Алмаз помог измерить нейронную активность мозга на микромасштабе

Ученые из трех стран неинвазивно измерили нейронную активность мозга мыши на микроуровне с помощью квантового датчика на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе. Сенсор способен улавливать сверхслабые магнитные поля, возникающие при прохождении ионных токов в аксонах мозга, а также слабые изменения нейронной активности, подобные тем, что возникают при нейродегенеративных заболеваниях. Метод не требует физического взаимодействия с тканями и, в отличие от магнитоэнцефалографии, не нуждается в таких специфических условиях, как сверхнизкие температуры или высокие плотности атомного газа, пишут ученые в статье на arXiv.org.

Изучение активности мозга на уровне отдельных нейронов интересует ученых не только с научной точки зрения, но и с медицинской. Дело в том, что при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или склероз, изменения в организме появляются задолго до первых симптомов, в частности возникают нарушения распространения потенциалов действия в мозге. Изучение таких отклонений на микромасштабе может не только помочь ученым понять механизмы возникновения заболевания, но и, вероятно, разработать лечение на ранних стадиях.

На сегодняшний день ранние проявления нейродегенеративных заболеваний изучают на трансгенных мышах с нарушениями, подобными тем, что возникают в мозге больного человека. При этом методы, которые используют ученые, требуют либо вживления электродов в ткани мозга животного, либо использования лазерного излучения вкупе с токсичными красками, чувствительными к напряжению. Подобное грубое взаимодействие с объектом исследования может повлиять на точность результата и делает небезопасным применение технологий in vivo.

Неинвазивные методы исследования, при которых отсутствует взаимодействие с тканями, могли бы помочь избежать таких проблем, однако на сегодняшний день их пространственное разрешение не достаточно велико для наблюдения отдельных нейронов. Наиболее подробную картину нейронной активности с детализацией до 0,5 сантиметра предоставляет магнитоэнцефалография (МЭГ), при которой измеряется сверхслабые магнитные поля, возникающие согласно уравнениям Максвелла при прохождении ионного тока по аксонам. Основной фактор, препятствующий увеличению точности метода — невозможность приближения детекторов вплотную к тканям из-за сверхнизких температур, необходимых для МЭГ на СКВИД-магнетометрах, и высоких плотностей атомного газа в случае МЭГ на SURF-магнетометрах.

Хорошей альтернативой СКВИдам и SURFам могут стать квантовые магнетометры на базе азотно-замещенных вакансий в алмазе (NV-центры) — дефектов кристалла, в которых один атом углерода удален (вакансия), а соседний к нему замещен на атом азота. Для создания магнетометров подходят отрицательно заряженные NV-центры, в которых в вакансии находятся два неспаренных электрона. Такая система может находиться в основном, возбужденном и двух промежуточных состояниях, причем в основном и возбужденном состоянии энергия системы может принимать одно из трех значений. Последнее объясняется тем, что состояние, в котором спины электронов направлены в разные стороны (общий спин пары S=0), энергетически более выгодно, чем когда они оба направлены вверх или вниз (S=+1, S=-1 соответственно, между этими состояниями есть небольшой зазор). Во внешнем магнитном поле уровни с S=±1 тоже расщепляются, так как теперь уже имеет значение, смотрят ли спины электронов по направлению магнитного поля, или против (эффект Зеемана), при этом величина расщепления зависит от силы внешнего магнитного поля.

Если NV-центр в магнитном поле облучить лазером зеленого цвета, он будет поглощать квант света и переходить в возбужденное состояние, а затем релаксировать в основное состояние с S=0. При этом центр будет испускать квант красного света в случае начального состояния с S=0, либо с некоторой вероятностью релаксировать безизлучательно при S=±1. Дополнительное включение микроволнового излучения на частоте, соответствующей расстоянию между первыми двумя уровнями, будет переводить состояния со спином S=0 в S=-1 и тем самым увеличивать частоту безизлучательных переходов. Таким образом, изменяя частоту микроволнового излучения и наблюдая за тем, как меняется интенсивность излучения NV-центра, ученые могут определить величину зеемановского расщепления и, как следствие, внешнее магнитное поле.

Еще в 2016 году ученые использовали сенсор на NV-центрах чтобы измерить магнитное поле одиночных нейронов кальмаров и червей, теперь же физики и нейробиологи из трех стран под руководством Джеймса Люка Уэбба (James Luke Webb) из Технического университета Дании впервые измерили нейронную активность мозолистого тела живого мозга мыши. Для этого ученые помещали срезы мозга в ванночку с искусственным раствором спинномозговой жидкости при температуре 25 градусов Цельсия так, чтобы ткани оставались живыми на время исследования. Кристалл размером два на два миллиметра с сотней NV-центров расположили на дне ванночки, оградив от образца слоем алюминиевой фольги и изолятора толщиной в 66 микрометра. Нейронную активность ученые инициировали с помощью биполярного стимулирующего электрода, который внедряли в ткань мозга в двух миллиметрах от зоны измерения.

Сначала биофизики измерили магнитное поле, возникающее при прохождении ионных токов в аксонах, и сравнили его с потенциалом электрического поля, который фиксировался с помощью вживленных в исследуемую область электродов. В результате на графиках магнитного поля и потенциала ученые обнаружили два характерных пика, которые, по всей видимости, отвечают за прохождение тока по миелинизированным и неимелинизированным аксонам. Амплитуда пиков магнитного поля оказалась линейно пропорциональна амплитуде пиков электрического потенциала для всех трех срезов мозга разных особей мышей. Задержка пиков относительно стимулирующего импульса у обоих методов была одинакова.

Затем, чтобы проверить чувствительность квантового сенсора к отклонениям в нейронной активности, исследователи искусственно угнетали аксональные токи мозга, блокируя натриевые ионные каналы с помощью тетродотоксина. Ученые постепенно увеличивали концентрацию яда в растворе спиномозговой жидкости попутно проводя измерения магнитного поля и электрического потенциала, пока мозговая активность не была полностью подавлена. В результате динамика магнитного и электрического поля показали, что максимум, соответствующий миелинизированным аксонам, с ростом концентрации токсина гасился быстрее чем максимум от немиелинизированных аксонов, так как последние имеют меньше чувствительных к тетродотоксину натриевых каналов. Блокировка натриевых каналов также проявлялась в увеличении задержки пика токов от немиелинизированных аксонов.

Авторы отмечают, что увеличение плотности NV-центров в кристалле может привести к созданию технологии с пространственным разрешением, значительно более высоким, чем могут предоставить микрозондирование и вольт-чувствительные краски.

Хотя существующие методы исследования мозговой активности и несовершенны, ученые порой применяют их вместе, чтобы использовать сильные стороны каждого. Так, американские ученые применили функциональное МРТ (которое определяет мозговую активность по концентрации гемоглобина), чтобы определить область мозга, реагирующую на музыку, а затем более детально исследовали регион с помощью электрокортикографии (электроды) и обнаружили нейроны, которые реагируют исключительно на пение, но не на другие звуки.

Елизавета Чистякова