Diamant kvantesensorer måler neuronaktivitet

En nylig undersøgelse foretaget af europæiske videnskabsmænd viser, at meget følsomme sensorer baseret på farvecentre i en diamant kan bruges til at registrere elektrisk aktivitet fra neuroner i levende hjernevæv. Værket er publiceret i tidsskriftet Scientific Reports .

Før folk støder på symptomer på hjernesygdomme som demens, er der normalt allerede sket små forandringer i hjernevævet. Det kan være, at dele af hjernen hæver op, eller at der dannes klumper af proteiner. Disse små ændringer kan påvirke, hvordan nerveceller i hjernen signalerer hinanden og kommunikerer, hvordan information behandles og huskes.

Medicinske forskere ønsker at studere disse mindre ændringer, der opstår i de meget tidlige stadier af en sygdom. På den måde er hensigten at lære mere om årsagerne til sygdommen for at give ny indsigt og mere effektive behandlinger. I dag udføres mikroskopiske undersøgelser af hjernen med en af ​​to strategier:Optisk inspektion af hjernevævsprøver fra dyr eller afdøde patienter, der lider af den undersøgte sygdom eller målinger af signalerne fra nervecellerne ved hjælp af ledninger, farvestoffer eller lys.

Disse metoder har dog nogle begrænsninger:De kan beskadige vævet eller ændre signalerne. De kan også virke forskelligt afhængigt af hvilket væv du studerer; signaler fra nogle dele af nervecellerne involveret i en bestemt sygdom kan være svære at måle.

Måling af feltet, ikke prøven

Forskere fra DTU, Københavns Universitet, Københavns Universitetshospital, Université Sorbonne og Leipzig Universitet har fundet en måde at måle signalerne fra hjernevæv uden at røre eller stikke nålesonder i det. Det gør de ved at måle svage magnetiske felter produceret af nervecellerne, når de kommunikerer. Derved gjorde de brug af, at magnetfeltet rejser uændret gennem vævet.

"Overordnet er tanken, at sansning af magnetfeltet i sidste ende er ikke-invasiv. Du behøver ikke at indsætte elektroder eller sonder eller farve det væv, du vil analysere. Fordi man opfanger det inducerede magnetfelt, får man information om aktiviteten uden at indsætte en fysisk sensor i systemet eller på anden måde modificere det," siger Alexander Huck, lektor ved DTU Fysik, som var supervisor på projektet og er medforfatter på undersøgelsen.

Det er ikke noget grundlæggende nyt at måle magnetiske felter induceret i den menneskelige krop, men det kræver normalt specialudstyr, der er omfangsrigt og har brug for kryogen afkøling. Som sådan er traditionelle metoder ikke egnede til at måle små, levende vævsprøver, endsige væv fra den menneskelige hjerne.

I dette projekt drager holdet af videnskabsmænd fordel af små, bevidste fejl i syntetiske diamantkrystaller. Disse fejl kaldes farvecentre eller teknisk set nitrogenfritidscentre/NV-centre. Udtrykket NV-centre stammer fra det faktum, at i diamanten er ét kulstofatom erstattet med et nitrogenatom og sidder ved siden af ​​en ledig plads, dvs. hvor der ikke er noget atom til stede. Dette får centrene til at tillade lysabsorption og - ved frigivelse af energi - lysemission.

"Disse NV-farvecentre har også en effektiv uparret elektron med et spin, og hvis der er et magnetfelt, svinger elektronens spin rundt i det felt. Så hvis magnetfeltet stiger eller falder, vil det oscillere en smule hurtigere eller en smule langsommere, og vi kan måle disse ændringer via lysemissionen fra NV-farvecentrene," forklarer Huck.

Stadig på et tidligt tidspunkt

Forsøgsopstillingen er som følger:I et kammer i centimeterskala lægges en skive hjernevæv på isolerende lag af aluminiumsfolie. Diamanten er sat i et hul i bunden af ​​kammeret, under de isolerende lag. En grøn laser og en mikrobølgeantenne rettes derefter mod diamantens farvecenter, og lysemissionen fra diamanten registreres. Når forskerne stimulerer neuronerne i vævet til at skyde samtidigt, kan de måle ændringer i lysstyrken af ​​lysemission fra farvecentrene.

Det er afgørende, at laserlyset og mikrobølgerne aldrig når hjernevævet - ikke en egentlig menneskelig hjerne i dette tilfælde, men væv fra hjernen på en mus - ændringerne i magnetfeltet spores simpelthen ved hjælp af NV-farvecentrene.

"Når neuronerne i hjernevævsprøven affyres, vil det inducere et magnetfelt, som derefter ændrer lysemissionen og lysstyrken af ​​diamanten, som vi optager som et optisk signal," siger Huck.

I deres eksperimenter kan forskerne skelne signaler fra forskellige typer nerveceller. De kontrollerede deres målinger ved hjælp af en gennemprøvet teknik, der rørte ved vævet og målte elektriciteten direkte. De viser også, hvordan de kunstigt kan ændre neuronaktiviteten i vævet ved at bruge et lægemiddel, der blokerer specifikke kanaler i nervecellerne.

"Til sidst er tanken, at når du har en patient, hvor du har mistanke om en form for neurodegenerativ sygdom, kan du bruge metoder, der er afledt af vores eksperimenter, til at diagnosticere den præcise tilstand," slutter Huck. Han understreger dog, at der stadig skal arbejdes meget for, at det er tilfældet:

"Hvis vi sammenligner vores teknik med andre metoder, der bruges i dag, og som har eksisteret i årtier, er de stadig bedre, end vi kan gøre nu. Vi er på et tidligt tidspunkt, og der skal arbejdes meget mere, før denne teknik kan blive overført og anvendt i et klinisk miljø Forskning i NV-centre og udforskning af deres mest egnede anvendelsesområder er stadig på et tidligt stadie – dette er et begyndende felt."

Flere oplysninger: Nikolaj Winther Hansen et al., Mikroskopisk skala magnetisk optagelse af hjerneneuronal elektrisk aktivitet ved hjælp af en diamant kvantesensor, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter

Leveret af DTU (Danmarks Tekniske Universitet)