Nanosensorer kan hjælpe os med at lytte bedre til hjernen

ScienceViews 20. sep 2021 4 min Associate Professor Alexander Huck, Associate Professor Jean-Francois Marie Perrier +2 Skrevet af Nini Pryds

Antallet af alvorlige hjernesygdomme og dødsfald på verdensplan forårsaget af sygdomme i nervesystemet er steget kraftigt i de seneste årtier. På trods af enorme fremskridt inden for neurovidenskaben i løbet af det sidste århundrede er vores forståelse af hjernen stadig langt fra fuldendt. For at forstå årsagerne og hjælpe det voksende antal berørte mennesker, er vi nødt til at kunne studere hjernen nærmere. Nye skræddersyede sensorer, der måler små elektromagnetiske udsving produceret af aktive neuroner, kan bidrage til hurtigere at udvikle behandlinger for hjernesygdomme.

Interesseret i ScienceViews? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Den menneskelige hjerne er blandt de mest komplekse enheder i det kendte univers, og dens kompleksitet afspejles i, at hjernen konstant kæmper for at forstå sig selv. Hjernerelaterede lidelser som epilepsi, Alzheimers sygdom og multipel sklerose samt mental sundhed har massiv indflydelse på den menneskelige tilstand. F.eks. påvirker depression alene mere end 300 millioner mennesker verden over, og demens er nu den syvendestørste dødsårsag.

Analogt med fx en motor gælder det, at jo bedre vi ved, hvordan maskinen fungerer, desto større er sandsynligheden for, at vi kan reparere den, når den går i stykker. Når den menneskelige hjerne ikke fungerer, er vi altså nødt til at udvikle vores evne til at studere den langt mere komplekse "hjernemaskine" for at have håb om at udvikle en effektiv behandling.

Vores egen hjerne begrænser os måske

Viden om, hvordan hjernen fungerer, har traditionelt været begrænset til karakterisering af specifikke hjernekomponenter. Hvordan specifikke neuroner fungerer, hvordan hjernesynapser laves, og hvordan neuronale subnetværk forbindes, er nogle af brikkerne i det kæmpe puslespil i vores mystiske hjerne.

Forestil dig, hvor fantastisk det ville være, hvis vi kunne afkode aktivitetssymfonien i vores 100 milliarder neuroner og lære, hvordan de interagerer for at kontrollere vores tanker og handlinger. For selv overhovedet at forestille os, hvordan det fungerer i praksis, er vi imidlertid nødt til at forstå den neuronale funktion på et niveau, der er langt ud over alt, hvad vi kan forestille os i dag.

Dette rejser det oplagte spørgsmål: kan vi udvikle en teknologi, der kan kortlægge, hvordan neuroner kommunikerer? 

Hidtil har tekniske begrænsninger forhindret os i at udtrække detaljerede neurofysiologiske data fra et bundt neuroner.

Uden hjernen bemærker, at den bliver undersøgt

Grundlaget for løsningen til hvordan kan findes i Danmark. I 1820 opdagede den danske videnskabsmand Hans Christian Ørsted elektromagnetisme. Han bemærkede, at en ledning, der bar en elektrisk strøm, fik en magnetisk kompasnål til at bevæge sig. 

Forbindelsen mellem elektricitet og magnetisme er en af ​​verdenhistoriens største videnskabelige opdagelser og er afgørende i det moderne samfund til elektronik, kommunikation og motorer.

Men hvordan er elektromagnetisme og neuronal aktivitet nøjagtigt forbundet med hinanden? 

Nervesystemet består af neuroner, der kan sammenlignes med elektriske ledninger: de sender signaler fra et sted til et andet ved spredning af elektriske ladninger. Den resulterende strøm, der løber langs neuronen, skaber et svagt magnetfelt, svarende til hvad Hans Christian Ørsted opdagede i 1820.

Dette åbner døren for at forstå, hvordan bundter af neuroner kommunikerer med hinanden ikke-invasivt – måske uden at hjernen selv bemærker, at den bliver undersøgt.

Med magnetiske sensorer, der er følsomme nok til at måle disse bittesmå signaler – 10 millioner gange svagere end Jordens magnetfelt – vil vi kunne måle, hvor og hvornår et lille antal neuroner kommunikerer inde i vores hjerne og derved opnå en dybere forståelse af, hvordan neuronale netværk fungerer.

Nye og mere følsomme magnetiske sensorer kan derfor blive et vigtigt redskab til at screene for og i sidste ende behandle neurodegenerative sygdomme, før der opstår irreversible skader.

