Diamanter og magnetfelter giver forskere dybere indsigt i funktionen af hjerneceller

Når forskere skal blive klogere på sygdom i hjernen, er det nødvendigt med gode metoder til at undersøge, om hjernecellerne fungerer, som de skal. I dag er forskere dog begrænset til metoder, hvor de enten skal studere hjernecellerne under et mikroskop, eller de skal sætte elektroder på hjernecellerne for at undersøge cellernes elektriske ledningsevne.

Begge metoder har nogle mangler, men nu har forskere udviklet en helt ny metode til at studere aktiviteten af hjerneceller. Metoden involverer diamanter og muligheden for at måle på de magnetfelter, som aktive hjerneceller skaber. Ifølge en af forskerne bag udviklingen af metoden kan den komme til at revolutionere studier af hjernecellers aktivitet.

"Metoden gør det muligt for os at studere aktivitet i nerveceller, uden at vi skal sætte en elektrode på dem. Det gør, at vi kan studere regioner af hjernen uden at røre ved dem og også bedre kan studere kommunikationen mellem nerveceller i levende væv," fortæller lektor Alexander Huck fra DTU Orbit ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Forskningen er offentliggjort i Scientific Reports.

Svært at måle på aktivitet mellem hjerneceller

Forskerne fra DTU ønskede forud for udviklingen af metoden at finde løsninger til at undersøge aktiviteten i nerveceller uden at skulle stikke en elektrode i dem. Tanken bag udviklingen af metoden var derfor at måle på det svage magnetfelt, som nerveceller producerer, når de kommunikerer med hinanden.

At måle på magnetfelter i kroppen er ikke i sig selv en revolutionerende tanke, for det har forskere gjort i mange år. Det kræver dog ofte store og kluntede apparater, som ikke egner sig til små, levende stykker hjernevæv. Forskerne udviklede derfor en helt ny metode, hvor de udnyttede mikroskopiske fejl i kunstigt fremstillede diamanter, hvor et kulstofatom er udskiftet med et nitrogenatom.

I diamanterne skaber det et såkaldt NV-center, der kan absorbere lys og frigive det igen. NV-centrene gør det muligt for diamanterne at reagere på magnetfelter. "Disse NV-centre har et spin, og hvis der er et magnetfelt, oscillerer spinnet rundt om dette felt. Hvis magnetfeltet stiger eller falder, vil spinnet oscillerer en smule hurtigere eller langsommere, og det kan vi måle via ændringer i emissionen af lys i NV-centeret," forklarer Alexander Huck.

Diamant opfanger magnetfelt fra hjerneceller

I praksis fungerer den nye metode til at undersøge magnetfelter og dermed aktivitet i hjerneceller på den måde, at forskerne først placerer en vævsprøve på et isolerende lag aluminiumsfolie i et lille kammer. Diamanten placeres i et hul på bunden af kammeret under det isolerende lag. Forskerne skyder derefter en grøn laser ind i diamanten og optager ændringer i det lys, som diamanten udsender.

Når nervecellerne sender signaler til hinanden, påvirker det resulterende magnetfelt elektronen i NV-centeret og dermed intensiteten af det lys, som diamanten udsender. Alt sammen sker, udenat hverken laserlys eller noget andet rører ved vævsprøven.

"Med studiet her viser vi, at det er muligt at måle aktiviteten i hjernevæv ved at måle på det magnetfelt, som aktive hjerneceller skaber, ved hjælp af NV-centre i en diamant," siger Alexander Huck. Forskerne validerede metoden ved at sammenligne målingerne med målinger ved hjælp af metoden med at påsætte elektroder på vævet, hvilket er en meget effektiv metode til at måle på aktivitet i hjerneceller, men kan også beskadige nervecellerne over tid.

Kan skabe unikt kort over kommunikation mellem hjerneceller

Selvom udviklingen af den nye metode til at studere aktivitet i nerveceller og mellem nerveceller er i de forholdsvis tidlige stadier, mener Alexander Huck, at metoden kommer med nogle interessante potentialer, som ikke findes i de eksisterende metoder. Vil man som eksempel måle på aktiviteten af én enkelt celle fra en hjerne, kan man sagtens gøre det ved at sætte en elektrode på hjernecellen. 

Vil man til gengæld lave et kort over aktiviteten af flere hjerneceller, som kommunikerer med hinanden, er det ikke længere praktisk muligt at sætte en elektrode på dem alle sammen for derved at studere, hvordan kommunikation mellem hjerneceller bliver spredt over tid og sted. Det vil i så fald skade vævet mere, end hvad godt er.

Med den nye metode kan forskerne formentlig meget lettere visualisere kommunikationen mellem hjerneceller i et levende stykke væv. 

"Vi er ikke der endnu, hvor vi kan gøre det med metoden, som den er, men fremtidsperspektivet er at studere, hvordan information bliver spredt ud i hjernen, og hvad der karakteriserer forskellen mellem raskt væv og væv fra en syg hjerne, der måske kommer fra en person med Parkinsons, Alzheimers eller andre neurodegenerative sygdomme," siger Alexander Huck.

I videreudviklingen af metoden vil forskerne blandt andet se på at udvikle bedre egnede diamanter, ligesom de vil undersøge muligheden for at bruge bedre optiske teknikker til at opsamle signalet fra diamanten/cellerne.