Elmas kuantum sensörleri nöronal aktiviteyi ölçüyor

İnsanlar demans gibi beyin hastalıklarının belirtilerini yaşamadan önce, genellikle beyin dokusunda hafif değişiklikler meydana gelir. Beynin bazı kısımları şişmiş veya protein yığınları oluşmuş olabilir. Bu küçük değişiklikler beyindeki nöronların birbirlerine nasıl sinyal gönderip iletişim kurduğunu, bilgileri nasıl işleyip sakladıklarını etkileyebilir.

Tıp bilimcileri hastalığın çok erken evrelerinde meydana gelen bu ince değişiklikleri incelemek istiyor. Bu şekilde amaç, hastalığın nedenleri hakkında daha fazla bilgi edinerek yeni anlayışlar ve daha etkili tedaviler sağlamaktır. Bugün, beynin mikroskobik çalışmaları iki stratejiden biriyle gerçekleştirilmektedir: incelenen hastalığa sahip hayvanlardan veya ölen hastalardan alınan beyin dokusu örneklerinin görsel olarak incelenmesi veya teller, boyama veya ışık kullanılarak nöronlardan gelen sinyallerin ölçülmesi.

Ancak bu yöntemlerin bazı sınırlamaları vardır: doku hasarına veya sinyalin değişmesine yol açabilirler. Ayrıca incelediğiniz dokuya bağlı olarak farklı şekilde çalışabilirler; Belirli bir hastalıkla ilgili nöronların bazı kısımlarından gelen sinyalleri ölçmek zor olabilir.

Numuneyi değil alanı ölçün

DTU, Kopenhag Üniversitesi, Kopenhag Üniversitesi Hastanesi, Sorbonne Üniversitesi ve Leipzig Üniversitesi’nden bilim insanları, beyin dokusundan gelen sinyalleri dokunmadan veya içine iğne probları yerleştirmeden ölçmenin bir yolunu buldular. Bunu, nöronların iletişim kurduklarında ürettikleri zayıf manyetik alanları ölçerek yapıyorlar. Bunu yaparken, manyetik alanın doku içerisinde değişmeden ilerlemesi gerçeğinden yararlandılar.

“Genel olarak fikir, manyetik alan algılamanın sonuçta müdahalesiz olduğu yönündedir. Elektrotları veya probları yerleştirmenize veya analiz etmek istediğiniz dokuyu boyamanıza gerek yoktur. Ayrıca indüklenen manyetik alan yakalandığı için aktivite hakkında bilgi elde edilir. Projeyi denetleyen ve çalışmanın ortak yazarlarından biri olan DTU fizik görevlisi Profesör Alexander Haack, “sisteme gerçek bir sensör yerleştirmeden veya onu başka bir şekilde değiştirmeden” diyor.

İnsan vücudunda indüklenen manyetik alanların ölçülmesi temelde yeni değildir ancak genellikle büyük ve kriyojenik soğutma gerektiren özel ekipman gerektirir. Hal böyle olunca geleneksel yöntemler, bırakın insan beyninden alınan dokuyu, küçük canlı doku örneklerinin ölçümü için bile uygun değil.

Bu projede bilim adamlarından oluşan ekip, sentetik elmas kristallerindeki küçük, kasıtlı kusurlardan yararlanıyor. Bu kusurlara renk merkezleri veya teknik olarak nitrojen boşluk merkezleri/NV merkezleri denir. NV merkezleri terimi, elmasta bir karbon atomunun bir nitrojen atomu ile değiştirilmesi ve bir boşluğun yanına, yani atomun bulunmadığı yere yerleştirilmesi gerçeğinden türetilmiştir. Bu, merkezlerin ışığı emmesine ve enerji serbest bırakıldığında ışık yaymasına olanak tanır.

“Bu NV renk merkezlerinde ayrıca spinli eşleşmemiş etkin bir elektron bulunur ve eğer manyetik bir alan varsa elektronun spini o alanın etrafında salınır. Yani manyetik alan artar veya azalırsa biraz daha hızlı salınır veya biraz daha yavaştır ve bu Değişiklikleri NV renk merkezlerinden gelen ışık emisyonu yoluyla ölçebiliriz,” diye açıklıyor Alexander Haack.

Henüz erken bir aşamada

Deney düzeneği şu şekildedir: Santimetre ölçeğindeki bir bölmede, alüminyum folyodan yapılmış yalıtım katmanlarının üzerine bir dilim beyin dokusu yerleştirilir. Elmas, odanın tabanında, yalıtım katmanlarının altındaki bir deliğe yerleştirilir. Daha sonra yeşil bir lazer ve mikrodalga anteni elmasın renk merkezine yönlendirilir ve elmastan gelen ışık emisyonu kaydedilir. Bilim insanları dokudaki nöronları eş zamanlı olarak ateşlenmeye teşvik ettiğinde, renk merkezlerinden gelen ışık emisyonunun parlaklığındaki değişiklikleri ölçebiliyorlar.