Onderzoekers bestuderen gewoonlijk de hersenfunctie door twee soorten elektromagnetisme te volgen:elektrische velden en licht. Echter, de meeste methoden voor het meten van deze verschijnselen in de hersenen zijn zeer invasief.

MIT-ingenieurs hebben nu een nieuwe techniek bedacht om elektrische activiteit of optische signalen in de hersenen te detecteren met behulp van een minimaal invasieve sensor voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI).

MRI wordt vaak gebruikt om veranderingen in de bloedstroom te meten die indirect hersenactiviteit vertegenwoordigen, maar het MIT-team heeft een nieuw type MRI-sensor bedacht die kleine elektrische stroompjes kan detecteren, evenals licht geproduceerd door luminescente eiwitten. (Elektrische impulsen komen voort uit de interne communicatie van de hersenen, en optische signalen kunnen worden geproduceerd door een verscheidenheid aan moleculen die zijn ontwikkeld door chemici en bio-ingenieurs.)

"MRI biedt een manier om dingen van buiten het lichaam te voelen op een minimaal invasieve manier, " zegt Aviad Hai, een MIT-postdoc en de hoofdauteur van de studie. "Er is geen bekabelde verbinding met de hersenen nodig. We kunnen de sensor implanteren en hem daar gewoon laten."

Dit soort sensor zou neurowetenschappers een ruimtelijk nauwkeurige manier kunnen geven om elektrische activiteit in de hersenen te lokaliseren. Het kan ook worden gebruikt om licht te meten, en kan worden aangepast voor het meten van chemicaliën zoals glucose, zeggen de onderzoekers.

Alan Jaspers, een MIT-professor biologische engineering, hersen- en cognitieve wetenschappen, en nucleaire wetenschap en techniek, en een geassocieerd lid van MIT's McGovern Institute for Brain Research, is de senior auteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 22 oktober van Natuur Biomedische Technologie . Postdocs Virginia Spanoudaki en Benjamin Bartelle zijn ook auteurs van het artikel.

Elektrische velden detecteren

Het lab van Jasanoff heeft eerder MRI-sensoren ontwikkeld die calcium en neurotransmitters zoals serotonine en dopamine kunnen detecteren. In deze krant, ze wilden hun aanpak voor het detecteren van biofysische fenomenen zoals elektriciteit en licht uitbreiden. Momenteel, de meest nauwkeurige manier om elektrische activiteit in de hersenen te controleren is door een elektrode in te brengen, wat zeer invasief is en weefselbeschadiging kan veroorzaken. Elektro-encefalografie (EEG) is een niet-invasieve manier om elektrische activiteit in de hersenen te meten, maar deze methode kan de oorsprong van de activiteit niet lokaliseren.

Om een ​​sensor te maken die elektromagnetische velden met ruimtelijke precisie kan detecteren, de onderzoekers realiseerden zich dat ze een elektronisch apparaat konden gebruiken, in het bijzonder, een kleine radioantenne.

MRI werkt door het detecteren van radiogolven die worden uitgezonden door de kernen van waterstofatomen in water. Deze signalen worden meestal gedetecteerd door een grote radioantenne in een MRI-scanner. Voor deze studie is het MIT-team heeft de radioantenne teruggebracht tot slechts enkele millimeters, zodat deze rechtstreeks in de hersenen kon worden geïmplanteerd om de radiogolven te ontvangen die door water in het hersenweefsel worden gegenereerd.

De sensor is aanvankelijk afgestemd op dezelfde frequentie als de radiogolven die door de waterstofatomen worden uitgezonden. Wanneer de sensor een elektromagnetisch signaal van het weefsel opvangt, de afstemming verandert en de sensor komt niet meer overeen met de frequentie van de waterstofatomen. Wanneer dit gebeurt, een zwakker beeld ontstaat wanneer de sensor wordt gescand door een externe MRI-machine.

De onderzoekers toonden aan dat de sensoren elektrische signalen kunnen opvangen die vergelijkbaar zijn met die geproduceerd door actiepotentialen (de elektrische impulsen die worden afgevuurd door afzonderlijke neuronen), of lokale veldpotentialen (de som van elektrische stromen geproduceerd door een groep neuronen).

"We hebben aangetoond dat deze apparaten gevoelig zijn voor mogelijkheden op biologische schaal, in de orde van millivolt, die vergelijkbaar zijn met wat biologisch weefsel genereert, vooral in de hersenen, ' Zegt Jasperoff.

De onderzoekers deden aanvullende tests bij ratten om te onderzoeken of de sensoren signalen in levend hersenweefsel konden opvangen. Voor die experimenten ze ontwierpen de sensoren om licht te detecteren dat wordt uitgezonden door cellen die zijn ontworpen om het eiwit luciferase tot expressie te brengen.

Normaal gesproken, de exacte locatie van luciferase kan niet worden bepaald wanneer het diep in de hersenen of andere weefsels is, dus de nieuwe sensor biedt een manier om het nut van luciferase uit te breiden en nauwkeuriger de cellen te lokaliseren die licht uitstralen, zeggen de onderzoekers. Luciferase wordt gewoonlijk in cellen gemanipuleerd samen met een ander interessant gen, waardoor onderzoekers kunnen bepalen of de genen met succes zijn ingebouwd door het geproduceerde licht te meten.

Kleinere sensoren

Een groot voordeel van deze sensor is dat hij geen enkele voeding hoeft te dragen, omdat de radiosignalen die de externe MRI-scanner uitzendt voldoende zijn om de sensor van stroom te voorzien.

hoi, die in januari zal toetreden tot de faculteit van de Universiteit van Wisconsin in Madison, plannen om de sensoren verder te miniaturiseren, zodat er meer kunnen worden geïnjecteerd, waardoor de beeldvorming van licht of elektrische velden over een groter hersengebied mogelijk is. In deze krant, de onderzoekers voerden modellering uit waaruit bleek dat een sensor van 250 micron (enkele tienden van een millimeter) elektrische activiteit in de orde van 100 millivolt zou moeten kunnen detecteren, vergelijkbaar met de hoeveelheid stroom in een neuraal actiepotentiaal.

Jasanoff's lab is geïnteresseerd in het gebruik van dit type sensor om neurale signalen in de hersenen te detecteren. en ze stellen zich voor dat het ook kan worden gebruikt om elektromagnetische verschijnselen elders in het lichaam te volgen, inclusief spiersamentrekkingen of hartactiviteit.

"Als de sensoren in de orde van honderden microns waren, wat volgens de modellering in de toekomst is voor deze technologie, dan zou je je kunnen voorstellen een spuit te nemen en een hele hoop ervan uit te delen en ze daar gewoon achter te laten, " Zegt Jasanoff. "Wat dit zou doen, is veel lokale uitlezingen opleveren door sensoren over het hele weefsel te verspreiden."