物理學：研究人員利用量子傳感器追蹤神經活動！
Jenny Schloss（左）和Matthew Turner，博士。藝術與科學研究生院的候選人是最近關於使用氮空位中心 - 鑽石中的原子級雜質 - 來追蹤神經活動的論文的共同作者。“我們希望從單神經元水平一直了解大腦，因此我們設想這可以成為生物物理實驗室和醫學研究中有用的工具，”Schloss說。圖片來源：Rose Lincoln / Harvard Staff Photographer。
它是世界上最純淨，最通用的材料之一，用於從珠寶到工業磨料到量子科學的各種用途。但是，一群哈佛科學家發現了鑽石的新用途：跟蹤大腦中的神經信號。
在哈佛大學腦科學和物理系中心的教授羅納德沃爾斯沃思實驗室工作的科學家們利用稱為氮空位（NV）的鑽石中的原子級量子缺陷來檢測神經信號產生的磁場。一種非侵入性技術，可以對神經元的活動進行成像。
這項工作在最近發表在“ 美國國家科學院院刊”上的論文中有所描述，並與哈佛大學教師米哈伊爾（Misha）Lukin和宏坤公園合作完成。
“使用NV中心感知神經元磁場的想法始於大約10年前Ron Walsworth和Misha Lukin的初步工作，但很長一段時間我們的背後計算結果表明這些領域似乎是太小，無法檢測到，而且技術還沒有，“Jennifer Schloss博士說。學生和該研究的共同作者。
“這篇論文真的是第一步，表明測量來自各個神經元的磁場可以通過可擴展的方式完成，”博士說。學生和同事共同作者馬修特納。“我們希望能夠對信號特徵進行建模，並根據理論說，'這是我們期望看到的。' 我們的實驗結果與這些預期一致。這種預測能力對於理解更復雜的神經元網絡非常重要。“
由Schloss和Turner開發的系統的核心，與博士後科學家John Barry一起，是一個小巧的4×4毫米正方形和半毫米厚的金剛石晶圓，浸有數萬億個NV中心。
Schloss和Turner解釋說，該系統是有效的，因為在神經元中傳播的信號產生的磁場與NV中心的電子相互作用，巧妙地改變了它們的量子“自旋”狀態。金剛石晶片浸泡在微波爐中，微波爐將NV電子置於兩種自旋狀態的混合物中。然後，神經元磁場引起兩種狀態之一中自旋部分的變化。使用限制在鑽石上的激光，研究人員可以檢測到這一部分，將神經信號讀出為光學圖像，而光線不會進入生物樣本。
除了證明該系統適用於解剖神經元之外，Schloss，Turner和Barry還表明NV傳感器可用於感知活的，完整的海洋蠕蟲中的神經活動。
“我們意識到我們可以將整隻動物放在傳感器上並仍然檢測到信號，因此它完全是非侵入性的，”特納說。“這是使用磁場的一個原因提供了優於其他方法的優勢。如果您以傳統方式測量基於電壓或光的信號，生物組織可能會扭曲這些信號。對於磁場，儘管信號隨著間隔距離變小，信息得以保留。“
Schloss，Turner和Barry也能夠證明神經信號從蠕蟲的尾部到頭部比從頭到尾的傳播速度更慢，並且它們的磁場測量結果與傳導速度差異的預測相匹配。
雖然該研究證明NV中心可用於檢測神經信號，但特納表示，最初的實驗旨在解決問題最容易解決的方法，使用產生特別大的磁場的強大神經元。該團隊已經在努力進一步完善該系統，著眼於提高其靈敏度並尋求應用於神經科學的前沿問題。Schloss解釋說，為了感知來自較小的哺乳動物神經元的信號，他們打算實施脈衝磁力測定方案，以實現每體積高達300倍的靈敏度。特納說，下一步是實施一種高分辨率成像系統，希望在發射時產生神經元的實時光學圖像。
“我們正在研究神經元的成像網絡，持續時間長達數天，”Schloss說。“我們希望用這個來理解神經元之間的物理連接，而不是功能連接 - 信號實際傳播的方式，以告知神經電路長期運行的方式。”
“現在沒有任何工具可以告訴我們關於神經元活動我們想知道的一切，或者適用於所有感興趣的系統，”特納說。“這種量子金剛石技術為解決其中一些挑戰提供了新的方向。由於先前的技術限制，成像神經元磁場在很大程度上是未開發的領域。”
Schloss說，希望有一天該工具可能會在生物醫學研究人員或任何有興趣瞭解大腦活動的人的實驗室中找到一個家。“我們希望從單神經元水平一直了解大腦，因此我們設想這可能成為生物物理實驗室和醫學研究中有用的工具，”她說。“它具有無創性和快速性，光學讀數可以實現各種應用，從研究神經退行性疾病到實時監測藥物輸送。”
沃爾斯沃思稱讚該中心的Paul J. Finnegan家族總監Josh Sanes和執行董事Kenneth Blum的領導，以實現量子鑽石技術的這種生物應用。“腦科學領導中心提供了重要的實驗室空間和一個熱情的跨學科社區，”他說。“這種特殊的環境使物理學家和工程師能夠將量子技術轉化為神經科學。”
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