ตรวจสอบสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าในสมองด้วย MRI: สามารถใช้เทคนิคการตรวจจับแสงหรือสนามไฟฟ้าในเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตได้.

นักวิจัยมักศึกษาการทำงานของสมองโดยการตรวจสอบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองประเภท - สนามไฟฟ้าและแสง. อย่างไรก็ตาม, วิธีการส่วนใหญ่ในการวัดปรากฏการณ์เหล่านี้ในสมองนั้นรุกรานได้มาก. วิศวกรของ MIT ได้คิดค้นเทคนิคใหม่ในการตรวจจับกิจกรรมทางไฟฟ้าหรือสัญญาณแสงในสมองโดยใช้เซ็นเซอร์ที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดสำหรับการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (ปวดหรือกดเจ็บตามข้อต่อและรู้สึกไม่สบายขณะเดิน).

MRI มักใช้เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนของเลือดที่แสดงถึงการทำงานของสมองโดยอ้อม, แต่ทีม MIT ได้คิดค้นเซนเซอร์ MRI ชนิดใหม่ที่สามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กได้, เช่นเดียวกับแสงที่เกิดจากโปรตีนเรืองแสง. (แรงกระตุ้นไฟฟ้าเกิดจากการสื่อสารภายในของสมอง, และสัญญาณออปติคัลสามารถผลิตได้จากโมเลกุลที่หลากหลายซึ่งพัฒนาโดยนักเคมีและนักชีววิศวกรรม)

“MRI นำเสนอวิธีการรับรู้สิ่งต่าง ๆ จากภายนอกร่างกายในรูปแบบที่มีการบุกรุกน้อยที่สุด,” Aviad Hai . กล่าว, MIT postdoc และผู้เขียนนำการศึกษา. “มันไม่ต้องการการเชื่อมต่อแบบมีสายในสมอง. เราสามารถฝังเซ็นเซอร์และปล่อยไว้ที่นั่นได้”

เซ็นเซอร์ชนิดนี้สามารถให้นักประสาทวิทยามีวิธีการที่แม่นยำเชิงพื้นที่ในการระบุกิจกรรมทางไฟฟ้าในสมอง. ใช้วัดแสงได้ด้วย, และนำไปปรับใช้ในการวัดสารเคมี เช่น กลูโคส, นักวิจัยกล่าวว่า.

อลัน จาซานอฟ, ศาสตราจารย์ MIT ด้านวิศวกรรมชีวภาพ, วิทยาศาสตร์สมองและความรู้ความเข้าใจ, และวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์และวิศวกรรมศาสตร์, และสมาชิกสมทบของ McGovern Institute for Brain Research ของ MIT, เป็นผู้เขียนอาวุโสของบทความ, ซึ่งปรากฏในเดือนตุลาคม. 22 ปัญหาของ วิศวกรรมชีวการแพทย์ธรรมชาติ. Postdocs Virginia Spanoudaki และ Benjamin Bartelle เป็นผู้เขียนบทความเช่นกัน.

การตรวจจับสนามไฟฟ้า

ห้องปฏิบัติการของ Jasanoff ได้พัฒนาเซ็นเซอร์ MRI ก่อนหน้านี้ซึ่งสามารถตรวจจับแคลเซียมและสารสื่อประสาทเช่น serotonin และ dopamine. ในบทความนี้, พวกเขาต้องการขยายวิธีการตรวจหาปรากฏการณ์ทางชีวฟิสิกส์ เช่น ไฟฟ้าและแสง. ปัจจุบัน, วิธีที่แม่นยำที่สุดในการติดตามกิจกรรมทางไฟฟ้าในสมองคือการใส่อิเล็กโทรด, ซึ่งรุกรานมากและอาจทำให้เนื้อเยื่อเสียหายได้. การตรวจคลื่นไฟฟ้าสมอง (EEG) เป็นวิธีที่ไม่รุกล้ำในการวัดกิจกรรมทางไฟฟ้าในสมอง, แต่วิธีนี้ไม่สามารถระบุที่มาของกิจกรรมได้.

เพื่อสร้างเซ็นเซอร์ที่สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความแม่นยำเชิงพื้นที่, นักวิจัยตระหนักว่าพวกเขาสามารถใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ — โดยเฉพาะ, เสาอากาศวิทยุขนาดเล็ก.

MRI ทำงานโดยการตรวจจับคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนในน้ำ. สัญญาณเหล่านี้มักจะตรวจพบโดยเสาอากาศวิทยุขนาดใหญ่ภายในเครื่องสแกน MRI. สำหรับการศึกษาครั้งนี้, ทีม MIT ลดขนาดเสาอากาศวิทยุให้เหลือเพียงไม่กี่มิลลิเมตร เพื่อให้สามารถฝังลงในสมองโดยตรงเพื่อรับคลื่นวิทยุที่เกิดจากน้ำในเนื้อเยื่อสมอง.

