Het is een van de zuiverste en meest veelzijdige materialen ter wereld, met toepassingen in alles, van sieraden tot industriële schuurmiddelen tot kwantumwetenschap. Maar een groep Harvard-wetenschappers heeft een nieuw gebruik voor diamanten ontdekt:het volgen van neurale signalen in de hersenen.

Met behulp van kwantumdefecten op atomaire schaal in diamanten, bekend als stikstof-vacature (NV) centra om het magnetische veld te detecteren dat wordt gegenereerd door neurale signalen, wetenschappers die werken in het lab van Ronald Walsworth, een faculteitslid in het Center for Brain Science and Physics Department van Harvard, demonstreerde een niet-invasieve techniek die de activiteit van neuronen in beeld kan brengen.

Het werk werd beschreven in een recent artikel in de Proceedings van de National Academy of Sciences , en werd uitgevoerd in samenwerking met Harvard-faculteitsleden Mikhail (Misha) Lukin en Hongkun Park.

"Het idee om NV-centra te gebruiken voor het detecteren van magnetische velden van neuronen begon ongeveer 10 jaar geleden met het eerste werk van Ron Walsworth en Misha Lukin, maar lange tijd lieten onze back-of-the-envelope berekeningen het erop lijken dat de velden te klein zouden zijn om te detecteren, en de technologie was er nog niet, " zei Jennifer Schloss, een doctoraat student en co-auteur van het onderzoek.

"Dit artikel is echt de eerste stap om aan te tonen dat het meten van magnetische velden van individuele neuronen op een schaalbare manier kan worden gedaan, " zei promovendus en mede-co-auteur Matthew Turner. "We wilden de signaalkarakteristieken kunnen modelleren, en zeg, gebaseerd op theorie, 'Dit is wat we verwachten te zien.' Onze experimentele resultaten waren in overeenstemming met deze verwachtingen. Dit voorspellend vermogen is belangrijk voor het begrijpen van meer gecompliceerde neuronale netwerken."

In het hart van het systeem ontwikkeld door Schloss en Turner, samen met postdoctoraal wetenschapper John Barry, is een klein - slechts 4 bij 4 millimeter vierkant en een halve millimeter dik - schijfje diamant geïmpregneerd met biljoenen NV-centra.

Het systeem werkt, Schloss en Turner legden uit, omdat de magnetische velden die worden gegenereerd door signalen die in een neuron reizen, interageren met de elektronen in de NV-centra, hun kwantum "spin" -toestand subtiel veranderen. De diamantwafel baadt in microgolven, die de NV-elektronen in een mengsel van twee spintoestanden plaatsen. Een magnetisch veld van een neuron veroorzaakt dan een verandering in de fractie van spins in een van de twee toestanden. Met behulp van een laser beperkt tot de diamant, de onderzoekers kunnen deze fractie detecteren, het neurale signaal uitlezen als een optisch beeld, zonder dat er licht in het biologische monster komt.

Naast het aantonen dat het systeem werkt voor ontlede neuronen, Schloss, Turner, en Barry toonden aan dat NV-sensoren kunnen worden gebruikt om neurale activiteit in het leven te detecteren, intacte zeewormen.

"We realiseerden ons dat we het hele dier op de sensor konden zetten en toch het signaal konden detecteren. dus het is volledig niet-invasief, Turner zei. "Dat is een van de redenen waarom het gebruik van magnetische velden een voordeel biedt ten opzichte van andere methoden. Als u op traditionele manieren spannings- of lichtsignalen meet, biologisch weefsel kan die signalen vervormen. Met magnetische velden, hoewel het signaal kleiner wordt met de afstand, de informatie blijft behouden."

Schloss, Turner, en Barry konden ook aantonen dat de neurale signalen langzamer van de staart van de worm naar zijn kop reisden dan van kop naar staart, en hun magnetische veldmetingen kwamen overeen met voorspellingen van dit verschil in geleidingssnelheid.

Hoewel de studie aantoont dat NV-centra kunnen worden gebruikt om neurale signalen te detecteren, Turner zei dat de eerste experimenten waren ontworpen om de meest toegankelijke benadering van het probleem aan te pakken, met behulp van robuuste neuronen die bijzonder grote magnetische velden produceren. Het team is al bezig om het systeem verder te verfijnen, met het oog op het verbeteren van de gevoeligheid en het nastreven van toepassingen voor grensproblemen in de neurowetenschappen. Om signalen van kleinere zoogdierneuronen waar te nemen, Schloss uitgelegd, ze zijn van plan een gepulseerd magnetometrieschema te implementeren om tot 300 keer betere gevoeligheid per volume te realiseren. De volgende stap, zei Turner, implementeert een beeldvormingssysteem met hoge resolutie in de hoop realtime, optische beelden van neuronen terwijl ze vuren.

"We kijken naar beeldvormende netwerken van neuronen over lange duur, tot dagen, " zei Schloss. "We hopen dit te gebruiken om niet alleen de fysieke connectiviteit tussen neuronen te begrijpen, maar de functionele connectiviteit - hoe de signalen zich daadwerkelijk voortplanten om te informeren hoe neurale circuits op de lange termijn werken."

"Geen enkel instrument dat vandaag bestaat, kan ons alles vertellen wat we willen weten over neuronale activiteit of kan worden toegepast op alle systemen van belang, " zei Turner. "Deze kwantumdiamanttechnologie geeft een nieuwe richting aan voor het aanpakken van enkele van deze uitdagingen. Het afbeelden van magnetische velden van neuronen is een grotendeels onontgonnen gebied vanwege eerdere technologische beperkingen."

De hoop, Schloss zei, is dat de tool op een dag een thuis zou kunnen vinden in de laboratoria van biomedische onderzoekers of iedereen die geïnteresseerd is in het begrijpen van hersenactiviteit.

"We willen de hersenen begrijpen vanaf het niveau van de enkele neuron helemaal omhoog, dus we stellen ons voor dat dit een hulpmiddel kan worden dat zowel in biofysische laboratoria als in medische studies kan worden gebruikt, "zei ze. "Het is niet-invasief en snel, en de optische uitlezing kan een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk maken, van het bestuderen van neurodegeneratieve ziekten tot het in realtime monitoren van medicijnafgifte."

Walsworth crediteert het leiderschap van Josh Sanes, de directeur van de familie Paul J. Finnegan van het centrum, en Kenneth Blum, uitvoerend directeur, voor het mogelijk maken van deze biologische toepassing van kwantumdiamanttechnologie. "Center for Brain Science-leiderschap zorgde voor de essentiële laboratoriumruimte en een gastvrije, interdisciplinaire gemeenschap, " zei hij. "Deze speciale omgeving stelt fysische wetenschappers en ingenieurs in staat om kwantumtechnologie te vertalen in neurowetenschap."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.