Pierwsze laserowe pomiary pól magnetycznych pojedynczych nerwów

Biolodzy wiedzą, że nerwy wytwarzają i reagują na sygnały elektryczne od XVIII wieku, kiedy Luigi Galvani odkrył, że mięśnie żabiej nogi drgają, gdy są stymulowane przez iskrę.

Jednak systematyczne badanie sygnałów elektrycznych wytwarzanych przez nerwy musiało poczekać do początku XX wieku na opracowanie czułego elektrycznego sprzętu rejestrującego, takiego jak oscyloskop katodowy.

Ten rozwój zrewolucjonizował rozumienie funkcji nerwowych. Sposób, w jaki nerwy przewodzą sygnały, mogą być silnym wskaźnikiem chorób, takich jak stwardnienie rozsiane, a nawet mogą wykrywać niektóre rodzaje zatrucia.

A jednak metoda ma pewne wady. Na przykład pomiar sygnałów elektrycznych w nerwach przez włożenie elektrody przypominającej igłę jest nieco inwazyjny, a samo przymocowanie elektrody do nerwu może zmienić sygnał, utrudniając interpretację wyników. Tak więc neuronaukowcy od dawna mieli nadzieję na nieinwazyjną technikę, która mogłaby wykonać tę pracę.

Może się to stać dzięki pracy Kaspera Jensena z Uniwersytetu w Kopenhadze w Danii i kilku kumplom, którzy opracowali sposób na łatwy pomiar pól magnetycznych związanych z sygnałami elektrycznymi w nerwach. Technika ta może utorować drogę nowej generacji narzędzi diagnostycznych do wykrywania chorób związanych z funkcją nerwów oraz do zrozumienia podstawowej funkcji nerwów.

Najpierw kilka podstaw. Kiedy nerw zostaje pobudzony, na całej swojej długości wysyła sygnał elektryczny zwany potencjałem czynnościowym. Ten impuls elektryczny generuje również pole magnetyczne. Naukowcy byli w stanie mierzyć ten impuls od lat 80. XX wieku za pomocą magnetometrów SQUID, które muszą być starannie chłodzone do temperatur nadprzewodzących.

Czujną częścią urządzenia jest maleńka cewka, przez którą musi przebiegać nerw. Tak więc ta technika nie może być używana do pomiarów in vivo. I chociaż urządzenia te stały się bardziej praktyczne, nadal opierają się na technologii nadprzewodzącej, której przełożenie na warunki kliniczne jest kosztowne.

Tak więc sposób pomiaru tych pól magnetycznych na odległość iw temperaturze pokojowej byłby niezwykle przydatny. I dokładnie to zrobili Jensen i spółka.

Ci faceci zbudowali czujnik, który wykorzystuje wiązkę laserową do wykrywania wpływu pola magnetycznego na gazowe atomy cezu, które polaryzują światło, gdy są namagnesowane. Tak zwane magnetometry optyczne to niezwykle wydajne urządzenia, których czułość ograniczają jedynie efekty kwantowe, takie jak kwantowy szum świetlny.

To ważne, bo przynajmniej teoretycznie pozwala im wykryć pola związane z nerwami z odległości kilku milimetrów. Dzięki temu mogą siedzieć na zewnątrz ciała podczas pomiaru wytwarzanego w nim pola.

Jest jeszcze jedna ważna zaleta. Magnetometry optyczne doskonale sprawdzają się w temperaturze pokojowej, a jeszcze lepiej iw temperaturze ciała. Czujniki są również małe — mają zaledwie kilka milimetrów średnicy — dzięki czemu idealnie nadają się do zastosowań klinicznych. Rzeczywiście, były one używane przy różnych okazjach właśnie w tym celu.

Jednak do tej pory te urządzenia kliniczne nigdy nie działały na granicy kwantowej, a zatem nie były wystarczająco czułe, aby wykryć pola z poszczególnych włókien nerwowych.

Przełomem, jaki osiągnęli Jensen i spółka, jest uruchomienie magnetometru optycznego na granicy kwantowej w temperaturze pokojowej po raz pierwszy w tym biologicznym środowisku.

Jensen i spółka przetestowali urządzenie, wyczuwając pola magnetyczne generowane przez żabie nerwy kulszowe z odległości kilku milimetrów. Okazuje się, że to pole znajduje się w obszarze kilku pikoTesli, ale możliwe są pomiary subpikoTesli. Dla porównania, pole magnetyczne Ziemi jest o około trzy rzędy wielkości silniejsze.

Urządzenie może działać w sposób ciągły, co pozwoliło zespołowi zmierzyć kształt pola magnetycznego generowanego przez nerw podczas stymulacji. Przeprowadziliśmy nieinwazyjne wykrywanie impulsów nerwowych z nerwu kulszowego żaby, mierząc pole magnetyczne generowane przez nerw za pomocą czujnika temperatury pokojowej o niemal ograniczonej kwantowo czułości, mówią Jensen i spółka.

To ciekawa praca, która będzie miała ważne zastosowania w diagnostyce medycznej. Według zespołu magnetometr [jest] idealny do diagnostyki medycznej w obszarach fizjologicznych/klinicznych, takich jak kardiografia płodów, reakcje synaptyczne w siatkówce i magnetoencefalografia.

Z pewnością nie minie dużo czasu, zanim ten lub inny zespół zacznie dokonywać właśnie tego rodzaju pomiarów na ludziach. Jest więc możliwe, że rozwój ten będzie miał podobny wpływ na badania przewodnictwa nerwowego, jak rozwój czułego elektrycznego sprzętu rejestrującego w latach 20. XX wieku.

Nr ref.:arxiv.org/abs/1601.03273: Nieinwazyjne wykrywanie impulsów nerwowych zwierząt za pomocą magnetometru atomowego działającego w pobliżu ograniczonej czułości kwantowej

ukryć