En nyligen genomförd studie av europeiska forskare visar att mycket känsliga sensorer baserade på färgcentra i en diamant kan användas för att registrera elektrisk aktivitet från neuroner i levande hjärnvävnad. Arbetet publiceras i tidskriften Scientific Reports .
Innan människor stöter på symtom på hjärnsjukdomar som demens har oftast små förändringar skett redan i hjärnvävnaden. Det kan vara så att delar av hjärnan svullnar upp eller att det bildas klumpar av proteiner. Dessa små förändringar kan påverka hur nervceller i hjärnan signalerar varandra och kommunicerar, hur information bearbetas och memoreras.
Medicinska forskare vill studera dessa mindre förändringar som inträffar i de mycket tidiga stadierna av en sjukdom. På så sätt är avsikten att lära sig mer om orsakerna till sjukdomen för att ge nya insikter och effektivare behandlingar. Idag utförs mikroskopiska studier på hjärnan med en av två strategier:Optisk inspektion av hjärnvävnadsprover från djur eller avlidna patienter som lider av den studerade sjukdomen eller mätningar av signalerna från nervcellerna med hjälp av ledningar, färgning eller ljus.
Dessa metoder har dock vissa begränsningar:De kan skada vävnaden eller förändra signalerna. Dessutom kan de fungera olika beroende på vilken vävnad du studerar; signaler från vissa delar av nervcellerna som är involverade i en viss sjukdom kan vara svåra att mäta.
Forskare från DTU, Köpenhamns universitet, Köpenhamns universitetssjukhus, Université Sorbonne och Leipzigs universitet har hittat ett sätt att mäta signalerna från hjärnvävnad utan att röra eller föra in nålsonder i den. De gör det genom att mäta svaga magnetfält som produceras av nervcellerna när de kommunicerar. Därvid utnyttjade de det faktum att magnetfältet färdas genom vävnaden oförändrat.
"Sammantaget är tanken att avkänning av magnetfältet i slutändan är icke-invasivt. Du behöver inte sätta in elektroder eller sonder eller färga vävnaden du vill analysera. Eftersom man plockar upp det inducerade magnetfältet får man information om aktiviteten utan att sätta in en fysisk sensor i systemet eller på annat sätt modifiera det, säger Alexander Huck, docent vid DTU Fysik som handlade projektet och är medförfattare till studien.
Det är inget i grunden nytt att mäta magnetfält som induceras i människokroppen, men det kräver vanligtvis specialutrustning som är skrymmande och behöver kryogen kylning. Som sådana är traditionella metoder inte lämpliga för att mäta små levande vävnadsprover, än mindre vävnad från den mänskliga hjärnan.
I detta projekt drar forskarteamet fördel av små, avsiktliga brister i syntetiska diamantkristaller. Dessa brister kallas färgcentra eller, tekniskt sett, kvävevakanscenter/NV-center. Termen NV-centra härrör från det faktum att i diamanten är en kolatom ersatt med en kväveatom och sitter bredvid en vakans, dvs där ingen atom finns. Detta gör att centra tillåter ljusabsorption och – när energi frigörs – ljusemission.
"Dessa NV-färgcentra har också en effektiv oparad elektron med ett spinn, och om det finns ett magnetiskt fält så svänger elektronens spin runt det fältet. Så om magnetfältet ökar eller minskar kommer det att svänga lite snabbare eller lite långsammare, och vi kan mäta dessa förändringar via ljusemissionen från NV-färgcentra", förklarar Huck.
Försöksuppställningen är som följer:I en kammare i centimeterskala placeras en skiva hjärnvävnad på isolerande lager av aluminiumfolie. Diamanten sätts i ett hål i botten av kammaren, under de isolerande skikten. En grön laser och en mikrovågsantenn riktas sedan mot diamantens färgcentrum och ljusemissionen från diamanten registreras. När forskarna stimulerar nervcellerna i vävnaden att elda samtidigt kan de mäta förändringar i ljusstyrkan för ljusemission från färgcentra.
Det avgörande är att laserljuset och mikrovågorna aldrig når hjärnvävnaden – inte en verklig mänsklig hjärna i det här fallet, utan vävnad från hjärnan på en mus – förändringarna i magnetfältet spåras helt enkelt med hjälp av NV-färgcentra.
"När nervcellerna i hjärnvävnadsprovet avfyras, kommer det att inducera ett magnetfält som sedan ändrar ljusemissionen och ljusstyrkan hos diamanten, som vi registrerar som en optisk signal", säger Huck.
I sina experiment kan forskarna särskilja signaler från olika typer av nervceller. De kontrollerade sina mått med en beprövad teknik som berörde vävnaden och mätte elektriciteten direkt. De visar också hur de på konstgjord väg kan förändra neuronaktiviteten i vävnaden genom att använda ett läkemedel som blockerar specifika kanaler i nervcellerna.
"Till slut är tanken att när du har en patient, där du misstänker någon form av neurodegenerativ sjukdom, kan du använda metoder som härrör från våra experiment för att diagnostisera det exakta tillståndet", avslutar Huck. Han betonar dock att det fortfarande krävs mycket arbete för att det ska vara fallet:
"Om vi jämför vår teknik med andra metoder som används idag, som har funnits i decennier, är de fortfarande bättre än vad vi kan göra nu. Vi är i ett tidigt skede, och mycket mer arbete måste göras innan den här tekniken kan överföras och tillämpas i en klinisk miljö Forskning i NV-centra och att utforska deras mest lämpliga applikationsområden är fortfarande i ett tidigt skede – detta är ett begynnande område."
Mer information: Nikolaj Winther Hansen et al, Mikroskopisk skala magnetisk inspelning av hjärnans neuronala elektriska aktivitet med hjälp av en diamantkvantsensor, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av DTU (Danmarks Tekniska Universitet)
