В Дании придумали щадящий метод исследования мозга с помощью алмаза

Исследование европейских учёных показало, что высокочувствительные сенсоры, основанные на центрах окраски в алмазе, можно использовать для регистрации электрической активности нейронов в живой ткани мозга.


Центры окраски существуют в кристаллах вообще, и в алмазах в частности. Поясним, что состоящий в основном из углерода природный алмаз в разные цвета окрашивают посторонние влияния или атомы, например, бора или азота. А центрами окраски в кристаллической решётке алмаза называют атомы таких примесей в связке с вакантными участками, где нет атома углерода. Иными словами, центры окраски — это изъяны с определёнными свойствами в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например, азота или другого элемента, в кристаллической решетке и одной или нескольких вакансий, то есть отсутствующих атомов углерода. Поскольку эти центры мы здесь упомянем ещё не раз, сократим их до ЦОА.

А теперь о головном мозге. Ещё до проявления симптомов неврологических заболеваний, в том числе деменции, в тканях мозга, как правило, уже произошли некие изменения. Предположим, при этом некоторые участки мозга меняются или в них нежелательным образом накапливаются белки. Столь, казалось бы, небольшие изменения способны оказать влияние на то, как клетки головного мозга передают друг другу сигналы, как они взаимодействуют и как идёт обработка и запоминание информации.

Исследователи в области медицины стремятся изучать такие перемены на самых ранних этапах неврологических заболеваний. Цель — как можно больше узнать об истоках недуга для выбора более эффективной терапии.

На сегодняшний день для изучения особенностей мозга обычно идут одним из двух путей. Первый — оптическое исследование образцов ткани подопытных животных или умерших пациентов, которые при жизни страдали интересующим специалиста заболеванием. Второй подход — измерять сигналы, идущие от нервных клеток, с помощью проводов, окрашивания или света.

Однако у обеих базовых методик есть свои ограничения: угроза повреждения тканей или искажения изучаемых сигналов. Кроме того, некоторые сигналы от нервных клеток, важные для диагностики того или иного заболевания, бывает вообще трудно измерить.

Учёные из нескольких европейских вузов отыскали способ измерения таких сигналов, не прикасаясь к тканям мозга и не втыкая в него никаких зондов. Они додумались измерять слабые магнитные поля, генерируемые нервными клетками при взаимодействии. В своём открытии исследователи опирались на ту истину, что магнитное поле проходит через ткань мозга, ничего в нём не изменяя. Руководил проектом соавтор исследования Александр Хак, доцент кафедры физики Датского технического университета (DTU).

В самой идее измерять магнитные поле, порождаемые организмом, нет ничего революционного. Но для этого, как правило, требовалось тяжеловесное оборудование с криогенным охлаждением. То есть традиционные методы исследований не годились для изучения проб живых тканей, а для исследования головного мозга не подходили и подавно.

Коллектив учёных под эгидой DTU пришёл к использованию специально допущенных дефектов в кристаллах искусственного алмаза, то есть ЦОА, о которых мы неспроста писали выше. Особенность ЦОА заключается в способности поглощать свет, а при высвобождении энергии — излучать его.

Александр Хак рассказал, что если магнитное поле увеличивается или уменьшается, оно будет колебаться немного быстрее или чуть медленнее, и учёные могли измерять происходящие изменения по излучению света из ЦОА.

Экспериментальная установка представляла собой камеру сантиметрового масштаба, в которую на изоляцию из фольги помещали фрагмент ткани мышиного мозга. Алмаз вставляли в отверстие на дне, под слои алюминиевой изоляции. Затем зелёный лазер и микроволновую антенну нацеливали прямо в ЦОА, чтобы зарегистрировать исходящее из алмаза излучение. Когда исследователи создавали условия для одновременного срабатывания нервных клеток, нейронов, то могли измерять колебания яркости светового излучения ЦОА.



Ниже — принципиальная схема работы датчика, где зелёный лазерный луч, направленный в ЦОА, позволяет регистрировать магнитное поле, возникающее из потенциалов взаимодействия в срезе ткани мозга, который разместили над алмазом.



Важно добавить, что ни луч лазера, ни микроволны не достигают ткани мозга подопытной мыши. Изменения в магнитном поле при таком подходе можно отслеживать только лишь с помощью ЦОА. Когда нейроны в образце ткани активируются, это создаёт магнитное поле, которое влияет на свет и яркость алмаза, так что учёные могли регистрировать оптический сигнал, объяснил доцент Хак.

Во время опытов исследователи могли различать сигналы от разных типов нервных клеток. Они перепроверили измерения в том числе с помощью традиционной аппаратуры, которой непосредственно касались образца ткани. Они также продемонстрировали, как можно искусственно изменять активность нейронов в ткани с помощью препарата, который блокирует определённые каналы в нервных клетках.

Если довести изобретённый метод до определённого совершенства, с его помощью можно будет обследовать пациентов с подозрением на нейродегенеративные заболевания, сказал в заключение руководитель проекта.