新的MRI傳感器可對大腦深處的活動進行鈣成像

鈣是大多數細胞的關鍵信號分子，在神經元中尤為重要。腦細胞中的鈣成像可以揭示神經元如何相互通信。然而，目前的成像技術只能穿透幾毫米進入大腦。

傳感器專家網7月17日消息 近日，麻省理工學院的研究人員設計出一種基于磁共振成像(MRI)的鈣活性成像方法，可以讓傳感器更深入地了解大腦。使用這種技術，MRI傳感器可以跟蹤活體動物神經元內的信號傳導過程，將神經活動與特定行為聯系起來。

麻省理工學院的研究人員設計了一種MRI造影劑，可以檢測神經元內的鈣，使他們能夠密切跟蹤大腦活動

“我們研究了第一個基于MRI的細胞內鈣信號檢測，它直接類似于神經科學中廣泛使用的強大光學方法，但現在可以在深部組織中進行這種測量，”麻省理工學院麻省理工學院教授Alan Jasanoff說。

進入細胞

在他們的靜息狀態下，神經元具有非常低的鈣水平。然而，當他們發射電脈沖時，鈣會涌入細胞。在過去的幾十年中，科學家們已經設計出通過用熒光分子標記鈣來對這種活動進行成像的方法。這可以在實驗室培養的細胞或活體動物的大腦中進行，但這種顯微鏡成像只能穿透十分之幾毫米進入組織，將大多數研究限制在大腦表面。

“這些工具已經完成了令人驚奇的事情，但我們想要的東西可以讓我們自己和其他人更深入地了解細胞層信號，”Jasanoff說。

為了實現這一目標，麻省理工學院的團隊轉向MRI，這是一種非侵入性技術，通過檢測注入的造影劑和細胞內水分子之間的磁相互作用來發揮作用。

許多科學家一直在研究基于MRI的鈣傳感器，但主要的障礙是開發出可以進入腦細胞的造影劑。去年，Jasanoff的實驗室開發了一種可以測量細胞外鈣濃度的MRI傳感器，但這些傳感器是基于太大而無法進入細胞的納米顆粒。

為了制造新的細胞內鈣傳感器，研究人員使用了可以穿過細胞膜的構建塊。造影劑含有錳，一種與磁場微弱相互作用的金屬，與可以穿透細胞膜的有機化合物結合。該復合物還含有稱為螯合劑的鈣結合臂。

一旦進入細胞內，如果鈣水平低，則鈣螯合劑與錳原子弱結合，從而使錳免于MRI檢測。當鈣流入細胞時，螯合劑與鈣結合并釋放錳，這使得造影劑在MRI圖像中看起來更亮。

“當神經元或稱為神經膠質的其他腦細胞受到刺激時，它們的鈣濃度經常會增加十倍以上。我們的傳感器可以檢測到這些變化，“Jasanoff說。

精確測量

研究人員通過將大腦中的傳感器注入紋狀體進行測試，紋狀體位于大腦深處，參與規劃運動和學習新行為。然后他們使用鉀離子刺激紋狀體神經元的電活動，并能夠測量這些細胞中的鈣反應。

Jasanoff希望使用這種技術來識別涉及特定行為或行為的小型神經元簇。因為這種方法直接測量細胞內的信號傳導，所以它可以提供比傳統功能磁共振成像(fMRI)更精確的關于神經元活動的位置和時間的信息、傳統功能磁共振成像測量大腦中的血流量。

“這可能有助于弄清楚大腦中的不同結構如何協同工作來處理刺激或協調行為，”他說。

此外，該技術可用于對鈣進行成像，因為它具有許多其他作用，例如促進免疫細胞的活化。通過進一步的修改，它有一天也可用于對大腦或其功能依賴鈣的其他器官(例如心臟)進行診斷成像。