微型感測器：微創地精準定位腦內電活動與光信號！

近日，美國麻省理工學院（MIT）的工程師們發明了一項新技術，採用微創的感測器進行磁共振成像（MRI），檢測腦中的電活動或者光信號。

背景

研究腦功能，研究人員們通常是通過檢測兩種類型的電磁學：電場與光線。然而，測量腦中這些現象的大部分方法，例如插入一個電極，都是非常具有侵入性的，會引起組織損傷。雖然腦電圖（EEG）是測量腦中電活動的一種非侵入性方法，但是這種方法無法精準定位活動的起源。

（圖片來源：JanneM via Flickr）

創新

近日，美國麻省理工學院（MIT）的工程師們發明了一項新技術，採用微創的感測器進行磁共振成像（MRI），檢測腦中的電活動或者光信號。

MRI 通常用於測量血流量的變化，這一變化間接代表了腦活動。然而，MIT 團隊開發出一種新型 MRI 感測器，可以檢測微弱的電流以及發光蛋白質產生的光線。（電脈衝產生於腦內的通信，而光信號產生於化學家與生物工程師們開發的各種分子。）

（圖片來源：Felice Frankel）

MIT 博士後研究員、論文第一作者 Aviad Hai 表示：「MRI 提供一種從人體外部以微創的方式感知事情的方式。它不需要通過線接入腦內。我們可以植入感測器並將它留在那裡。」

這種感測器為神經科學家們提供了一種空間上精準的方式，精準定位腦內電活動。研究成員稱，它也可以用於測量光線，以及測量化學物質，例如葡萄糖。

MIT 生物工程、腦以及認識科學、核科學與工程教授，以及 MIT McGovern 腦研究所的準會員 Alan Jasanoff 是論文的高級作者。論文發表在10月22日的《自然生物醫學工程（Nature Biomedical Engineering）》期刊上。博士後 Virginia Spanoudaki 和 Benjamin Bartelle 也是論文的作者。

技術

之前，Jasanoff 的實驗室開發的 MRI 感測器，可檢測鈣與神經遞質，例如5-羥色胺和多巴胺。在論文中，他們想要擴展他們的方案以檢測生物物理現象，例如電與光。

為了創造出一種既有空間精度又能檢測電磁場的方法，研究人員意識到可採用電子設備，確切一點說，一個微型無線電天線。

MRI 的工作方式是檢測水中氫原子核發出的無線電波。這些信號通常是由核磁共振掃描儀中的大型無線電天線來檢測。為了這項研究，MIT 團隊將無線電天線的尺寸縮小到幾毫米，從而可以直接植入到腦中接收由腦組織中的水分產生的無線電波。

起初，該感測器被調諧至與氫原子激發出的無線電波相同的頻率。當感測器接收到來自組織中的電磁信號時，它的調諧發生變化，感測器不再匹配氫原子的頻率。此時，感測器會被外部的 MRI 機器掃描到，並生成一幅較弱的圖像。

研究人員演示了這些感測器可以接收類似於動作電位（單個神經元激發的電脈衝）或者局部場電位（一組神經元產生的電流總和）產生的電信號。

Jasanoff 表示：「我們展示了這些設備對生物學標度（毫伏級）的電位敏感，這剛好與生物組織特別是腦產生的電位相當。」

研究人員們在大鼠中展開了更多的測試，來研究這些感測器是否能夠接收活的腦組織中的信號。為了展開這些實驗，研究人員設計了這種感測器，以檢測由表達蛋白熒光素酶的細胞所發出的光線。

通常來說，當螢光素酶位於腦或者其他組織深處時，其確切位置無法判斷。研究人員稱，因此，新型感測器提供一種方法，能夠拓展螢光素酶的用途以及更加精準地定位出發光細胞。螢光素酶通常會與其他感興趣的基因一起被放置到細胞中，研究人員們可以通過它產生的光線去判斷基因是否成功地融入。

價值

這種感測器的主要優勢之一就是，無需攜帶任何電源，因為外部核磁共振掃描儀發出的無線電信號足以為感測器提供能量。

Hai 將於一月份加入威斯康星大學麥迪遜分校，他計划進一步小型化這些感測器，從而讓更多的它們可以被注入，對更大的腦部區域的光線或者電場進行成像。在這篇論文中，研究人員通過建模展示，250微米的感測器能檢測100毫伏級的電活動，類似於神經動作電位中的電流量。

（圖片來源於研究人員）

Jasanoff 的實驗室對於採用這種感測器檢測腦中的神經信號感興趣，他們設想這種感測器也可以用於監測體內其他地方的電磁現象，包括肌肉收縮或心臟活動。

Jasanoff 表示：「如果這些感測器是幾百微米級的（建模表明這正是該技術未來的樣子），那麼你可以想像採用一個注射器，注入一大群這種感測器，並且把它們留在那裡。感測器布滿整個組織，可以提供許多的局部讀數。」

關鍵字

腦、感測器、無線電

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/monitoring-electromagnetic-signals-brain-mri-1022

【2】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

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