad modellen foreslår, er i fremtiden for denne teknologi, så kunne du forestille dig at tage en sprøjte og distribuere en hel flok af dem og bare lade dem være der, "Jasanoff siger." Hvad dette ville gøre, er at give mange lokale aflæsninger ved at have sensorer fordelt over vævet. "