Un estudio reciente realizado por científicos europeos muestra que se pueden utilizar sensores altamente sensibles basados en los centros de color de un diamante para registrar la actividad eléctrica de las neuronas en el tejido cerebral vivo. El trabajo está publicado en la revista Scientific Reports .
Antes de que las personas experimenten síntomas de enfermedades cerebrales como la demencia, normalmente ya se han producido ligeros cambios en el tejido cerebral. Puede ser que partes del cerebro se estén hinchando o se estén formando grupos de proteínas. Estos pequeños cambios podrían influir en cómo las células nerviosas del cerebro se envían señales entre sí y se comunican, y en cómo se procesa y memoriza la información.
Los científicos médicos quieren estudiar estos cambios menores que ocurren en las primeras etapas de una enfermedad. De esta manera, la intención es aprender más sobre las causas de la enfermedad para brindar nuevos conocimientos y tratamientos más eficientes. Hoy en día, los estudios microscópicos del cerebro se realizan con una de dos estrategias:inspección óptica de muestras de tejido cerebral de animales o pacientes fallecidos que padecen la enfermedad estudiada o mediciones de las señales de las células nerviosas mediante cables, colorantes o luz. /P>
Estos métodos, sin embargo, tienen algunas limitaciones:pueden dañar el tejido o cambiar las señales. Además, pueden funcionar de manera diferente según el tejido que esté estudiando; Las señales de algunas partes de las células nerviosas implicadas en una enfermedad concreta pueden ser difíciles de medir.
Científicos de DTU, la Universidad de Copenhague, el Hospital Universitario de Copenhague, la Universidad Sorbona y la Universidad de Leipzig han encontrado una manera de medir las señales del tejido cerebral sin tocarlo ni insertar sondas con agujas. Lo hacen midiendo los débiles campos magnéticos que producen las células nerviosas al comunicarse. Para ello aprovecharon el hecho de que el campo magnético atraviesa el tejido sin cambios.
"En general, la idea es que detectar el campo magnético en última instancia no es invasivo. No es necesario insertar electrodos o sondas ni teñir el tejido que desea analizar. Debido a que uno capta el campo magnético inducido, obtiene información sobre la actividad sin insertar un sensor físico en el sistema ni modificarlo de otro modo", afirma Alexander Huck, profesor asociado de DTU Physics, que supervisó el proyecto y es coautor del estudio.
No es nada fundamentalmente nuevo medir campos magnéticos inducidos en el cuerpo humano, pero normalmente requiere un equipo especial que es voluminoso y necesita refrigeración criogénica. Como tal, los métodos tradicionales no son adecuados para medir muestras pequeñas de tejido vivo, y mucho menos tejido del cerebro humano.
En este proyecto, el equipo de científicos aprovecha pequeños defectos deliberados en los cristales de diamantes sintéticos. Estos defectos se denominan centros de color o, técnicamente, centros de vacantes de nitrógeno/centros NV. El término centros NV deriva del hecho de que en el diamante, un átomo de carbono se reemplaza por un átomo de nitrógeno y se ubica junto a una vacante, es decir, donde no hay ningún átomo presente. Esto hace que los centros permitan la absorción de luz y, al liberar energía, la emisión de luz.
"Estos centros de color NV también tienen un electrón desapareado efectivo con espín, y si hay un campo magnético, el espín del electrón oscila alrededor de ese campo. Entonces, si el campo magnético aumenta o disminuye, oscilará un poco más rápido o un poco más lento y podemos medir estos cambios mediante la emisión de luz de los centros de color NV", explica Huck.
La configuración experimental es la siguiente:en una cámara de escala centimétrica, se coloca una porción de tejido cerebral sobre capas aislantes de papel de aluminio. El diamante está engastado en un agujero en el fondo de la cámara, debajo de las capas aislantes. A continuación se apunta un láser verde y una antena de microondas al centro de color del diamante y se registra la emisión de luz del diamante. Cuando los científicos estimulan las neuronas del tejido para que se activen simultáneamente, pueden medir los cambios en el brillo de la emisión de luz de los centros de color.
Lo más importante es que la luz láser y las microondas nunca llegan al tejido cerebral (no al cerebro humano real en este caso, sino al tejido del cerebro de un ratón); los cambios en el campo magnético simplemente se rastrean utilizando los centros de color NV.
"Cuando las neuronas de la muestra de tejido cerebral se activan, se induce un campo magnético que luego cambia la emisión de luz y el brillo del diamante, que registramos como una señal óptica", dice Huck.
En sus experimentos, los científicos pueden distinguir señales de diferentes tipos de células nerviosas. Verificaron sus mediciones utilizando una técnica probada que tocaba el tejido y medía la electricidad directamente. También muestran cómo pueden cambiar artificialmente la actividad neuronal en el tejido mediante el uso de un fármaco que bloquea canales específicos en las células nerviosas.
"Eventualmente, la idea es que cuando se tiene un paciente del que se sospecha algún tipo de enfermedad neurodegenerativa, se pueden utilizar métodos derivados de nuestros experimentos para diagnosticar la condición precisa", concluye Huck. Sin embargo, subraya que aún queda mucho trabajo por hacer para que eso sea así:
"Si comparamos nuestra técnica con otros métodos que se utilizan hoy en día, que existen desde hace décadas, siguen siendo mejores de lo que podemos hacer ahora. Estamos en una etapa temprana y queda mucho más trabajo por hacer antes de que esta técnica pueda usarse. transferirse y aplicarse en un entorno clínico. La investigación en los centros NV y la exploración de sus áreas de aplicación más adecuadas aún se encuentran en una etapa temprana:este es un campo incipiente".
Más información: Nikolaj Winther Hansen et al, Registro magnético a escala microscópica de la actividad eléctrica neuronal del cerebro utilizando un sensor cuántico de diamante, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39539-y
Información de la revista: Informes científicos
Proporcionado por DTU (Universidad Técnica de Dinamarca)
