Forskare studerar vanligtvis hjärnans funktion genom att övervaka två typer av elektromagnetism - elektriska fält och ljus. Dock, de flesta metoder för att mäta dessa fenomen i hjärnan är mycket invasiva.

MIT-ingenjörer har nu tagit fram en ny teknik för att detektera antingen elektrisk aktivitet eller optiska signaler i hjärnan med hjälp av en minimalt invasiv sensor för magnetisk resonanstomografi (MRT).

MRT används ofta för att mäta förändringar i blodflödet som indirekt representerar hjärnaktivitet, men MIT-teamet har tagit fram en ny typ av MRI-sensor som kan upptäcka små elektriska strömmar, samt ljus som produceras av självlysande proteiner. (Elektriska impulser uppstår från hjärnans interna kommunikationer, och optiska signaler kan produceras av en mängd olika molekyler utvecklade av kemister och bioingenjörer.)

"MRT erbjuder ett sätt att känna av saker från utsidan av kroppen på ett minimalt invasivt sätt, " säger Aviad Hai, en MIT postdoc och huvudförfattaren till studien. "Det kräver ingen trådbunden anslutning till hjärnan. Vi kan implantera sensorn och bara lämna den där."

Den här typen av sensorer kan ge neuroforskare ett rumsligt exakt sätt att lokalisera elektrisk aktivitet i hjärnan. Den kan också användas för att mäta ljus, och kan anpassas för att mäta kemikalier som glukos, säger forskarna.

Alan Jasanoff, en MIT-professor i biologisk teknik, hjärn- och kognitionsvetenskap, och kärnkraftsvetenskap och teknik, och en associerad medlem av MIT:s McGovern Institute for Brain Research, är ledande författare av tidningen, som visas i numret 22 oktober av Nature Biomedicinsk teknik . Postdoktorerna Virginia Spanoudaki och Benjamin Bartelle är också författare till uppsatsen.

Detekterar elektriska fält

Jasanoffs labb har tidigare utvecklat MRI-sensorer som kan detektera kalcium och signalsubstanser som serotonin och dopamin. I det här pappret, de ville utöka sin metod för att upptäcka biofysiska fenomen som elektricitet och ljus. För närvarande, det mest exakta sättet att övervaka elektrisk aktivitet i hjärnan är genom att sätta in en elektrod, som är mycket invasiv och kan orsaka vävnadsskador. Elektroencefalografi (EEG) är ett icke-invasivt sätt att mäta elektrisk aktivitet i hjärnan, men denna metod kan inte fastställa ursprunget till aktiviteten.

För att skapa en sensor som kan detektera elektromagnetiska fält med rumslig precision, forskarna insåg att de kunde använda en elektronisk enhet – specifikt, en liten radioantenn.

MRT fungerar genom att detektera radiovågor som sänds ut av kärnorna av väteatomer i vatten. Dessa signaler detekteras vanligtvis av en stor radioantenn i en MRI-skanner. För denna studie, MIT-teamet krympte ner radioantennen till bara några millimeter i storlek så att den kunde implanteras direkt i hjärnan för att ta emot radiovågorna som genereras av vatten i hjärnvävnaden.

Sensorn är initialt inställd på samma frekvens som radiovågorna som sänds ut av väteatomerna. När sensorn fångar upp en elektromagnetisk signal från vävnaden, dess inställning ändras och sensorn matchar inte längre frekvensen av väteatomerna. När detta händer, en svagare bild uppstår när sensorn skannas av en extern MR-maskin.

Forskarna visade att sensorerna kan fånga upp elektriska signaler som liknar de som produceras av aktionspotentialer (de elektriska impulser som avfyras av enstaka neuroner), eller lokala fältpotentialer (summan av elektriska strömmar som produceras av en grupp neuroner).

"Vi visade att dessa enheter är känsliga för potentialer i biologisk skala, i storleksordningen millivolt, som är jämförbara med vad biologisk vävnad genererar, speciellt i hjärnan, " säger Jasanoff.

Forskarna utförde ytterligare tester på råttor för att studera om sensorerna kunde fånga upp signaler i levande hjärnvävnad. För dessa experiment, de designade sensorerna för att detektera ljus som sänds ut av celler konstruerade för att uttrycka proteinet luciferas.

I vanliga fall, luciferasets exakta plats kan inte fastställas när det är djupt inne i hjärnan eller andra vävnader, så den nya sensorn erbjuder ett sätt att utöka användbarheten av luciferas och mer exakt lokalisera cellerna som sänder ut ljus, säger forskarna. Luciferas omvandlas vanligtvis till celler tillsammans med en annan gen av intresse, gör det möjligt för forskare att avgöra om generna framgångsrikt har införlivats genom att mäta ljuset som produceras.

Mindre sensorer

En stor fördel med denna sensor är att den inte behöver bära någon form av strömförsörjning, eftersom radiosignalerna som den externa MRI-skannern sänder ut räcker för att driva sensorn.

Hej, som kommer att ansluta sig till fakulteten vid University of Wisconsin i Madison i januari, planerar att ytterligare miniatyrisera sensorerna så att fler av dem kan injiceras, möjliggör avbildning av ljus eller elektriska fält över ett större hjärnområde. I det här pappret, forskarna utförde modellering som visade att en sensor på 250 mikron (några tiondels millimeter) borde kunna detektera elektrisk aktivitet i storleksordningen 100 millivolt, liknande mängden ström i en neural aktionspotential.

Jasanoffs labb är intresserade av att använda den här typen av sensorer för att upptäcka neurala signaler i hjärnan, och de föreställer sig att det också kan användas för att övervaka elektromagnetiska fenomen på andra ställen i kroppen, inklusive muskelsammandragningar eller hjärtaktivitet.

"Om sensorerna var i storleksordningen hundratals mikron, vilket är vad modelleringen antyder är i framtiden för denna teknik, då skulle du kunna tänka dig att ta en spruta och dela ut en hel massa av dem och bara lämna dem där, "Jasanoff säger. "Vad detta skulle göra är att ge många lokala avläsningar genom att ha sensorer fördelade över hela vävnaden."