Forskere sporer neural aktivitet ved hjælp af kvantesensorer

Det er et af de reneste og mest alsidige materialer i verden, med anvendelser i alt fra smykker til industrielle slibemidler til kvantevidenskab. Men en gruppe Harvard -forskere har afsløret en ny anvendelse til diamanter:sporing af neurale signaler i hjernen.

Ved hjælp af atomskala kvantefejl i diamanter kendt som nitrogen-vacancy (NV) centre til at detektere det magnetiske felt, der genereres af neurale signaler, forskere, der arbejder i laboratoriet af Ronald Walsworth, et fakultetsmedlem i Harvards Center for Brain Science and Physics Department, demonstreret en ikke -invasiv teknik, der kan forestille neurons aktivitet.

Arbejdet blev beskrevet i en nylig artikel i Procedurer fra National Academy of Sciences , og blev udført i samarbejde med Harvard fakultetsmedlemmer Mikhail (Misha) Lukin og Hongkun Park.

"Ideen om at bruge NV -centre til at registrere neuronmagnetfelter begyndte med det første arbejde fra Ron Walsworth og Misha Lukin for omkring 10 år siden, men i lang tid fik vores back-of-the-envelope-beregninger det til at se ud som om felterne ville være for små til at opdage, og teknologien var der ikke endnu, "sagde Jennifer Schloss, en ph.d. studerende og medforfatter af undersøgelsen.

"Dette papir er virkelig det første trin for at vise, at måling af magnetfelter fra individuelle neuroner kan udføres på en skalerbar måde, "sagde ph.d.-studerende og medforfatter Matthew Turner." Vi ville være i stand til at modellere signalegenskaberne, og sig, baseret på teori, 'Det er det, vi forventer at se.' Vores eksperimentelle resultater var i overensstemmelse med disse forventninger. Denne forudsigelsesevne er vigtig for at forstå mere komplicerede neuronale netværk. "

Kernen i systemet udviklet af Schloss og Turner, sammen med postdoktor John Barry, er en lille-bare 4-til-4 millimeter kvadrat og en halv millimeter tyk-skive af diamant imprægneret med billioner af NV-centre.

Systemet fungerer, Schloss og Turner forklarede, fordi de magnetfelter, der genereres af signaler, der rejser i et neuron, interagerer med elektronerne i NV -centrene, subtilt ændrer deres kvante "spin" -tilstand. Diamantskiven bades i mikrobølger, som satte NV -elektronerne i en blanding af to spin -tilstande. Et neuron magnetfelt forårsager derefter en ændring i brøkdelen af ​​spins i en af ​​de to tilstande. Ved hjælp af en laser, der er begrænset til diamanten, forskerne kan opdage denne brøkdel, aflæse det neurale signal som et optisk billede, uden lys ind i den biologiske prøve.

Udover at demonstrere, at systemet fungerer for dissekerede neuroner, Schloss, Turner, og Barry viste, at NV -sensorer kunne bruges til at registrere neural aktivitet i live, intakte marine orme.

"Vi indså, at vi bare kunne sætte hele dyret på sensoren og stadig registrere signalet, så det er fuldstændig ikke -invasivt, "Turner sagde." Det er en af ​​grundene til at bruge magnetfelter giver en fordel i forhold til andre metoder. Hvis du måler spændings- eller lysbaserede signaler på traditionelle måder, biologisk væv kan forvrænge disse signaler. Med magnetfelter, selvom signalet bliver mindre med stand-off-afstand, oplysningerne bevares. "

Schloss, Turner, og Barry kunne også vise, at de neurale signaler rejste langsommere fra ormens hale til hovedet end fra hoved til hale, og deres magnetfeltmålinger matchede forudsigelser om denne forskel i ledningshastighed.

Selvom undersøgelsen viser, at NV -centre kan bruges til at detektere neurale signaler, Turner sagde, at de første eksperimenter var designet til at tackle den mest tilgængelige tilgang til problemet, ved hjælp af robuste neuroner, der producerer særligt store magnetfelter. Teamet arbejder allerede på at forfine systemet yderligere, med henblik på at forbedre sin følsomhed og forfølge applikationer til grænseproblemer inden for neurovidenskab. At registrere signaler fra mindre pattedyrneuroner, Schloss forklarede, de agter at implementere et pulseret magnetometri -skema for at realisere op til 300 gange bedre følsomhed pr. volumen. Det næste trin, sagde Turner, implementerer et billeddannelsessystem i høj opløsning i håb om at producere realtid, optiske billeder af neuroner, når de affyrer.

"Vi ser på billeddannelsesnetværk af neuroner over lang varighed, op til dage, "sagde Schloss." Vi håber at kunne bruge dette til at forstå ikke kun den fysiske forbindelse mellem neuroner, men den funktionelle forbindelse - hvordan signalerne rent faktisk formerer sig for at informere om, hvordan neurale kredsløb fungerer på lang sigt. "

"Intet værktøj, der findes i dag, kan fortælle os alt, hvad vi vil vide om neuronal aktivitet eller blive anvendt på alle systemer af interesse, "Turner sagde." Denne kvantediamantteknologi lægger en ny retning til at løse nogle af disse udfordringer. Billeddannelse af neuronmagnetfelter er et stort set uudforsket område på grund af tidligere teknologiske begrænsninger. "

Håbet, Schloss sagde, er, at værktøjet måske en dag finder et hjem i biomedicinske forskeres laboratorier eller enhver, der er interesseret i at forstå hjerneaktivitet.

"Vi vil forstå hjernen fra single-neuron-niveauet helt op, så vi forestiller os, at dette kan blive et værktøj, der er nyttigt både i biofysiklaboratorier og i medicinske undersøgelser, "sagde hun." Det er ikke -invasivt og hurtigt, og den optiske aflæsning kunne muliggøre en række forskellige applikationer, fra at studere neurodegenerative sygdomme til at overvåge levering af lægemidler i realtid. "

Walsworth krediterer ledelsen af ​​Josh Sanes, Paul J. Finnegan familiedirektør for centret, og Kenneth Blum, administrerende direktør, for at muliggøre denne biologiske anvendelse af kvantediamantteknologi. "Center for Brain Science lederskab gav det vigtige laboratorierum og en imødekommende, tværfagligt samfund, "sagde han." Dette særlige miljø gør det muligt for fysiske forskere og ingeniører at oversætte kvanteteknologi til neurovidenskab. "

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.