211service.com
Eerste lasermetingen van magnetische velden van enkele zenuwen
Biologen weten dat zenuwen elektrische signalen produceren en erop reageren sinds de 18e eeuw, toen Luigi Galvani ontdekte dat de spieren in het been van een kikker trillen wanneer ze worden gestimuleerd door een vonk.
De systematische studie van de elektrische signalen die zenuwen produceren moest echter wachten tot het begin van de 20e eeuw voor de ontwikkeling van gevoelige elektrische opnameapparatuur zoals de kathodestraaloscilloscoop.
Deze ontwikkeling zorgde voor een revolutie in het begrip van de zenuwfunctie. De manier waarop zenuwen signalen geleiden, kan een krachtige indicator zijn voor ziekten zoals multiple sclerose en kan zelfs bepaalde soorten intoxicatie detecteren.
En toch heeft de methode enkele nadelen. Het meten van elektrische signalen in zenuwen door het inbrengen van een naaldachtige elektrode is bijvoorbeeld enigszins invasief, en alleen al het bevestigen van een elektrode aan een zenuw kan het signaal veranderen, waardoor de resultaten moeilijk te interpreteren zijn. Dus neurowetenschappers hebben lang gehoopt op een niet-invasieve techniek die in plaats daarvan het werk zou kunnen doen.
Dat zou kunnen gebeuren dankzij het werk van Kasper Jensen aan de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken en een paar vrienden die een manier hebben ontwikkeld om gemakkelijk de magnetische velden te meten die verband houden met elektrische signalen in zenuwen. De techniek zou de weg kunnen banen voor een nieuwe generatie diagnostische hulpmiddelen voor het opsporen van ziekten die verband houden met de zenuwfunctie en voor het begrijpen van de basisfunctie van zenuwen.
Eerst wat basis. Wanneer een zenuw vuurt, stuurt het een elektrisch signaal dat een actiepotentiaal wordt genoemd over zijn lengte. Deze elektrische puls wekt ook een magnetisch veld op. Wetenschappers kunnen deze puls sinds de jaren tachtig meten met behulp van SQUID-magnetometers die zorgvuldig moeten worden gekoeld tot supergeleidende temperaturen.
Het voelende deel van het apparaat is een kleine spoel waardoor de zenuw moet lopen. Deze techniek kan dus niet worden gebruikt voor in vivo metingen. En hoewel deze apparaten praktischer zijn geworden, vertrouwen ze nog steeds op supergeleidende technologie, wat kostbaar is om te vertalen naar een klinische omgeving.
Dus een manier om deze magnetische velden op afstand en bij kamertemperatuur te meten, zou enorm nuttig zijn. En dat is precies wat Jensen en co hebben gedaan.
Deze jongens hebben een sensor gebouwd die een laserstraal gebruikt om het effect van een magnetisch veld op gasvormige cesiumatomen te detecteren, die licht polariseren wanneer ze worden gemagnetiseerd. Zogenaamde optische magnetometers zijn enorm krachtige apparaten die alleen in gevoeligheid worden beperkt door kwantumeffecten zoals de kwantumschotruis van licht.
Dat is belangrijk omdat het hen, althans in theorie, in staat stelt om de velden die verband houden met zenuwen op een afstand van enkele millimeters te detecteren. Ze kunnen dus buiten het lichaam zitten terwijl ze een veld meten dat erin wordt geproduceerd.
Er is nog een belangrijk voordeel. Optische magnetometers werken perfect bij kamertemperatuur en nog beter bij lichaamstemperatuur. De sensoren zijn ook klein - slechts een paar millimeter in doorsnee - dus ideaal voor klinische omgevingen. Ze zijn inderdaad bij verschillende gelegenheden voor dit doel gebruikt.
Tot nu toe hebben deze klinische apparaten echter nooit aan de kwantumlimiet gewerkt en waren ze dus niet gevoelig genoeg om de velden van individuele zenuwvezels te detecteren.
De doorbraak die Jensen en co hebben bereikt, is om voor het eerst in deze biologische setting een optische magnetometer op de kwantumlimiet bij kamertemperatuur te laten werken.
Jensen en co testten het apparaat door de magnetische velden te voelen die worden gegenereerd door de heupzenuwen van kikkers van een paar millimeter afstand. Dit veld blijkt in de buurt van enkele picoTesla te liggen, maar sub-picoTesla metingen zijn mogelijk. Ter vergelijking: het magnetisch veld van de aarde is ongeveer drie orden van grootte sterker.
Het apparaat kan continu werken, waardoor het team de vorm van het magnetische veld kon meten dat door de zenuw wordt gegenereerd terwijl deze wordt gestimuleerd. We hebben niet-invasieve detectie van zenuwimpulsen van de heupzenuw van de kikker uitgevoerd door het magnetische veld te meten dat door de zenuw wordt gegenereerd met een kamertemperatuursensor met een bijna kwantumbeperkte gevoeligheid, zeggen Jensen en co.
Dat is interessant werk dat belangrijke toepassingen zal hebben in de medische diagnostiek. De magnetometer [is] perfect voor medische diagnostiek op fysiologische/klinische gebieden zoals cardiografie van foetussen, synaptische reacties in het netvlies en magneto-encefalografie, aldus het team.
Het zal zeker niet lang meer duren voordat dit team, of een ander team, precies dit soort metingen gaat doen bij mensen. Het is dus heel goed mogelijk dat deze ontwikkeling een vergelijkbare impact zal hebben op de studie van zenuwgeleiding als de ontwikkeling van gevoelige elektrische opnameapparatuur in de jaren twintig van de vorige eeuw.
Referentie:arxiv.org/abs/1601.03273: Niet-invasieve detectie van dierlijke zenuwimpulsen met een atomaire magnetometer die in de buurt van Quantum werkt Beperkte gevoeligheid