Как увидеть потенциал действия на МРТ

Инженеры из Массачусетского технологического института создали малоинвазивный датчик для МРТ-исследований, который требует однократного вживления и реагирует на электрическую активность мозга, а также на люминесценцию веществ тканях. В статье в Nature Biomedical Engineering представлены устройство и пути использования датчика, а также результаты эксперимента in vivo и in vitro.

Credit:MIT

Новый датчик диаметром в три миллиметра может улавливать и едва заметный электрический ток, и свет от люминесцирующих белков: ток появляется при передаче сигнала между клетками, а свет может исходить от специальных молекул, созданных химиками и биоинженерами.

Ранее ученые уже разработали датчики, реагирующие на кальций и нейромедиаторы – серотонин и дофамин. Сейчас же они хотят расширить возможности своего датчика, чтобы он регистрировал электричество и свет. На сегодняшний день самые точные данные по электрической активности мозга можно получить путем вживления электродов, но в этом случае высок риск повреждения тканей, а электроэнцефалография (ЭЭГ) не позволяет определить, откуда конкретно идет сигнал.

Принцип работы датчика, который получил название ImpACT (Implantable ACTive coil-based transducers — имплантируемый активный трансдуктор, работающий на основе катушки) заключается в следующем: пока в контур датчика, построенного по принципу электрической катушки, не попадает электромагнитный сигнал, датчик настроен на радиочастоту магнитного резонанса атома водорода и «включен», но как только сигнал появляется – катушка «исчезает» из поля зрения МРТ.

Принцип работы датчика

Датчики могут улавливать электрические сигналы как и от отдельных нейронов в виде потенциалов действия, так и от групп клеток в виде локальных потенциалов.

«Датчики реагируют на биологические потенциалы порядка милливольт– то есть на те, что генерируются в биологических тканях, особенно в мозге», — объясняет Алан Джасанов, руководитель научной группы.

Стоит отметить еще одно важное достоинство изобретения: датчик не требует дополнительной подзарядки, поскольку его питает энергия магнитного поля томографа.

Чтобы понять, будет ли этот датчик воспринимать сигналы в живых тканях, исследователи провели дополнительные эксперименты на крысах. Специально для этого инженеры спроектировали датчики, которые реагируют на свет, исходящий от фермента люциферазы.

Люцифераза – фермент, катализирующий реакцию окисления с испусканием  биолюминесценции (например, люцифераза «светится» в светлячках). При успешном встраивании и экспрессии гена этого белка клетками испускается свет – его-то и должен будет уловить новый датчик. Обычными методами чаще всего невозможно установить точное местоположение люминесценции белков, если она находится глубоко в тканях. Новый датчик решает эту проблему.

Схема эксперимента на крысах

В дальнейших планах инженеров — еще сильнее уменьшить датчики, ведь тогда их можно будет вживлять в большем количестве и тем самым охватывать все больше участков головного мозга. Датчик размером в 250 микрон должен будет улавливать электрические сигналы порядка 100 милливольт – примерно такова величина нейронного потенциала действия.

Возможно, в будущем ученые смогут использовать датчик не только для изучения работы головного мозга, но и для исследования активности сердца или скелетных мышц.

Текст: Морозова Анна

Aviad Hai, Virginia Ch. Spanoudaki, Benjamin B. Bartelle, Alan Jasanoff. Wireless resonant circuits for the minimally invasive sensing of biophysical processes in magnetic resonance imaging. Nature Biomedical Engineering, 2018; DOI: 10.1038/s41551-018-0309-8

«Пассивный режим работы мозга» включается еще до рождения

Изучать активность головного мозга плода очень интересно: ведь ребёнок рождается уже с полностью функционирующим мозгом, и выяснить, как формируются те или иные нейронные сети во…

«Нейронауке без клиницистов не разобраться в шизофрении»

Несколько месяцев назад российская научная группа молекулярных биологов и психиатров получила грант Российского научного фонда. Новый проект будет посвящен исследованию такого сильно мифологизированного заболевания, как…

Виртуальная модель мозга предскажет исход нейрохирургического лечения

Используя открытую платформу, называемую «Виртуальный мозг», международная команда исследователей симулировала нервную активность, взяв данные об опухолях мозга отдельных пациентов. Результаты, опубликованные в eNeuro, представляют собой первый шаг…

Гнев и радость на томограмме

Про чтение мыслей при помощи МРТ или электроэнцефалографии не писал только ленивый. Действительно, было много работ, на которых, например, компьютер по электроэнцефалографии мог определить, на…

Ещё лучше: исследователи усовершенствовали 7-тесловый МР-томограф

В Университете Питтсбурга запустили Радиочастотный исследовательский центр, благодаря которому радиологи получат в руки ещё более безопасный и усовершенствованный 7-тесловый магнитно-резонансный томограф. Учёные уже оптимизировали головную…

Женщина подарила учёным цифровой атлас мозга

Картирование мозга сейчас в мире осуществляется во многих институтах и разными коллаборациями. Эд Лейн (Ed Lein) и его коллеги из Института Аллена по изучению мозга…