Følsomhed via ufuldkommenhed

I vores projekt BIO-MAG vil vi designe og oprette små, lette og bærbare magnetiske sensorer med femtotesla-sensitivitet – svarende til en milliardendedel af magnetfeltet fra en mikrobølgeovn – så vi kan måle små ændringer i hjernens magnetfelt og gøre det muligt at kortlægge neuronal aktivitet i hjernen ved stuetemperatur.

For at gøre dette skal vi udvikle to innovative, kraftfulde og yderst komplementære typer af sensorer, der tilsammen giver den nødvendige følsomhed og rumlige opløsning.

Begge sensortyper bygges af såkaldte 2D-materialer – en klasse af atomtynde "smarte" materialer, der giver en forbløffende grad af kontrol af materialeegenskaber. Disse sensorer er blevet skræddersyet med små fejl til at skabe funktionaliteter, dvs. ufuldkommenheder i materialet såsom magnetiske defekter eller hurtige elektronbaner, der skabes ved kontrol på atomniveau.

Ekstraordinær modstand

En type sensor vil være baseret på atomskala-defekter i 2D-materialer og vil give picotesla-følsomhed – svarende til magnetfeltet, neuronerne skaber i hjernen – med en rumlig opløsning ned til nanometer-skalaen – svarende til størrelse på kroppens mindste nervefibre. Reaktionen af de små defekter registreres ved hjælp af laserlys, som ikke både muliggør høj følsomhed og rumlig opløsning.

Den anden – og endnu mere følsomme – sensor vil være baseret på den spændende og nyligt opdagede Extraordinary Magnetoresistance Effect (EMR). 

Anvendelse af magnetfelter i traditionelle materialer skaber betydelige ændringer i materialernes modstand, kaldet magnetoresistans. I modsætning hertil kan man skabe den ekstraordinære magnetoresistens i heterogene materialer, der har både halvledende og metalliske områder. 

For at skabe endnu bedre EMR-sensorer bruger vi grafen – det mest berømte af 2D-materialer, der består af et enkeltlag kulstof – inden for hvilke elektriske strømme kan bevæge sig hurtigere end i noget andet materiale – til at skabe ekstraordinær magnetoresistans. 

Vores EMR-enhed forventes at levere femtotesla-feltfølsomhed med en rumlig opløsning på 10 µm ved stuetemperatur, dvs. 1000 gange mere følsom.

Baner vejen for ikke-invasive optagelser

Banebrydende computeralgoritmer beregner sensorernes nøjagtige form, hvilket forventes at optimere magnetfeltfølsomheden mindst 100.000 gange. Vi vil også drage fordel af atomskala-beregninger på supercomputere til at identificere, hvilke 2D-materialer, der har de mest magnetisk følsomme defekter og derefter forsøge at syntetisere de nøjagtige materialer.

For at skubbe detektionsgrænserne endnu længere vil vi kombinere sensorelementerne til arrays – dvs i længere rækker – for at skabe realtidskort over neuroner i aktion med meget bedre følsomhed og opløsning, end det er muligt i dag. Hvis det lykkes, vil det bane vejen for ikke-invasiv optagelse af film med bundter af neuroner i aktion, op til 1000 billeder i sekundet, og med muligheder for gengivelse af 3D-billeder.

Indsigt opnået ved hjælp af de nye sensorer vil øge vores forståelse af, hvordan hjernen opfatter, behandler og gemmer information og kan dermed bygge bro mellem grundlæggende biomagnetisk neuroresearch og hjernekortlægning via præklinisk magnetoencefalografi. 

Dette vil igen bidrage til en hurtigere udvikling af behandlinger for hjernesygdomme og give et forskningsværktøj til at forbedre vores chancer for at løse de store uløste spørgsmål inden for neurovidenskab, medicin og kognition.

I 2021 tildelte Novo Nordisk Fonden et Challenge Program-tilskud på 60 millioner kroner til Nini Pryds fra Danmarks Tekniske Universitet til projektet Ultrasensitive Biomagnetometers with Macro to Nano Resolution (BIO-MAG). Dette projekt sigter mod at skabe små, biokompatible og lette magnetiske sensorer med følsomhed, der er egnet til at kortlægge neuronal aktivitet i levende organismer. Det ultimative mål er at opnå en hidtil uset indsigt i neuroner, neurale netværk og det menneskelige sind.

bigQ - Center for Macroscopic Quantum States is a Danish National Research Foundation Center of Excellence. Initiated in January 2018, the objectives...

We are investigating how glial cells from the spinal cord contribute to motor control. We discovered that astrocytes from the ventral horn of the spin...

Every nerve cell in our body produces a tiny magnetic field when it fires. If we had magnetic sensors sensitive enough to measure such faint signals –...

CNG – Center for Nanostructured Graphene – is funded by the Danish National Research Foundation (Danmarks Grundforskningsfond),with a total budget of...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020