Pirmie atsevišķu nervu magnētisko lauku lāzera mērījumi

Biologi zināja, ka nervi rada elektriskos signālus un reaģē uz tiem kopš 18. gadsimta, kad Luidži Galvani atklāja, ka vardes kājas muskuļi raustās, ja tos stimulē dzirkstele.

Tomēr sistemātiska nervu radīto elektrisko signālu izpēte bija jāgaida līdz 20. gadsimta sākumam, lai izstrādātu jutīgas elektriskās reģistrācijas iekārtas, piemēram, katodstaru osciloskopu.

Šī attīstība mainīja izpratni par nervu darbību. Veidi, kā nervi vada signālus, var būt spēcīgs indikators tādām slimībām kā multiplā skleroze un var pat noteikt noteiktus intoksikācijas veidus.

Un tomēr metodei ir daži trūkumi. Piemēram, elektrisko signālu mērīšana nervos, ievietojot adatai līdzīgu elektrodu, ir zināmā mērā invazīva, un tikai elektroda pievienošana nervam var mainīt signālu, padarot rezultātus grūti interpretējamus. Tāpēc neirozinātnieki jau sen ir cerējuši uz neinvazīvu paņēmienu, kas varētu veikt šo darbu.

Tas varētu notikt, pateicoties Kaspera Jensena darbam Kopenhāgenas Universitātē Dānijā un dažiem draugiem, kuri ir izstrādājuši veidu, kā viegli izmērīt magnētiskos laukus, kas saistīti ar elektriskajiem signāliem nervos. Šis paņēmiens varētu pavērt ceļu jaunas paaudzes diagnostikas rīkiem ar nervu funkciju saistītu slimību noteikšanai un nervu pamatfunkciju izpratnei.

Pirmkārt, daži pamati. Kad nervs aizdegas, tas visā garumā nosūta elektrisku signālu, ko sauc par darbības potenciālu. Šis elektriskais impulss rada arī magnētisko lauku. Zinātnieki ir spējuši izmērīt šo impulsu kopš 1980. gadiem, izmantojot SQUID magnetometrus, kas rūpīgi jāatdzesē līdz supravadītāja temperatūrai.

Ierīces sensorā daļa ir niecīga spole, caur kuru ir jāiziet nervs. Tāpēc šo metodi nevar izmantot in vivo mērījumiem. Un, lai gan šīs ierīces ir kļuvušas praktiskākas, tās joprojām balstās uz supravadīšanas tehnoloģiju, kuras pārvēršana klīniskā vidē ir dārga.

Tātad veids, kā izmērīt šos magnētiskos laukus no attāluma un istabas temperatūrā, būtu ļoti noderīgs. Un tieši to ir izdarījuši Jensens un citi.

Šie puiši ir izveidojuši sensoru, kas izmanto lāzera staru, lai noteiktu magnētiskā lauka ietekmi uz gāzveida cēzija atomiem, kas polarizē gaismu, kad tie tiek magnetizēti. Tā sauktie optiskie magnetometri ir ļoti jaudīgas ierīces, kuru jutību ierobežo tikai kvantu efekti, piemēram, gaismas kvantu šāviena troksnis.

Tas ir svarīgi, jo vismaz teorētiski tas ļauj noteikt ar nerviem saistītos laukus vairāku milimetru attālumā. Tātad viņi var sēdēt ārpus ķermeņa, vienlaikus mērot tajā radīto lauku.

Ir vēl viena svarīga priekšrocība. Optiskie magnetometri lieliski darbojas istabas temperatūrā un vēl labāk un ķermeņa temperatūrā. Sensori ir arī mazi — tikai daži milimetri —, tāpēc tie ir ideāli piemēroti klīniskiem apstākļiem. Tiešām, tie ir izmantoti dažādos gadījumos tieši šim nolūkam.

Tomēr līdz šim šīs klīniskās ierīces nekad nav strādājušas pie kvantu robežas, un tāpēc tās nav bijušas pietiekami jutīgas, lai noteiktu laukus no atsevišķām nervu šķiedrām.

Izrāviens, ko Jensens un kolēģi ir sasnieguši, ir pirmo reizi šajā bioloģiskajā iestatījumā darbināt optisko magnetometru pie kvantu robežas istabas temperatūrā.

Jensens un kolēģi veica ierīces darbību, dažu milimetru attālumā sajūtot vardes sēžas nervu radītos magnētiskos laukus. Izrādās, ka šis lauks atrodas dažu pikoTesla apgabalā, taču ir iespējami apakšpikoTeslas mērījumi. Salīdzinājumam, Zemes magnētiskais lauks ir par trim lielumiem spēcīgāks.

Ierīce var darboties nepārtraukti, kas ļāva komandai izmērīt nerva radītā magnētiskā lauka formu, kad tas tiek stimulēts. Mēs esam veikuši neinvazīvu nervu impulsu noteikšanu no vardes sēžas nerva, mērot nerva radīto magnētisko lauku ar istabas temperatūras sensoru ar gandrīz kvantiski ierobežotu jutību, saka Jensens un citi.

Tas ir interesants darbs, kam būs svarīgi pielietojumi medicīniskajā diagnostikā. Magnetometrs [ir] lieliski piemērots medicīniskai diagnostikai fizioloģiskās/klīniskās jomās, piemēram, augļa kardiogrāfija, tīklenes sinaptiskās reakcijas un magnetoencefalogrāfija, norāda komanda.

Noteikti nepaies ilgs laiks, kad šī vai cita komanda sāks veikt tieši šāda veida mērījumus cilvēkiem. Tāpēc ir tikai iespējams, ka šai attīstībai būs līdzīga ietekme uz nervu vadītspējas izpēti kā jutīgu elektrisko ierakstīšanas iekārtu attīstībai 20. gadsimta 20. gados.

Atsauce:arxiv.org/abs/1601.03273: Dzīvnieku nervu impulsu neinvazīva noteikšana ar atomu magnetometru, kas darbojas tuvu kvantiski ierobežotai jutībai

paslēpties