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.
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.
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.
В дальнейших планах инженеров еще больше 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