Första lasermätningar av magnetfält hos enskilda nerver

Biologer har känt till att nerver producerar och reagerar på elektriska signaler sedan 1700-talet, då Luigi Galvani upptäckte att musklerna i en grodben rycker när de stimuleras av en gnista.

Den systematiska studien av de elektriska signaler som nerver producerar fick dock vänta till början av 1900-talet för utvecklingen av känslig elektrisk inspelningsutrustning som katodstråleoscilloskopet.

Denna utveckling revolutionerade förståelsen av nervfunktionen. Det sätt på vilket nerver leder signaler kan vara en kraftfull indikator för sjukdomar som multipel skleros och kan till och med upptäcka vissa typer av berusning.

Och ändå har metoden vissa nackdelar. Till exempel är mätning av elektriska signaler i nerver genom att sätta in en nålliknande elektrod något invasivt, och bara handlingen att fästa en elektrod på en nerv kan förändra signalen, vilket gör resultaten svåra att tolka. Så neuroforskare har länge hoppats på en icke-invasiv teknik som skulle kunna göra jobbet istället.

Det kan vara på väg att hända tack vare Kasper Jensens arbete vid Köpenhamns universitet i Danmark och några kompisar som har utvecklat ett sätt att enkelt mäta de magnetiska fält som är associerade med elektriska signaler i nerver. Tekniken kan bana väg för en ny generation av diagnostiska verktyg för att upptäcka sjukdomar kopplade till nervfunktion och för att förstå nervernas grundläggande funktion.

Först några grunder. När en nerv avfyras sänder den en elektrisk signal som kallas aktionspotential längs dess längd. Denna elektriska puls genererar också ett magnetfält. Forskare har kunnat mäta denna puls sedan 1980-talet med hjälp av SQUID-magnetometrar som noggrant måste kylas till supraledande temperaturer.

Den avkännande delen av enheten är en liten spole genom vilken nerven måste löpa. Så denna teknik kan inte användas för in vivo-mätning. Och även om dessa enheter har blivit mer praktiska, är de fortfarande beroende av supraledande teknologi som är kostsam att översätta till en klinisk miljö.

Så ett sätt att mäta dessa magnetiska fält på avstånd och vid rumstemperatur skulle vara oerhört användbart. Och det är precis vad Jensen och co har gjort.

De här killarna har byggt en sensor som använder en laserstråle för att upptäcka effekten av ett magnetfält på gasformiga cesiumatomer, som polariserar ljus när de magnetiseras. Så kallade optiska magnetometrar är enormt kraftfulla enheter som begränsas i känslighet endast av kvanteffekter som ljusets kvantskottsljud.

Det är viktigt eftersom det, åtminstone i teorin, tillåter dem att upptäcka fält som är associerade med nerver på ett avstånd av flera millimeter. Så de kan sitta utanför kroppen medan de mäter ett fält som produceras inuti den.

Det finns en annan viktig fördel. Optiska magnetometrar fungerar utmärkt i rumstemperatur och ännu bättre och kroppstemperatur. Sensorerna är också små - bara några millimeter i diameter - så de är idealiska för kliniska miljöer. De har faktiskt använts vid olika tillfällen för just detta ändamål.

Men hittills har dessa kliniska enheter aldrig fungerat vid kvantgränsen och har därför inte varit tillräckligt känsliga för att upptäcka fälten från individuella nervfibrer.

Genombrottet som Jensen och co har uppnått är att för första gången använda en optisk magnetometer vid kvantgränsen vid rumstemperatur i denna biologiska miljö.

Jensen och co testade enheten genom att känna av de magnetiska fälten som genereras av grodas ischiasnerver på några millimeters avstånd. Detta fält visar sig vara i området för några få picoTesla men sub-picoTesla mätningar är möjliga. Som jämförelse är jordens magnetfält cirka tre storleksordningar starkare.

Enheten kan arbeta kontinuerligt vilket gjorde det möjligt för teamet att mäta formen på magnetfältet som genereras av nerven när den stimuleras. Vi har utfört icke-invasiv detektering av nervimpulser från grodans ischiasnerv genom att mäta det magnetiska fältet som genereras av nerven med en rumstemperatursensor med nästan kvantbegränsad känslighet, säger Jensen och co.

Det är intressant arbete som kommer att ha viktiga tillämpningar inom medicinsk diagnostik. Magnetometern [är] perfekt för medicinsk diagnostik inom fysiologiska/kliniska områden som kardiografi av foster, synaptiska svar i näthinnan och magnetoencefalografi, säger teamet.

Det kommer säkert inte att dröja länge innan det här laget, eller något annat, börjar göra just den här typen av mätningar i mänskliga ämnen. Så det är bara möjligt att denna utveckling kommer att ha en liknande inverkan på studiet av nervledning som utvecklingen av känslig elektrisk inspelningsutrustning på 1920-talet.

Ref:arxiv.org/abs/1601.03273: Icke-invasiv detektering av djurens nervimpulser med en atommagnetometer som arbetar nära kvantbegränsad känslighet

Dölj