Инженеры из Массачусетского технологического института создали малоинвазивный датчик для МРТ-исследований, который требует однократного вживления. В работе, которая была опубликована в Nature Biomedical Engineering, не только обсуждается конструкция и методы использования датчика, который способен улавливать как электрическую активность мозга, так и люминесценцию в нем, но и приводятся результаты экспериментального использования этого датчика in vivo и in vitro.
Credit:MIT
Новый датчик диаметром в три миллиметра может улавливать и едва заметный электрический ток, и свет от люминесцирующих белков: ток появляется при передаче сигнала между клетками, а свет может исходить от специальных молекул, созданных химиками и биоинженерами.
Ранее учёные уже разработали датчики, реагирующие на кальций и нейромедиаторы – серотонин и дофамин. Сейчас же они хотят расширить возможности своего датчика, чтобы он регистрировал электричество и свет. На сегодняшний день самые точные данные по электрической активности мозга можно получить путем вживления электродов, но в этом случае высок риск повреждения тканей, а электроэнцефалография (ЭЭГ) не позволяет определить, откуда конкретно идёт сигнал.
Принцип работы датчика, который получил название ImpACT (Implantable ACTive coil-based transducers – имплантируемый активный трансдуктор, работающий на основе катушки) заключается в следующем: пока в контур датчика, построенного по принципу электрической катушки не попадает электромагнитный сигнал, датчик настроен на радиочастоту магнитного резонанса атома водорода и «включен», как только сигнал появляется – катушка «исчезает» из поля зрения МРТ.
Принцип работы датчика
Датчики могут улавливать электрические сигналы как и от отдельных нейронов в виде потенциалов действия, так и от групп клеток в виде локальных потенциалов.
«Мы показали, что эти устройства чувствительны к биологическим потенциалам порядка милливольт, сопоставимых с теми, что генерирует биологическая ткань, особенно в мозге», — говорит руководитель научной группы, Алан Джасанов.
Стоит отметить ещё одно важное достоинство изобретения: датчик не требует дополнительной подзарядки, поскольку его питает энергия магнитного поля томографа.
Чтобы понять, будет ли этот датчик работать сигнал в живых тканях, учёные провели дополнительные опыты на крысах. Специально для этих опытов инженеры спроектировали датчики, которые реагируют на свет, исходящий от фермента люциферазы.
Люцифераза – фермент, катализирующий реакцию биолюминесценции. При успешном встраивании и экспрессии гена белка испускается свет – его-то и должен будет уловить новый датчик. Обычными методами чаще всего невозможно установить точное местоположение люминесценции белков, если она находится глубоко в тканях. Новый датчик решает эту проблему.
Схема эксперимента на крысах
В дальнейших планах инженеров – ещё сильнее уменьшить датчики, ведь тогда их можно будет вживлять в большем количестве и тем самым охватывать все больше участков головного мозга. Датчик размером в 250 микрон должен будет улавливать электрические сигналы порядка 100 милливольт – примерно такова величина нейронного потенциала действия.
Возможно, в будущем учёные смогут использовать датчик не только для изучения работы головного мозга, но и для исследования активности сердца или скелетных мышц.
Текст: Морозова Анна
Aviad Hai, Virginia Ch. Spanoudaki, Benjamin B. Bartelle, Alan Jasanoff. Wireless resonant circuits for the minimally invasive sensing of biophysical processes in magnetic resonance imaging. Nature Biomedical Engineering, 2018; DOI: 10.1038/s41551-018-0309-8