เริ่มแรก เซ็นเซอร์ถูกปรับเป็นความถี่เดียวกับคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน. เมื่อเซ็นเซอร์รับสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าจากเนื้อเยื่อ, การปรับจูนของมันเปลี่ยนไปและเซ็นเซอร์ไม่ตรงกับความถี่ของอะตอมไฮโดรเจนอีกต่อไป. เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น, ภาพที่อ่อนแอกว่าเกิดขึ้นเมื่อสแกนเซ็นเซอร์โดยเครื่อง MRI ภายนอก.

นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์สามารถรับสัญญาณไฟฟ้าได้คล้ายกับสัญญาณที่เกิดจากศักยะงาน (แรงกระตุ้นไฟฟ้าที่เกิดจากเซลล์ประสาทเดี่ยว), หรือศักยภาพภาคสนาม (ผลรวมของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากกลุ่มเซลล์ประสาท).

“เราแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์เหล่านี้ไวต่อศักยภาพทางชีวภาพ, ตามลำดับมิลลิโวลต์, ซึ่งเปรียบได้กับสิ่งที่เนื้อเยื่อชีวภาพสร้างขึ้น, โดยเฉพาะในสมอง,จาซานอฟพูด.

นักวิจัยได้ทำการทดสอบเพิ่มเติมในหนูเพื่อศึกษาว่าเซ็นเซอร์สามารถรับสัญญาณในเนื้อเยื่อสมองที่มีชีวิตได้หรือไม่. สำหรับการทดลองเหล่านั้น, พวกเขาออกแบบเซ็นเซอร์เพื่อตรวจจับแสงที่ปล่อยออกมาจากเซลล์ที่ออกแบบมาเพื่อแสดงโปรตีน luciferase.

โดยทั่วไป, ไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนของ luciferase ได้เมื่ออยู่ลึกภายในสมองหรือเนื้อเยื่ออื่น ๆ, ดังนั้นเซ็นเซอร์ใหม่จึงเป็นวิธีที่ขยายประโยชน์ของลูซิเฟอเรสและระบุเซลล์ที่เปล่งแสงได้แม่นยำยิ่งขึ้น, นักวิจัยกล่าวว่า. โดยทั่วไปแล้ว Luciferase จะถูกสร้างเป็นเซลล์พร้อมกับยีนที่น่าสนใจอีกตัวหนึ่ง, ช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุได้ว่ายีนนั้นถูกรวมเข้าไว้ด้วยการวัดแสงที่ผลิตได้สำเร็จหรือไม่.

เซ็นเซอร์ขนาดเล็กลง

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของเซ็นเซอร์นี้คือไม่ต้องพกพาแหล่งจ่ายไฟใดๆ, เพราะสัญญาณวิทยุที่เครื่องสแกน MRI ภายนอกปล่อยออกมานั้นเพียงพอที่จะจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์.

สอง, ที่จะเข้าร่วมคณะที่ University of Wisconsin at Madison ในเดือนมกราคม, วางแผนที่จะย่อขนาดเซ็นเซอร์เพิ่มเติมเพื่อให้สามารถฉีดได้มากขึ้น, ทำให้สามารถถ่ายภาพแสงหรือสนามไฟฟ้าได้ในบริเวณสมองที่ใหญ่ขึ้น. ในบทความนี้, นักวิจัยได้ทำแบบจำลองที่แสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ขนาด 250 ไมครอน (สองสามสิบมิลลิเมตร) ควรจะสามารถตรวจจับกิจกรรมทางไฟฟ้าตามลำดับของ 100 มิลลิโวลต์, คล้ายกับปริมาณของกระแสในศักยภาพของการกระทำของระบบประสาท.

ห้องปฏิบัติการของ Jasanoff สนใจที่จะใช้เซ็นเซอร์ประเภทนี้เพื่อตรวจจับสัญญาณประสาทในสมอง, และพวกเขาคิดว่ามันสามารถใช้เพื่อตรวจสอบปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าที่อื่นในร่างกายได้, รวมถึงการหดตัวของกล้ามเนื้อหรือการทำงานของหัวใจ.

“ถ้าเซ็นเซอร์มีขนาดหลายร้อยไมครอน, ซึ่งเป็นสิ่งที่โมเดลลิ่งแนะนำคืออนาคตของเทคโนโลยีนี้, คุณก็ลองนึกภาพเอาเข็มฉีดยามาแจกจ่ายเป็นพวงๆ แล้วทิ้งไว้ที่นั่น,จาซานอฟพูด. "สิ่งนี้จะทำอย่างไรคือให้การอ่านข้อมูลในท้องถิ่นจำนวนมากโดยให้เซ็นเซอร์กระจายไปทั่วเนื้อเยื่อ"

การวิจัยได้รับทุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ.

แหล่งที่มา:

http://news.mit.edu, “เรารู้สึกตื่นเต้นมากเกี่ยวกับศักยภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในกระเพาะอาหารเพื่อใช้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับสุขภาพเคลื่อนที่เพื่อช่วยเหลือผู้ป่วยจากระยะไกล