Es uno de los materiales más puros y versátiles del mundo, con usos en todo, desde joyería hasta abrasivos industriales y ciencia cuántica. Pero un grupo de científicos de Harvard ha descubierto un nuevo uso para los diamantes:rastrear señales neuronales en el cerebro.

Usando defectos cuánticos a escala atómica en diamantes conocidos como centros de nitrógeno vacante (NV) para detectar el campo magnético generado por señales neuronales, científicos que trabajan en el laboratorio de Ronald Walsworth, miembro de la facultad del Departamento de Física y Ciencias del Cerebro de Harvard, demostró una técnica no invasiva que puede obtener imágenes de la actividad de las neuronas.

El trabajo fue descrito en un artículo reciente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , y se realizó en colaboración con los miembros de la facultad de Harvard Mikhail (Misha) Lukin y Hongkun Park.

"La idea de utilizar centros NV para detectar campos magnéticos de neuronas comenzó con el trabajo inicial de Ron Walsworth y Misha Lukin hace unos 10 años, pero durante mucho tiempo nuestros cálculos del reverso del sobre hicieron que pareciera que los campos serían demasiado pequeños para detectarlos, y la tecnología aún no estaba allí, "dijo Jennifer Schloss, un doctorado estudiante y coautor del estudio.

"Este documento es realmente el primer paso para demostrar que la medición de campos magnéticos de neuronas individuales se puede realizar de forma escalable, ", dijo el estudiante de doctorado y coautor Matthew Turner." Queríamos ser capaces de modelar las características de la señal, y decir, basado en la teoría, "Esto es lo que esperamos ver". Nuestros resultados experimentales fueron consistentes con estas expectativas. Esta capacidad de predicción es importante para comprender las redes neuronales más complicadas ".

En el corazón del sistema desarrollado por Schloss y Turner, junto con el científico postdoctoral John Barry, es una diminuta oblea de diamante de tan solo 4 por 4 milímetros cuadrados y medio milímetro de grosor, impregnada con billones de centros NV.

El sistema funciona Schloss y Turner explicaron:porque los campos magnéticos generados por señales que viajan en una neurona interactúan con los electrones en los centros NV, cambiando sutilmente su estado cuántico de "espín". La oblea de diamante se baña en microondas, que pone a los electrones NV en una mezcla de dos estados de espín. Luego, un campo magnético de neuronas provoca un cambio en la fracción de espines en uno de los dos estados. Usando un láser restringido al diamante, los investigadores pueden detectar esta fracción, leer la señal neuronal como una imagen óptica, sin que entre luz en la muestra biológica.

Además de demostrar que el sistema funciona para neuronas disecadas, Schloss, Tornero, y Barry mostró que los sensores NV podrían usarse para detectar la actividad neuronal en vivo, gusanos marinos intactos.

"Nos dimos cuenta de que podíamos poner todo el animal en el sensor y seguir detectando la señal, por lo que es completamente no invasivo "Dijo Turner." Esa es una de las razones por las que el uso de campos magnéticos ofrece una ventaja sobre otros métodos. Si mide señales basadas en voltaje o luz de manera tradicional, El tejido biológico puede distorsionar esas señales. Con campos magnéticos, aunque la señal se hace más pequeña con la distancia de separación, la información se conserva ".

Schloss, Tornero, y Barry también pudieron demostrar que las señales neuronales viajaban más lentamente desde la cola del gusano hasta la cabeza que de la cabeza a la cola. y sus mediciones de campo magnético coincidieron con las predicciones de esta diferencia en la velocidad de conducción.

Si bien el estudio demuestra que los centros NV se pueden utilizar para detectar señales neuronales, Turner dijo que los experimentos iniciales fueron diseñados para abordar el enfoque más accesible al problema, utilizando neuronas robustas que producen campos magnéticos especialmente grandes. El equipo ya está trabajando para perfeccionar aún más el sistema, con miras a mejorar su sensibilidad y buscar aplicaciones a problemas fronterizos en neurociencia. Para detectar señales de neuronas de mamíferos más pequeños, Schloss explicó, pretenden implementar un esquema de magnetometría pulsada para obtener hasta 300 veces mejor sensibilidad por volumen. El siguiente paso, dijo Turner, está implementando un sistema de imágenes de alta resolución con la esperanza de producir en tiempo real, imágenes ópticas de neuronas mientras se disparan.

"Estamos analizando redes de imágenes de neuronas durante períodos prolongados, hasta días, ", dijo Schloss." Esperamos usar esto para comprender no solo la conectividad física entre neuronas, sino la conectividad funcional:cómo se propagan realmente las señales para informar cómo operan los circuitos neuronales a largo plazo ".

“Ninguna herramienta que existe hoy en día puede decirnos todo lo que queremos saber sobre la actividad neuronal o aplicarse a todos los sistemas de interés, ", Dijo Turner." Esta tecnología de diamantes cuánticos establece una nueva dirección para abordar algunos de estos desafíos. La obtención de imágenes de campos magnéticos de neuronas es un área en gran parte inexplorada debido a limitaciones tecnológicas anteriores ".

La esperanza, Schloss dijo:es que la herramienta algún día podría encontrar un hogar en los laboratorios de investigadores biomédicos o cualquier persona interesada en comprender la actividad cerebral.

"Queremos entender el cerebro desde el nivel de una sola neurona hasta arriba, por lo que imaginamos que esto podría convertirse en una herramienta útil tanto en los laboratorios de biofísica como en los estudios médicos, ", dijo." Es no invasivo y rápido, y la lectura óptica podría permitir una variedad de aplicaciones, desde el estudio de enfermedades neurodegenerativas hasta el seguimiento de la administración de fármacos en tiempo real ".

Walsworth acredita el liderazgo de Josh Sanes, el Director de la Familia Paul J. Finnegan del centro, y Kenneth Blum, director ejecutivo, por permitir esta aplicación biológica de la tecnología de diamantes cuánticos. "El liderazgo del Center for Brain Science proporcionó el espacio de laboratorio esencial y una bienvenida, comunidad interdisciplinaria, ", dijo." Este entorno especial permite a los científicos e ingenieros físicos traducir la tecnología cuántica en neurociencia ".

Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, Periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para noticias universitarias adicionales, visite Harvard.edu.