Det är ett av de renaste och mest mångsidiga materialen i världen, med användningsområden i allt från smycken till industriella slipmedel till kvantvetenskap. Men en grupp av Harvard-forskare har upptäckt en ny användning för diamanter:spåra neurala signaler i hjärnan.

Att använda kvantdefekter i atomär skala i diamanter som kallas kvävevakans (NV) centra för att detektera magnetfältet som genereras av neurala signaler, forskare som arbetar i Ronald Walsworths labb, en fakultetsmedlem vid Harvard's Center for Brain Science and Physics Department, demonstrerade en icke-invasiv teknik som kan avbilda neuronernas aktivitet.

Arbetet beskrevs i en färsk tidning i Proceedings of the National Academy of Sciences , och framfördes i samarbete med Harvard-fakultetens medlemmar Mikhail (Misha) Lukin och Hongkun Park.

"Idén att använda NV-center för att känna av neurons magnetfält började med Ron Walsworths och Misha Lukins första arbete för cirka 10 år sedan, men under lång tid fick våra bakre beräkningar att se ut som om fälten skulle vara för små för att upptäcka, och tekniken var inte där än, sa Jennifer Schloss, en Ph.D. student och medförfattare till studien.

"Det här dokumentet är verkligen det första steget för att visa att mätning av magnetiska fält från enskilda neuroner kan göras på ett skalbart sätt, " sa doktorand och medförfattare Matthew Turner. "Vi ville kunna modellera signalegenskaperna, och säg, baserat på teori, "Det här är vad vi förväntar oss att se." Våra experimentella resultat överensstämde med dessa förväntningar. Denna prediktiva förmåga är viktig för att förstå mer komplicerade neuronala nätverk."

I hjärtat av systemet utvecklat av Schloss och Turner, tillsammans med postdoktorn John Barry, är en liten - bara 4 x 4 millimeter i kvadrat och en halv millimeter tjock - skiva av diamant impregnerad med biljoner NV-centra.

Systemet fungerar, Schloss och Turner förklarade, eftersom de magnetiska fälten som genereras av signaler som färdas i en neuron interagerar med elektronerna i NV-centra, subtilt ändra deras kvant "snurr" tillstånd. Diamantskivan badas i mikrovågor, som sätter NV-elektronerna i en blandning av två spinntillstånd. Ett neurons magnetfält orsakar sedan en förändring av andelen spins i ett av de två tillstånden. Med hjälp av en laser begränsad till diamanten, forskarna kan upptäcka denna fraktion, läsa ut den neurala signalen som en optisk bild, utan att ljus kommer in i det biologiska provet.

Förutom att visa att systemet fungerar för dissekerade neuroner, Schloss, Svarvare, och Barry visade att NV-sensorer kunde användas för att känna av neural aktivitet i levande, intakta marina maskar.

"Vi insåg att vi bara kunde sätta hela djuret på sensorn och fortfarande upptäcka signalen, så det är helt icke-invasivt, ", sa Turner. "Det är en anledning att använda magnetfält ger en fördel jämfört med andra metoder. Om du mäter spännings- eller ljusbaserade signaler på traditionella sätt, biologisk vävnad kan förvränga dessa signaler. Med magnetfält, även om signalen blir mindre med avståndsavstånd, informationen bevaras."

Schloss, Svarvare, och Barry kunde också visa att neurala signaler färdades långsammare från maskens svans till dess huvud än från huvud till svans, och deras magnetfältsmätningar matchade förutsägelser av denna skillnad i ledningshastighet.

Medan studien visar att NV-centra kan användas för att detektera neurala signaler, Turner sa att de första experimenten var designade för att ta itu med det mest tillgängliga förhållningssättet till problemet, använder robusta neuroner som producerar särskilt stora magnetfält. Teamet arbetar redan med att ytterligare förfina systemet, med ett öga mot att förbättra dess känslighet och söka tillämpningar på gränsproblem inom neurovetenskap. För att känna av signaler från mindre däggdjursneuroner, Schloss förklarade, de avser att implementera ett pulserande magnetometrischema för att realisera upp till 300 gånger bättre känslighet per volym. Nästa steg, sa Turner, implementerar ett högupplöst bildsystem i hopp om att producera realtid, optiska bilder av nervceller när de skjuter.

"Vi tittar på avbildningsnätverk av neuroner under långa varaktigheter, upp till dagar, ", sa Schloss. "Vi hoppas kunna använda detta för att förstå inte bara den fysiska anslutningen mellan neuroner, men den funktionella anslutningen – hur signalerna faktiskt fortplantar sig för att informera om hur neurala kretsar fungerar på lång sikt."

"Inget verktyg som finns idag kan berätta allt vi vill veta om neuronaktivitet eller tillämpas på alla system av intresse, ", sade Turner. "Denna kvantdiamantteknologi ger en ny riktning för att ta itu med några av dessa utmaningar. Att avbilda neuronmagnetiska fält är ett i stort sett outforskat område på grund av tidigare tekniska begränsningar."

Hoppet, Schloss sa, är att verktyget en dag kan hitta ett hem i laboratoriet hos biomedicinska forskare eller någon som är intresserad av att förstå hjärnans aktivitet.

"Vi vill förstå hjärnan från singelneuronnivån hela vägen upp, så vi föreställer oss att detta kan bli ett verktyg användbart både i biofysiklabbar och i medicinska studier, " sa hon. "Det är icke-invasivt och snabbt, och den optiska avläsningen kan möjliggöra en mängd olika applikationer, från att studera neurodegenerativa sjukdomar till att övervaka läkemedelsleverans i realtid."

Walsworth krediterar Josh Sanes ledarskap, Paul J. Finnegan familjedirektör för centret, och Kenneth Blum, verkställande direktör, för att möjliggöra denna biologiska tillämpning av kvantdiamantteknologi. "Center for Brain Science ledarskap tillhandahöll det väsentliga labbutrymmet och ett välkomnande, tvärvetenskaplig gemenskap, ", sa han. "Denna speciella miljö tillåter fysikaliska vetenskapsmän och ingenjörer att översätta kvantteknologi till neurovetenskap."

Den här historien är publicerad med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.