MIT neuroforskare har utvecklat en ny magnetisk resonanstomografi (MRI) sensor som låter dem övervaka neural aktivitet djupt inne i hjärnan genom att spåra kalciumjoner.

Eftersom kalciumjoner är direkt kopplade till neuronavfyrning - till skillnad från förändringarna i blodflödet som upptäcks av andra typer av MRI, som ger en indirekt signal - den här nya typen av avkänning kan göra det möjligt för forskare att koppla specifika hjärnfunktioner till deras mönster av neuronaktivitet, och att bestämma hur avlägsna hjärnregioner kommunicerar med varandra under särskilda uppgifter.

"Koncentrationer av kalciumjoner är nära korrelerade med signalhändelser i nervsystemet, " säger Alan Jasanoff, en MIT-professor i biologisk teknik, hjärn- och kognitionsvetenskap, och kärnkraftsvetenskap och teknik, en associerad medlem av MIT:s McGovern Institute for Brain Research, och studiens seniorförfattare. "Vi konstruerade en sond med en molekylär arkitektur som kan känna av relativt subtila förändringar i extracellulärt kalcium som är korrelerade med neural aktivitet."

I tester på råttor, forskarna visade att deras kalciumsensor exakt kan upptäcka förändringar i neural aktivitet som induceras av kemisk eller elektrisk stimulering, djupt inuti en del av hjärnan som kallas striatum.

MIT -forskningsassociaterna Satoshi Okada och Benjamin Bartelle är huvudförfattare till studien, som visas i 30 april -numret av Naturens nanoteknik . Andra författare inkluderar professor i hjärn- och kognitiv vetenskap Mriganka Sur, Forskningsassistent Nan Li, postdoc Vincent Breton-Provencher, före detta postdoc Elisenda Rodriguez, Wellesley College grundexamen Jiyoung Lee, och gymnasieeleven James Melican.

Spåra kalcium

En stöttepelare i neurovetenskaplig forskning, MRT tillåter forskare att identifiera delar av hjärnan som är aktiva under vissa uppgifter. Den vanligaste typen, känd som funktionell MRI, mäter blodflödet i hjärnan som en indirekt markör för neural aktivitet. Jasanoff och hans kollegor ville ta fram ett sätt att kartlägga mönster av neural aktivitet med specificitet och upplösning som blodflödesbaserade MRI-tekniker inte kan uppnå.

"Metoder som kan kartlägga hjärnaktivitet i djupvävnad är beroende av förändringar i blodflödet, och de är kopplade till neural aktivitet genom många olika fysiologiska vägar, " säger Jasanoff. "Som ett resultat, signalen du ser i slutändan är ofta svår att tillskriva någon särskild bakomliggande orsak. "

Kalciumjonflöde, å andra sidan, kan kopplas direkt till neuronaktivitet. När en neuron avfyrar en elektrisk impuls, kalciumjoner rusar in i cellen. I ungefär ett decennium, neuroforskare har använt fluorescerande molekyler för att märka kalcium i hjärnan och avbilda det med traditionell mikroskopi. Denna teknik tillåter dem att exakt spåra neuronaktivitet, men dess användning är begränsad till små områden i hjärnan.

MIT-teamet försökte hitta ett sätt att avbilda kalcium med hjälp av MRI, vilket gör att mycket större vävnadsvolymer kan analyseras. Att göra det, de designade en ny sensor som kan upptäcka subtila förändringar i kalciumkoncentrationer utanför cellerna och svara på ett sätt som kan detekteras med MRT.

Den nya sensorn består av två typer av partiklar som samlas i närvaro av kalcium. Den ena är ett naturligt förekommande kalciumbindande protein som kallas synaptotagmin, och den andra är en magnetisk järnoxidnanopartikel belagd med en lipid som också kan binda till synaptotagmin, men bara när kalcium är närvarande.

Kalciumbindning får dessa partiklar att klumpa ihop sig, får dem att se mörkare ut på en MRI-bild. Höga nivåer av kalcium utanför neuronerna korrelerar med låg neuronaktivitet; när kalciumkoncentrationen sjunker, det betyder att neuroner i det området avfyrar elektriska impulser.

Upptäcka hjärnaktivitet

För att testa sensorerna, forskarna injicerade dem i råttans striatum, en region som är involverad i att planera rörelse och lära sig nya beteenden. De gav sedan råttorna en kemisk stimulans som inducerar korta anfall av neural aktivitet, och fann att kalciumsensorn reflekterade denna aktivitet.

De fann också att sensorn plockade upp aktivitet inducerad av elektrisk stimulering i en del av hjärnan som är involverad i belöning.

Den aktuella versionen av sensorn svarar inom några sekunder efter den första hjärnstimuleringen, men forskarna jobbar på att skynda på det. De försöker också modifiera sensorn så att den kan spridas över en större del av hjärnan och passera genom blod-hjärnbarriären, vilket skulle göra det möjligt att leverera partiklarna utan att injicera dem direkt till testplatsen.

Med den här typen av sensorer, Jasanoff hoppas kunna kartlägga mönster av neural aktivitet med större precision än vad som nu är möjligt. "Du kan tänka dig att mäta kalciumaktivitet i olika delar av hjärnan och försöka fastställa, till exempel, hur olika typer av sensoriska stimuli kodas på olika sätt av det rumsliga mönstret för neural aktivitet som de framkallar, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.