物理学：研究人员利用量子传感器追踪神经活动！
Jenny Schloss（左）和Matthew Turner，博士。艺术与科学研究生院的候选人是最近关于使用氮空位中心 - 钻石中的原子级杂质 - 来追踪神经活动的论文的共同作者。“我们希望从单神经元水平一直了解大脑，因此我们设想这可以成为生物物理实验室和医学研究中有用的工具，”Schloss说。图片来源：Rose Lincoln / Harvard Staff Photographer。
它是世界上最纯净，最通用的材料之一，用于从珠宝到工业磨料到量子科学的各种用途。但是，一群哈佛科学家发现了钻石的新用途：跟踪大脑中的神经信号。
在哈佛大学脑科学和物理系中心的教授罗纳德沃尔斯沃思实验室工作的科学家们利用称为氮空位（NV）的钻石中的原子级量子缺陷来检测神经信号产生的磁场。一种非侵入性技术，可以对神经元的活动进行成像。
这项工作在最近发表在“ 美国国家科学院院刊”上的论文中有所描述，并与哈佛大学教师米哈伊尔（Misha）Lukin和宏坤公园合作完成。
“使用NV中心感知神经元磁场的想法始于大约10年前Ron Walsworth和Misha Lukin的初步工作，但很长一段时间我们的背后计算结果表明这些领域似乎是太小，无法检测到，而且技术还没有，“Jennifer Schloss博士说。学生和该研究的共同作者。
“这篇论文真的是第一步，表明测量来自各个神经元的磁场可以通过可扩展的方式完成，”博士说。学生和同事共同作者马修特纳。“我们希望能够对信号特征进行建模，并根据理论说，'这是我们期望看到的。' 我们的实验结果与这些预期一致。这种预测能力对于理解更复杂的神经元网络非常重要。“
由Schloss和Turner开发的系统的核心，与博士后科学家John Barry一起，是一个小巧的4×4毫米正方形和半毫米厚的金刚石晶圆，浸有数万亿个NV中心。
Schloss和Turner解释说，该系统是有效的，因为在神经元中传播的信号产生的磁场与NV中心的电子相互作用，巧妙地改变了它们的量子“自旋”状态。金刚石晶片浸泡在微波炉中，微波炉将NV电子置于两种自旋状态的混合物中。然后，神经元磁场引起两种状态之一中自旋部分的变化。使用限制在钻石上的激光，研究人员可以检测到这一部分，将神经信号读出为光学图像，而光线不会进入生物样本。
除了证明该系统适用于解剖神经元之外，Schloss，Turner和Barry还表明NV传感器可用于感知活的，完整的海洋蠕虫中的神经活动。
“我们意识到我们可以将整只动物放在传感器上并仍然检测到信号，因此它完全是非侵入性的，”特纳说。“这是使用磁场的一个原因提供了优于其他方法的优势。如果您以传统方式测量基于电压或光的信号，生物组织可能会扭曲这些信号。对于磁场，尽管信号随着间隔距离变小，信息得以保留。“
Schloss，Turner和Barry也能够证明神经信号从蠕虫的尾部到头部比从头到尾的传播速度更慢，并且它们的磁场测量结果与传导速度差异的预测相匹配。
虽然该研究证明NV中心可用于检测神经信号，但特纳表示，最初的实验旨在解决问题最容易解决的方法，使用产生特别大的磁场的强大神经元。该团队已经在努力进一步完善该系统，着眼于提高其灵敏度并寻求应用于神经科学的前沿问题。Schloss解释说，为了感知来自较小的哺乳动物神经元的信号，他们打算实施脉冲磁力测定方案，以实现每体积高达300倍的灵敏度。特纳说，下一步是实施一种高分辨率成像系统，希望在发射时产生神经元的实时光学图像。
“我们正在研究神经元的成像网络，持续时间长达数天，”Schloss说。“我们希望用这个来理解神经元之间的物理连接，而不是功能连接 - 信号实际传播的方式，以告知神经电路长期运行的方式。”
“现在没有任何工具可以告诉我们关于神经元活动我们想知道的一切，或者适用于所有感兴趣的系统，”特纳说。“这种量子金刚石技术为解决其中一些挑战提供了新的方向。由于先前的技术限制，成像神经元磁场在很大程度上是未开发的领域。”
Schloss说，希望有一天该工具可能会在生物医学研究人员或任何有兴趣了解大脑活动的人的实验室中找到一个家。“我们希望从单神经元水平一直了解大脑，因此我们设想这可能成为生物物理实验室和医学研究中有用的工具，”她说。“它具有无创性和快速性，光学读数可以实现各种应用，从研究神经退行性疾病到实时监测药物输送。”
沃尔斯沃思称赞该中心的Paul J. Finnegan家族总监Josh Sanes和执行董事Kenneth Blum的领导，以实现量子钻石技术的这种生物应用。“脑科学领导中心提供了重要的实验室空间和一个热情的跨学科社区，”他说。“这种特殊的环境使物理学家和工程师能够将量子技术转化为神经科学。”
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