用MRI监测大脑中的电磁信号

研究人员通常通过监测两种类型的电磁场 - 电场和光来研究大脑功能。然而，大多数测量大脑中这些现象的方法都是非常具有侵入性的。

麻省理工学院的工程师现在已经设计出一种新技术，可以使用微创传感器检测大脑中的电活动或光信号，从而进行磁共振成像(MRI)。

MRI通常用于测量间接代表大脑活动的血流变化，但MIT团队设计了一种新型MRI传感器，可以检测微小的电流以及发光蛋白产生的光。(电脉冲来自大脑的内部通信，光学信号可以由化学家和生物工程师开发的各种分子产生。)

“MRI提供了一种以微创方式从身体外部感知事物的方法，”麻省理工学院博士后和该研究的第一作者Aviad Hai说。“它不需要有线连接到大脑。我们可以植入传感器并将其留在那里。”

这种传感器可以为神经科学家提供一种空间精确的方法来确定大脑中的电活动。研究人员表示，它还可用于测量光线，并可用于测量葡萄糖等化学物质。

麻省理工学院生物工程，脑与认知科学，核科学与工程学教授，麻省理工学院麦戈文脑研究所的副教授艾伦·亚萨诺夫是该论文的高级作者，该论文发表在10月22日的自然生物医学工程。Postdocs Virginia Spanoudaki和Benjamin Bartelle也是该论文的作者。

检测电场

Jasanoff的实验室之前已经开发出可以检测钙和神经递质(如血清素和多巴胺)的MRI传感器。在本文中，他们希望扩展他们的方法来检测电力和光的生物物理现象。目前，监测大脑中电活动的最准确方法是插入电极，这种电极非常具有侵入性并可能导致组织损伤。脑电图(EEG)是一种测量大脑电活动的非侵入性方法，但这种方法无法确定活动的起源。

为了创建能够以空间精度检测电磁场的传感器，研究人员意识到他们可以使用电子设备 - 特别是微型无线电天线。

MRI通过检测水中氢原子核发射的无线电波来工作。这些信号通常由MRI扫描仪内的大型无线电天线检测。在这项研究中，麻省理工学院的研究小组将无线电天线缩小到几毫米，这样它就可以直接植入大脑，接收脑组织中水产生的无线电波。

传感器最初被调谐到与氢原子发射的无线电波相同的频率。当传感器从组织中拾取电磁信号时，其调谐会发生变化，传感器不再与氢原子的频率相匹配。发生这种情况时，当外部MRI机器扫描传感器时会出现较弱的图像。

研究人员证明，传感器可以获取类似于动作电位(由单个神经元发射的电脉冲)或局部场电位(由一组神经元产生的电流之和)产生的电信号。

“我们发现这些装置对生物尺度电位敏感，大约为毫伏级，与生物组织产生的相当，特别是在大脑中，”Jasanoff说。

研究人员在大鼠中进行了额外的测试，以研究传感器是否可以在活脑组织中拾取信号。对于那些实验，他们设计了传感器来检测由工程化表达蛋白质荧光素酶的细胞发出的光。

研究人员说，通常情况下，荧光素酶的确切位置无法在大脑或其他组织深处确定，因此新的传感器提供了一种扩大荧光素酶有用性的方法，更准确地确定了发光的细胞。荧光素酶通常与另一种感兴趣的基因一起被设计到细胞中，允许研究人员通过测量产生的光来确定基因是否已成功掺入。

较小的传感器

这种传感器的一个主要优点是它不需要携带任何类型的电源，因为外部MRI扫描仪发出的无线电信号足以为传感器供电。

Hai将于1月份加入威斯康星大学麦迪逊分校的教职员工，他计划进一步将传感器小型化，以便能够注入更多传感器，从而在更大的脑区进行光或电场成像。在本文中，研究人员进行的建模表明，250微米的传感器(十分之几毫米)应该能够检测到大约100毫伏的电活动，类似于神经动作电位中的电流量。

Jasanoff的实验室有兴趣使用这种类型的传感器来检测大脑中的神经信号，他们设想它还可以用于监测身体其他部位的电磁现象，包括肌肉收缩或心脏活动。

“如果传感器的数量级达数百微米，这就是建模所暗示的未来这项技术，那么你可以想象拿一个注射器并分发一大堆它们就把它们放在那里，”Jasanoff说道。 。“这样做可以通过将传感器分布在整个组织上来提供许多本地读数。”