Uit een recent onderzoek van Europese wetenschappers blijkt dat zeer gevoelige sensoren op basis van kleurcentra in een diamant kunnen worden gebruikt om de elektrische activiteit van neuronen in levend hersenweefsel te registreren. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports .

Voordat mensen symptomen van hersenziekten zoals dementie tegenkomen, hebben er meestal al kleine veranderingen in het hersenweefsel plaatsgevonden. Het kan zijn dat delen van de hersenen opzwellen of dat er klontjes eiwitten ontstaan. Deze kleine veranderingen kunnen van invloed zijn op de manier waarop zenuwcellen in de hersenen elkaar signaleren en communiceren, en hoe informatie wordt verwerkt en onthouden.

Medische wetenschappers willen deze kleine veranderingen bestuderen die zich in de allereerste stadia van een ziekte voordoen. Op die manier is het de bedoeling om meer te leren over de oorzaken van de ziekte om nieuwe inzichten en efficiëntere behandelingen te bieden. Tegenwoordig worden microscopische onderzoeken naar de hersenen uitgevoerd met een van de volgende twee strategieën:optische inspectie van hersenweefselmonsters van dieren of overleden patiënten die lijden aan de bestudeerde ziekte of metingen van de signalen van de zenuwcellen met behulp van draden, kleurstoffen of licht. /P>

Deze methoden hebben echter enkele beperkingen:ze kunnen het weefsel beschadigen of de signalen veranderen. Ze kunnen ook anders werken, afhankelijk van het weefsel dat u bestudeert; signalen van sommige delen van de zenuwcellen die betrokken zijn bij een bepaalde ziekte kunnen moeilijk te meten zijn.

Het veld meten, niet het monster

Wetenschappers van DTU, de Universiteit van Kopenhagen, het Kopenhagen Universitair Ziekenhuis, de Université Sorbonne en de Universiteit van Leipzig hebben een manier gevonden om de signalen van hersenweefsel te meten zonder het aan te raken of er naaldsondes in te steken. Ze doen dit door het meten van zwakke magnetische velden die door de zenuwcellen worden geproduceerd tijdens de communicatie. Daarbij maakten ze gebruik van het feit dat het magnetische veld onveranderd door het weefsel beweegt.

"Over het geheel genomen is het idee dat het waarnemen van het magnetische veld uiteindelijk niet-invasief is. Je hoeft geen elektroden of sondes in te brengen of het weefsel dat je wilt analyseren te bevlekken. Omdat je het geïnduceerde magnetische veld oppikt, krijg je informatie over de activiteit zonder een fysieke sensor in het systeem te plaatsen of het op een andere manier aan te passen", zegt Alexander Huck, universitair hoofddocent bij DTU Physics, die toezicht hield op het project en co-auteur is van het onderzoek.

Het is niets fundamenteel nieuws om magnetische velden te meten die in het menselijk lichaam worden geïnduceerd, maar er is meestal speciale apparatuur voor nodig die omvangrijk is en cryogene koeling vereist. Als zodanig zijn traditionele methoden niet geschikt voor het meten van kleine, levende weefselmonsters, laat staan ​​weefsel uit het menselijk brein.

In dit project profiteert het team van wetenschappers van kleine, opzettelijke fouten in synthetische diamantkristallen. Deze gebreken worden kleurcentra of, technisch gezien, stikstof-leegstandcentra/NV-centra genoemd. De term NV-centra is afgeleid van het feit dat in de diamant één koolstofatoom wordt vervangen door een stikstofatoom en zich naast een vacature bevindt, d.w.z. waar geen atoom aanwezig is. Dit zorgt ervoor dat de centra lichtabsorptie en – bij vrijgave van energie – lichtemissie mogelijk maken.

“Deze NV-kleurcentra hebben ook een effectief ongepaard elektron met een spin, en als er een magnetisch veld is, oscilleert de spin van het elektron rond dat veld. Dus als het magnetische veld toeneemt of afneemt, zal het iets sneller oscilleren of iets langzamer, en we kunnen deze veranderingen meten via de lichtemissie van de NV-kleurcentra", legt Huck uit.

Nog in een vroeg stadium

De experimentele opstelling is als volgt:In een kamer op centimeterschaal wordt een plakje hersenweefsel op isolerende lagen aluminiumfolie geplaatst. De diamant wordt in een gat aan de onderkant van de kamer geplaatst, onder de isolatielagen. Een groene laser en een microgolfantenne worden vervolgens op het kleurcentrum van de diamant gericht en de lichtemissie van de diamant wordt geregistreerd. Wanneer de wetenschappers de neuronen in het weefsel stimuleren om tegelijkertijd te vuren, kunnen ze veranderingen in de helderheid van de lichtemissie van de kleurcentra meten.

Cruciaal is dat het laserlicht en de microgolven nooit het hersenweefsel bereiken (in dit geval geen echt menselijk brein, maar weefsel van de hersenen van een muis). De veranderingen in het magnetische veld worden eenvoudigweg gevolgd met behulp van de NV-kleurcentra.

"Wanneer de neuronen in het hersenweefsel een monster nemen van vuur, zal dat een magnetisch veld opwekken dat vervolgens de lichtemissie en de helderheid van de diamant verandert, wat we registreren als een optisch signaal", zegt Huck.

In hun experimenten kunnen de wetenschappers signalen van verschillende soorten zenuwcellen onderscheiden. Ze controleerden hun metingen met behulp van een beproefde techniek waarbij ze het weefsel raakten en de elektriciteit direct maten. Ze laten ook zien hoe ze de neuronenactiviteit in het weefsel kunstmatig kunnen veranderen door een medicijn te gebruiken dat specifieke kanalen in de zenuwcellen blokkeert.

"Uiteindelijk is het de bedoeling dat wanneer je een patiënt hebt waarbij je een of andere neurodegeneratieve ziekte vermoedt, je methoden kunt gebruiken die zijn afgeleid van onze experimenten om de precieze aandoening te diagnosticeren", besluit Huck. Hij benadrukt echter dat daarvoor nog veel werk nodig is:

"Als we onze techniek vergelijken met andere methoden die vandaag de dag worden gebruikt en die al tientallen jaren bestaan, zijn ze nog steeds beter dan wat we nu kunnen doen. We bevinden ons in een vroeg stadium en er moet nog veel meer werk worden verzet voordat deze techniek kan worden toegepast." worden overgedragen en toegepast in een klinische omgeving. Onderzoek in NV-centra en het verkennen van de meest geschikte toepassingsgebieden bevindt zich nog in een vroeg stadium – dit is een opkomend vakgebied."

Meer informatie: Nikolaj Winther Hansen et al, Magnetische registratie op microscopische schaal van de elektrische activiteit van neuronen in de hersenen met behulp van een diamantkwantumsensor, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y

Journaalinformatie: Wetenschappelijke rapporten

Aangeboden door DTU (Technische Universiteit van Denemarken)