È uno dei materiali più puri e versatili al mondo, con usi in tutto, dalla gioielleria agli abrasivi industriali alla scienza quantistica. Ma un gruppo di scienziati di Harvard ha scoperto un nuovo uso dei diamanti:tracciare i segnali neurali nel cervello.

Utilizzando difetti quantistici su scala atomica nei diamanti noti come centri di azoto vacante (NV) per rilevare il campo magnetico generato dai segnali neurali, scienziati che lavorano nel laboratorio di Ronald Walsworth, un membro della facoltà del Center for Brain Science and Physics di Harvard, ha dimostrato una tecnica non invasiva in grado di visualizzare l'attività dei neuroni.

Il lavoro è stato descritto in un recente articolo nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , ed è stato eseguito in collaborazione con i membri della facoltà di Harvard Mikhail (Misha) Lukin e Hongkun Park.

"L'idea di utilizzare i centri NV per rilevare i campi magnetici dei neuroni è iniziata con il lavoro iniziale di Ron Walsworth e Misha Lukin circa 10 anni fa, ma per molto tempo i nostri calcoli retrospettivi hanno fatto sembrare che i campi sarebbero stati troppo piccoli per essere rilevati, e la tecnologia non c'era ancora, " ha detto Jennifer Schloss, un dottorato di ricerca studente e coautore dello studio.

"Questo documento è davvero il primo passo per dimostrare che la misurazione dei campi magnetici dei singoli neuroni può essere eseguita in modo scalabile, " ha detto il dottorando e co-autore Matthew Turner. "Volevamo essere in grado di modellare le caratteristiche del segnale, e dire, basata sulla teoria, "Questo è quello che ci aspettiamo di vedere." I nostri risultati sperimentali erano coerenti con queste aspettative. Questa capacità predittiva è importante per comprendere reti neuronali più complicate".

Al centro del sistema sviluppato da Schloss e Turner, insieme allo scienziato post-dottorato John Barry, è un minuscolo wafer di diamante impregnato di trilioni di centri NV, di soli 4 x 4 millimetri quadrati e mezzo millimetro di spessore.

Il sistema funziona, Schloss e Turner hanno spiegato, perché i campi magnetici generati dai segnali che viaggiano in un neurone interagiscono con gli elettroni nei centri NV, cambiando sottilmente il loro stato di "spin" quantistico. Il wafer di diamante è immerso nelle microonde, che mettono gli elettroni NV in una miscela di due stati di spin. Un campo magnetico neuronale provoca quindi un cambiamento nella frazione di spin in uno dei due stati. Usando un laser vincolato al diamante, i ricercatori possono rilevare questa frazione, leggendo il segnale neurale come un'immagine ottica, senza che la luce entri nel campione biologico.

Oltre a dimostrare che il sistema funziona per neuroni sezionati, castello, Turner, e Barry hanno dimostrato che i sensori NV potrebbero essere utilizzati per rilevare l'attività neurale in tempo reale, vermi marini intatti.

"Ci siamo resi conto che potevamo semplicemente mettere l'intero animale sul sensore e ancora rilevare il segnale, quindi è completamente non invasivo, "Ha detto Turner. "Questo è uno dei motivi per cui l'uso dei campi magnetici offre un vantaggio rispetto ad altri metodi. Se si misurano segnali basati sulla tensione o sulla luce in modi tradizionali, il tessuto biologico può distorcere quei segnali. Con campi magnetici, anche se il segnale diventa più piccolo con la distanza di stand-off, le informazioni sono conservate."

castello, Turner, e Barry furono anche in grado di dimostrare che i segnali neurali viaggiavano più lentamente dalla coda del verme alla sua testa che dalla testa alla coda, e le loro misurazioni del campo magnetico corrispondevano alle previsioni di questa differenza nella velocità di conduzione.

Mentre lo studio dimostra che i centri NV possono essere utilizzati per rilevare i segnali neurali, Turner ha affermato che gli esperimenti iniziali erano progettati per affrontare l'approccio più accessibile al problema, utilizzando neuroni robusti che producono campi magnetici particolarmente grandi. Il team sta già lavorando per perfezionare ulteriormente il sistema, con l'obiettivo di migliorare la sua sensibilità e perseguire applicazioni a problemi di frontiera nelle neuroscienze. Per rilevare i segnali dei neuroni dei mammiferi più piccoli, Schloss ha spiegato, intendono implementare uno schema di magnetometria pulsata per realizzare una sensibilità per volume fino a 300 volte migliore. Il prossimo passo, disse Turner, sta implementando un sistema di imaging ad alta risoluzione nella speranza di produrre in tempo reale, immagini ottiche dei neuroni mentre si attivano.

"Stiamo esaminando le reti di imaging dei neuroni per lunghi periodi, fino a giorni, " ha detto Schloss. "Speriamo di usare questo per capire non solo la connettività fisica tra i neuroni, ma la connettività funzionale, il modo in cui i segnali si propagano effettivamente per informare sul funzionamento dei circuiti neurali a lungo termine".

"Nessuno strumento esistente oggi può dirci tutto ciò che vogliamo sapere sull'attività neuronale o essere applicato a tutti i sistemi di interesse, "Ha detto Turner. "Questa tecnologia del diamante quantistico traccia una nuova direzione per affrontare alcune di queste sfide. L'imaging dei campi magnetici dei neuroni è un'area in gran parte inesplorata a causa delle precedenti limitazioni tecnologiche".

La speranza, Schloss ha detto, è che lo strumento potrebbe un giorno trovare una casa nei laboratori dei ricercatori biomedici o di chiunque sia interessato a comprendere l'attività cerebrale.

"Vogliamo capire il cervello dal livello del singolo neurone fino in fondo, quindi immaginiamo che questo possa diventare uno strumento utile sia nei laboratori di biofisica che negli studi medici, " ha detto. "Non è invasivo e veloce, e la lettura ottica potrebbe consentire una varietà di applicazioni, dallo studio delle malattie neurodegenerative al monitoraggio della somministrazione dei farmaci in tempo reale".

Walsworth attribuisce la leadership di Josh Sanes, il Direttore della Famiglia Paul J. Finnegan del centro, e Kenneth Blum, direttore esecutivo, per consentire questa applicazione biologica della tecnologia del diamante quantistico. "La leadership del Center for Brain Science ha fornito lo spazio di laboratorio essenziale e un ambiente accogliente, comunità interdisciplinare, " ha detto. "Questo ambiente speciale consente agli scienziati fisici e agli ingegneri di tradurre la tecnologia quantistica in neuroscienze".

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.