用MRI監(jiān)測大腦中的電磁信號

研究人員通常通過監(jiān)測兩種類型的電磁場 - 電場和光來研究大腦功能。然而，大多數(shù)測量大腦中這些現(xiàn)象的方法都是非常具有侵入性的。

麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新技術(shù)，可以使用微創(chuàng)傳感器檢測大腦中的電活動(dòng)或光信號，從而進(jìn)行磁共振成像(MRI)。

MRI通常用于測量間接代表大腦活動(dòng)的血流變化，但MIT團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型MRI傳感器，可以檢測微小的電流以及發(fā)光蛋白產(chǎn)生的光。(電脈沖來自大腦的內(nèi)部通信，光學(xué)信號可以由化學(xué)家和生物工程師開發(fā)的各種分子產(chǎn)生。)

“MRI提供了一種以微創(chuàng)方式從身體外部感知事物的方法，”麻省理工學(xué)院博士后和該研究的第一作者Aviad Hai說。“它不需要有線連接到大腦。我們可以植入傳感器并將其留在那里。”

這種傳感器可以為神經(jīng)科學(xué)家提供一種空間精確的方法來確定大腦中的電活動(dòng)。研究人員表示，它還可用于測量光線，并可用于測量葡萄糖等化學(xué)物質(zhì)。

麻省理工學(xué)院生物工程，腦與認(rèn)知科學(xué)，核科學(xué)與工程學(xué)教授，麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的副教授艾倫·亞薩諾夫是該論文的高級作者，該論文發(fā)表在10月22日的自然生物醫(yī)學(xué)工程。Postdocs Virginia Spanoudaki和Benjamin Bartelle也是該論文的作者。

檢測電場

Jasanoff的實(shí)驗(yàn)室之前已經(jīng)開發(fā)出可以檢測鈣和神經(jīng)遞質(zhì)(如血清素和多巴胺)的MRI傳感器。在本文中，他們希望擴(kuò)展他們的方法來檢測電力和光的生物物理現(xiàn)象。目前，監(jiān)測大腦中電活動(dòng)的最準(zhǔn)確方法是插入電極，這種電極非常具有侵入性并可能導(dǎo)致組織損傷。腦電圖(EEG)是一種測量大腦電活動(dòng)的非侵入性方法，但這種方法無法確定活動(dòng)的起源。

為了創(chuàng)建能夠以空間精度檢測電磁場的傳感器，研究人員意識到他們可以使用電子設(shè)備 - 特別是微型無線電天線。

MRI通過檢測水中氫原子核發(fā)射的無線電波來工作。這些信號通常由MRI掃描儀內(nèi)的大型無線電天線檢測。在這項(xiàng)研究中，麻省理工學(xué)院的研究小組將無線電天線縮小到幾毫米，這樣它就可以直接植入大腦，接收腦組織中水產(chǎn)生的無線電波。

傳感器最初被調(diào)諧到與氫原子發(fā)射的無線電波相同的頻率。當(dāng)傳感器從組織中拾取電磁信號時(shí)，其調(diào)諧會(huì)發(fā)生變化，傳感器不再與氫原子的頻率相匹配。發(fā)生這種情況時(shí)，當(dāng)外部MRI機(jī)器掃描傳感器時(shí)會(huì)出現(xiàn)較弱的圖像。

研究人員證明，傳感器可以獲取類似于動(dòng)作電位(由單個(gè)神經(jīng)元發(fā)射的電脈沖)或局部場電位(由一組神經(jīng)元產(chǎn)生的電流之和)產(chǎn)生的電信號。

“我們發(fā)現(xiàn)這些裝置對生物尺度電位敏感，大約為毫伏級，與生物組織產(chǎn)生的相當(dāng)，特別是在大腦中，”Jasanoff說。

研究人員在大鼠中進(jìn)行了額外的測試，以研究傳感器是否可以在活腦組織中拾取信號。對于那些實(shí)驗(yàn)，他們設(shè)計(jì)了傳感器來檢測由工程化表達(dá)蛋白質(zhì)熒光素酶的細(xì)胞發(fā)出的光。

研究人員說，通常情況下，熒光素酶的確切位置無法在大腦或其他組織深處確定，因此新的傳感器提供了一種擴(kuò)大熒光素酶有用性的方法，更準(zhǔn)確地確定了發(fā)光的細(xì)胞。熒光素酶通常與另一種感興趣的基因一起被設(shè)計(jì)到細(xì)胞中，允許研究人員通過測量產(chǎn)生的光來確定基因是否已成功摻入。

較小的傳感器

這種傳感器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它不需要攜帶任何類型的電源，因?yàn)橥獠縈RI掃描儀發(fā)出的無線電信號足以為傳感器供電。

Hai將于1月份加入威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的教職員工，他計(jì)劃進(jìn)一步將傳感器小型化，以便能夠注入更多傳感器，從而在更大的腦區(qū)進(jìn)行光或電場成像。在本文中，研究人員進(jìn)行的建模表明，250微米的傳感器(十分之幾毫米)應(yīng)該能夠檢測到大約100毫伏的電活動(dòng)，類似于神經(jīng)動(dòng)作電位中的電流量。

Jasanoff的實(shí)驗(yàn)室有興趣使用這種類型的傳感器來檢測大腦中的神經(jīng)信號，他們設(shè)想它還可以用于監(jiān)測身體其他部位的電磁現(xiàn)象，包括肌肉收縮或心臟活動(dòng)。

“如果傳感器的數(shù)量級達(dá)數(shù)百微米，這就是建模所暗示的未來這項(xiàng)技術(shù)，那么你可以想象拿一個(gè)注射器并分發(fā)一大堆它們就把它們放在那里，”Jasanoff說道。 。“這樣做可以通過將傳感器分布在整個(gè)組織上來提供許多本地讀數(shù)。”