科學家發明新的mri感測器可以對大腦深處的活動進行成像

鈣是大多數細胞的重要信號分子，在神經元中尤為重要。在腦細胞中成像鈣可以揭示神經元之間是如何交流的；然而，目前的成像技術只能穿透幾毫米進入大腦。

麻省理工學院的研究人員現在設計了一種基於磁共振成像(MRI)的鈣活動圖像的新方法，使他們能夠更深入地觀察大腦。利用這一技術，它們可以跟蹤活動物神經元內的信號傳遞過程，使它們能夠將神經活動與特定行為聯繫起來。

麻省理工學院生物工程、大腦和認知科學、核科學和工程學教授艾倫·賈桑諾夫(Alan Jasanoff)說：「本文描述了第一次基於MRI的細胞內鈣信號檢測，它直接類似於在神經科學中廣泛使用的強有力的光學方法，但現在可以在深部組織中進行這種測量，」艾倫·賈桑諾夫(Alan Jasanoff)說。麻省理工學院麥戈文大腦研究所的準成員。

賈桑諾夫是這篇論文的資深作者，該論文發表在2月22日出版的自然通訊。麻省理工學院博士後Ali Barandov和Benjamin Bartelle是論文的主要作者。麻省理工學院高級凱瑟琳·威廉姆森、麻省理工學院最近畢業的艾米麗·盧克斯和化學榮譽教授阿瑟·阿莫斯·諾伊斯也是這項研究的作者。

進入細胞

在靜息狀態下，神經元的鈣含量很低。然而，當它們發出電脈衝時，鈣就會湧向細胞。在過去的幾十年裡，科學家們通過用熒光分子標記鈣來想像這種活動。這可以在實驗室培養皿中生長的細胞中完成，也可以在活體動物的大腦中完成，但這種顯微成像技術只能將十分之一毫米的圖像穿透到組織中，從而限制了大部分研究的範圍。

jasanoff說：「使用這些工具可以做一些令人驚奇的事情，但我們希望能夠讓我們自己和其他人更深入地觀察細胞級信號。」

為了達到這個目的，麻省理工學院的研究小組轉向了磁共振成像，這是一種非侵入性技術，它通過檢測注射造影劑與細胞內水分子之間的磁相互作用來工作。

許多科學家一直在研究基於mri的鈣感測器，但主要的障礙是開發一種能進入腦細胞內的造影劑。去年，Jasanoff的實驗室開發了一種MRI感測器，可以測量細胞外鈣濃度，但這些感測器的基礎是納米顆粒，這些納米粒子太大，無法進入細胞。

為了製造新的細胞內鈣感測器，研究人員使用了可以穿過細胞膜的積木。造影劑中含有錳，錳是一種與磁場弱相互作用的金屬，與一種能穿透細胞膜的有機化合物結合。這種複合物還含有一種叫做螯合劑的鈣結合臂.

一旦進入細胞內，如果鈣水準較低，鈣螯合劑就會弱地與錳原子結合，從而屏蔽錳的MRI檢測。當鈣流入細胞時，螯合劑與鈣結合併釋放錳，這使得對比劑在MRI圖像中顯得更加明亮。

賈桑諾夫說：「當神經元或其他被稱為膠質細胞的腦細胞受到刺激時，它們的鈣濃度往往會增加十倍以上。我們的感測器可以檢測到這些變化。」

精確測量

研究人員通過將紋狀體注射到大鼠身上來測試他們的感測器。紋狀體是大腦深處的一個區域，參與規劃運動和學習新的行為。然後，他們使用鉀離子刺激紋狀體神經元的電活動，並能夠測量這些細胞中的鈣反應。

Jasanoff希望利用這一技術來識別參與特定行為或行為的小神經元群。由於這種方法可以直接測量細胞內的信號，因此與傳統的功能磁共振成像(FMRI)相比，它可以提供更精確的神經元活動位置和時間信息。

他說：「這可能有助於弄清楚大腦中的不同結構是如何協同處理刺激或協調行為的。」

此外，這一技術可以用來模擬鈣，因為它發揮了許多其他作用，如促進免疫細胞的激活。經過進一步的改進，它也有一天可以用於大腦或其他功能依賴於鈣的器官的診斷成像，如心臟。

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