Un recente studio condotto da scienziati europei mostra che sensori sensibili basati sui centri di colore in un diamante possono essere utilizzati per registrare l’attività elettrica da neuroni nel tessuto cerebrale vivente.
L’impostazione di un esperimento di prova di principio che dimostra la prima registrazione su scala microscopica della cosiddetta propagazione del potenziale d’azione nel tessuto del fragile tessuto cerebrale dei mammiferi utilizzando la registrazione del campo biomagnetico. Credito immagine: Jesper Scheel/DTU Health Tech.
Prima che le persone manifestino sintomi di malattie cerebrali come la demenza, di solito si sono già verificati lievi cambiamenti nel tessuto cerebrale. Può darsi che alcune parti del cervello si stiano gonfiando o che si stiano formando grumi di proteine. Questi piccoli cambiamenti potrebbero influenzare il modo in cui le cellule nervose nel cervello si segnalano e comunicano tra loro, e il modo in cui le informazioni vengono elaborate e memorizzate.
Gli scienziati medici vogliono studiare questi piccoli cambiamenti che si verificano nelle primissime fasi di una malattia. In questo modo, l’intenzione è quella di saperne di più sulle cause della malattia per fornire nuove conoscenze e trattamenti più efficaci. Oggi gli studi microscopici sul cervello vengono eseguiti con due strategie: ispezione ottica di campioni di tessuto cerebrale di animali o pazienti deceduti che soffrono della malattia studiata o misurazioni dei segnali delle cellule nervose utilizzando fili, coloranti o luce.
Questi metodi, tuttavia, presentano alcune limitazioni: possono danneggiare il tessuto o modificare i segnali. Inoltre, potrebbero funzionare in modo diverso a seconda del tessuto che stai studiando; i segnali provenienti da alcune parti delle cellule nervose coinvolte in una particolare malattia possono essere difficili da misurare.
Misurare il campo, non il campione
Gli scienziati della DTU, dell’Università di Copenaghen, dell’Ospedale universitario di Copenaghen, dell’Università della Sorbona e dell’Università di Lipsia hanno trovato un modo per misurare i segnali provenienti dal tessuto cerebrale senza toccare o inserire sonde ad ago al suo interno. Lo fanno misurando i deboli campi magnetici prodotti dalle cellule nervose durante la comunicazione. A tal fine hanno sfruttato il fatto che il campo magnetico viaggia invariato attraverso il tessuto.
“Nel complesso, l’idea è che il rilevamento del campo magnetico in definitiva non sia invasivo. Non è necessario inserire elettrodi o sonde né colorare il tessuto che si desidera analizzare. Poiché si rileva il campo magnetico indotto, si ottengono informazioni sull’attività senza inserire un sensore fisico nel sistema o modificarlo in altro modo”, afferma Alexander Huck, professore associato alla DTU Physics che stava supervisionando il progetto ed è coautore dello studio. studio.
Non è fondamentalmente una novità misurare i campi magnetici indotti nel corpo umano, ma di solito richiede attrezzature speciali ingombranti e che necessitano di raffreddamento criogenico. Pertanto, i metodi tradizionali non sono adatti per misurare piccoli campioni di tessuti viventi, per non parlare dei tessuti del cervello umano.
In questo progetto, il team di scienziati sta sfruttando piccoli difetti deliberati nei cristalli di diamante sintetico. Questi difetti sono chiamati centri di colore o, tecnicamente, centri di azoto vacante/centri NV. Il termine centri NV deriva dal fatto che nel diamante un atomo di carbonio è sostituito da un atomo di azoto e si trova accanto a un posto vacante, cioè dove non è presente alcun atomo. Ciò fa sì che i centri consentano l’assorbimento della luce e, una volta rilasciata l’energia, l’emissione di luce.
“Questi centri di colore NV hanno anche un elettrone spaiato efficace con uno spin, e se c’è un campo magnetico, lo spin dell’elettrone oscilla attorno a quel campo. Quindi, se il campo magnetico aumenta o diminuisce, oscillerà un po’ più velocemente o un po’ più lentamente, e possiamo misurare questi cambiamenti tramite l’emissione di luce dei centri di colore NV”, spiega Alexander Huck.
Ancora in una fase iniziale
La configurazione sperimentale è la seguente: in una camera su scala centimetrica, una fetta di tessuto cerebrale viene posizionata su strati isolanti di foglio di alluminio. Il diamante è incastonato in un foro sul fondo della camera, sotto gli strati isolanti. Un laser verde e un’antenna a microonde vengono quindi puntati verso il centro cromatico del diamante e viene registrata l’emissione di luce del diamante. Quando gli scienziati stimolano i neuroni nel tessuto ad attivarsi simultaneamente, possono misurare i cambiamenti nella luminosità dell’emissione di luce dai centri di colore.
Schema del funzionamento del sensore (non in scala), in cui la luce laser verde diretta ai centri di colore del sottosuolo (NV) nel diamante consente la registrazione del campo magnetico derivante dai potenziali d’azione composti (cAP) in una fetta di tessuto cerebrale posta sopra il diamante. Credito immagine: DTU
Fondamentalmente, la luce laser e le microonde non raggiungono mai il tessuto cerebrale – non un vero cervello umano in questo caso, ma il tessuto del cervello di un topo – i cambiamenti nel campo magnetico vengono semplicemente monitorati utilizzando i centri di colore NV.
“Quando i neuroni nel tessuto cerebrale si attivano, ciò indurrà un campo magnetico che quindi modificherà l’emissione di luce e la luminosità del diamante, che registriamo come segnale ottico”, afferma Alexander Huck.
Nei loro esperimenti, gli scienziati possono distinguere i segnali provenienti da diversi tipi di cellule nervose. Hanno controllato le loro misurazioni utilizzando una tecnica collaudata che toccava il tessuto e misurava direttamente l’elettricità. Mostrano anche come modificare artificialmente l’attività dei neuroni nel tessuto utilizzando un farmaco che blocca canali specifici nelle cellule nervose.
“Alla fine, l’idea è che quando si ha un paziente in cui si sospetta qualche tipo di malattia neurodegenerativa, si possono utilizzare metodi derivati dai nostri esperimenti per diagnosticare la condizione precisa”, conclude Alexander Huck. Sottolinea, tuttavia, che c’è ancora molto lavoro da fare affinché ciò avvenga:
“Se confrontiamo la nostra tecnica con altri metodi in uso oggi, che esistono da decenni, sono ancora migliori di quello che possiamo fare adesso. Siamo in una fase iniziale e c’è ancora molto lavoro da fare prima che questa tecnica possa essere trasferita e applicata in un ambiente clinico. La ricerca nei centri NV e l’esplorazione delle aree di applicazione più adatte sono ancora in una fase iniziale: si tratta di un campo nascente”.
Fonte: DTU
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
