I ricercatori studiano comunemente la funzione cerebrale monitorando due tipi di elettromagnetismo:i campi elettrici e la luce. Però, la maggior parte dei metodi per misurare questi fenomeni nel cervello sono molto invasivi.

Gli ingegneri del MIT hanno ora ideato una nuova tecnica per rilevare l'attività elettrica o i segnali ottici nel cervello utilizzando un sensore minimamente invasivo per la risonanza magnetica (MRI).

La risonanza magnetica viene spesso utilizzata per misurare i cambiamenti nel flusso sanguigno che rappresentano indirettamente l'attività cerebrale, ma il team del MIT ha ideato un nuovo tipo di sensore MRI in grado di rilevare minuscole correnti elettriche, così come la luce prodotta da proteine ​​luminescenti. (Gli impulsi elettrici derivano dalle comunicazioni interne del cervello, e i segnali ottici possono essere prodotti da una varietà di molecole sviluppate da chimici e bioingegneri.)

"La risonanza magnetica offre un modo per percepire le cose dall'esterno del corpo in modo minimamente invasivo, "dice Aviad Hai, un postdoc del MIT e l'autore principale dello studio. "Non richiede una connessione cablata nel cervello. Possiamo impiantare il sensore e lasciarlo lì".

Questo tipo di sensore potrebbe fornire ai neuroscienziati un modo spazialmente accurato per individuare l'attività elettrica nel cervello. Può essere utilizzato anche per misurare la luce, e potrebbe essere adattato per misurare sostanze chimiche come il glucosio, dicono i ricercatori.

Alan Jasanoff, un professore di ingegneria biologica del MIT, cervello e scienze cognitive, e la scienza e l'ingegneria nucleare, e membro associato del McGovern Institute for Brain Research del MIT, è l'autore senior del documento, che appare nel numero del 22 ottobre di Ingegneria biomedica della natura . Anche i postdoc Virginia Spanoudaki e Benjamin Bartelle sono autori del documento.

Rilevamento di campi elettrici

Il laboratorio di Jasanoff ha precedentemente sviluppato sensori MRI in grado di rilevare calcio e neurotrasmettitori come serotonina e dopamina. In questo documento, volevano espandere il loro approccio alla rilevazione di fenomeni biofisici come l'elettricità e la luce. Attualmente, il modo più accurato per monitorare l'attività elettrica nel cervello è inserire un elettrodo, che è molto invasivo e può causare danni ai tessuti. L'elettroencefalografia (EEG) è un metodo non invasivo per misurare l'attività elettrica nel cervello, ma questo metodo non può individuare l'origine dell'attività.

Per creare un sensore in grado di rilevare i campi elettromagnetici con precisione spaziale, i ricercatori si sono resi conto che potevano utilizzare un dispositivo elettronico, in particolare, una minuscola antenna radio.

La risonanza magnetica funziona rilevando le onde radio emesse dai nuclei degli atomi di idrogeno nell'acqua. Questi segnali vengono generalmente rilevati da una grande antenna radio all'interno di uno scanner MRI. Per questo studio, il team del MIT ha ridotto l'antenna radio a pochi millimetri di dimensione in modo che potesse essere impiantata direttamente nel cervello per ricevere le onde radio generate dall'acqua nel tessuto cerebrale.

Il sensore è inizialmente sintonizzato sulla stessa frequenza delle onde radio emesse dagli atomi di idrogeno. Quando il sensore rileva un segnale elettromagnetico dal tessuto, la sua sintonia cambia e il sensore non corrisponde più alla frequenza degli atomi di idrogeno. Quando questo accade, un'immagine più debole si verifica quando il sensore viene scansionato da una macchina per risonanza magnetica esterna.

I ricercatori hanno dimostrato che i sensori possono captare segnali elettrici simili a quelli prodotti dai potenziali d'azione (gli impulsi elettrici sparati dai singoli neuroni), o potenziali di campo locali (la somma delle correnti elettriche prodotte da un gruppo di neuroni).

"Abbiamo dimostrato che questi dispositivi sono sensibili ai potenziali su scala biologica, nell'ordine dei millivolt, che sono paragonabili a ciò che il tessuto biologico genera, soprattutto nel cervello, " dice Jasanoff.

I ricercatori hanno eseguito ulteriori test sui ratti per studiare se i sensori potessero captare segnali nel tessuto cerebrale vivente. Per quegli esperimenti, hanno progettato i sensori per rilevare la luce emessa dalle cellule progettate per esprimere la proteina luciferasi.

Normalmente, la posizione esatta della luciferasi non può essere determinata quando si trova in profondità nel cervello o in altri tessuti, quindi il nuovo sensore offre un modo per espandere l'utilità della luciferasi e individuare più precisamente le cellule che emettono luce, dicono i ricercatori. La luciferasi è comunemente ingegnerizzata nelle cellule insieme a un altro gene di interesse, consentendo ai ricercatori di determinare se i geni sono stati incorporati con successo misurando la luce prodotta.

Sensori più piccoli

Uno dei principali vantaggi di questo sensore è che non ha bisogno di trasportare alcun tipo di alimentazione, perché i segnali radio emessi dallo scanner MRI esterno sono sufficienti per alimentare il sensore.

ciao, che entrerà a far parte della facoltà dell'Università del Wisconsin a Madison a gennaio, prevede di miniaturizzare ulteriormente i sensori in modo che possano essere iniettati di più, consentendo l'imaging di campi luminosi o elettrici su un'area cerebrale più ampia. In questo documento, i ricercatori hanno eseguito modelli che hanno mostrato che un sensore da 250 micron (pochi decimi di millimetro) dovrebbe essere in grado di rilevare un'attività elettrica dell'ordine di 100 millivolt, simile alla quantità di corrente in un potenziale d'azione neurale.

Il laboratorio di Jasanoff è interessato a utilizzare questo tipo di sensore per rilevare i segnali neurali nel cervello, e prevedono che potrebbe essere utilizzato anche per monitorare i fenomeni elettromagnetici in altre parti del corpo, comprese le contrazioni muscolari o l'attività cardiaca.

"Se i sensori fossero dell'ordine di centinaia di micron, che è ciò che la modellazione suggerisce è in futuro per questa tecnologia, quindi potresti immaginare di prendere una siringa e distribuirne un intero gruppo e lasciarli lì, " Dice Jasanoff. "Ciò che farebbe è fornire molte letture locali avendo sensori distribuiti su tutto il tessuto".