|
https://www.nature.com/articles/s41598-023-39539-y
다이아몬드 양자 센서를 이용한 뇌 신경 전기 활동의 현미경 규모 자기 기록
PDF 다운로드
PDF 다운로드
기사
오픈 액세스
게시됨:2023년 7월 31일
다이아몬드 양자 센서를 이용한 뇌 신경 전기 활동의 현미경 규모 자기 기록
니콜라이 빈터 한센 ,제임스 루크 웹 ,…울리크 룬드 안데르센 저자 표시
과학 보고서 용량 13 , 기사 번호: 12407 ( 2023 ) 이 기사 인용
400 액세스
5 얼트메트릭
측정항목세부
추상적인
솔리드 스테이트 큐비트를 사용하는 양자 센서는 기존 장치를 사용하여 가능한 것 이상으로 뛰어난 감도를 입증했습니다. 특히, 다이아몬드의 컬러 센터를 기반으로 하는 것들은 마이크로웨이브를 사용하여 일관된 제어 하에서 형광의 장 의존적 방출을 이용하여 자기장에 대한 높은 감도를 입증했습니다. 다이아몬드의 높은 생체적합성 특성을 고려할 때 생물학적 샘플의 감지는 핵심적인 학제간 응용 분야입니다. 특히 온도와 생체자기장의 기록을 통해 생체에 대한 미시적 규모의 연구가 가능하다. 이 작업에서 우리는 그러한 양자 센서를 사용하여 깨지기 쉬운 살아있는 뇌 조직의 뉴런에서 전기 활동의 미세한 규모 기록을 시연합니다. 마우스의 이온 전류에 의해 유도되는 약한 자기장을 기록하여뇌량 축색 돌기 , 우리는 현장 약리학을 시연하면서 신경 활동 전위 전파에서 신호를 정확하게 복구합니다 . 우리의 센서는 신경 회로의 전기적 활동을 기록할 수 있으며, 그 중단은 질병 발생의 메커니즘을 밝힐 수 있습니다. 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 직접적인 상호 작용이 필요할 수 있는 활동을 기록하는 기존 기술과 달리 우리의 감지는 완전히 수동적이며 샘플에서 멀리 떨어져 있습니다. 우리의 결과는 신경 신호의 미세한 기록을 위한 유망한 새로운 길을 열어 살아있는 포유류 뇌의 전기 활동에 대한 미세한 이미징의 최종 전망을 제공합니다.
소개
뇌의 신경퇴행성 질환은 아밀로이드- β
(A β
) 및 타우 탱글 응집 1 , 2 또는 다발성 경화증의 경우 염증(MS ) 3 , 질병 의 증상 이 나타나기 훨씬 전에 발생할 수 있습니다 4 , 5 . 여기에는 활동 전위 전파의 변경과 관련된 미세한 물리적 구조적 변화가 포함됩니다 2 , 6. 퇴행의 초기 단계에서 소규모 기능적 변화를 연구하는 것은 질병 발생의 메커니즘을 이해하고 조기 개입 치료의 최종 개발을 위해 가장 중요합니다. 이 목표를 향한 핵심 도구는 동물 모델 1 , 7 , 8 에서 유도된 질병의 초기 발병에 대한 연구입니다 . 해부된 조직을 사용하여 초기 질병 발병에 대한 연구는 현재 패치 클램프 또는 다중 전극 어레이와 같은 기술 또는 전압에 민감한 염료의 도입 또는 유전적으로 암호화된 전압 이미징의 표현과 결합된 레이저/LED 조명에 의해 달성됩니다 9. 사용되는 전극의 유형에 따라 이전 기술은 침습적일 수 있으며 전기 접촉의 품질 또는 기본 또는 삽입 가능한 전극의 기계적 마모와 같은 설정 및 샘플 조건에 따라 실험의 데이터가 달라질 수 있습니다. 후자의 기술은 주변 조직 (10) 의 국소화된 광학 특성에 의존할 수 있으며, 유전 공학을 요구할 수 있으며 사용된 9 전압에 민감한 염료로 인해 고강도 레이저 광 및 세포 독성으로 인한 유해한 광독성을 가질 수 있습니다 . 또한, 두 기술 모두 표적 조직의 생물학에 따라 다를 수 있으므로 서로 다른 조직 또는 구조 간의 적응이 필요합니다. 예를 들어 Ca 2+
Axonal axial current의 이미징은 Ca 이온의 수가 적기 때문에 어려울 수 있으며, 이러한 구조 3을 포함하는 신경퇴행성 질환(예: MS)에 대한 연구에 어려움을 겪을 수 있습니다 .
따라서 이러한 단점 없이 해부된 생체 조직의 모든 종류에서 전기 활동의 반복 가능하고 수동적이며 미세한 규모의 기록을 허용하는 기술이 바람직합니다. 그러한 방법 중 하나는 뉴런의 활동 전위와 관련된 이온 전류에 의해 유도된 생체 자기장을 기록하는 것입니다. 이러한 자기장은 극도로 약하지만(나노-펨토-테슬라) 자기장은 최소한의 상호 작용으로 생물학적 조직에 자유롭게 침투하여 손상 및 신호 왜곡을 방지하고 원격 기록을 허용할 수 있습니다. 전체 인간 및 동물 대상의 저해상도 감지를 위해 자기장 감지가 자기 뇌파 검사로 성공적으로 구현되어 신체 외부에서 뇌의 전기 활동을 센티미터 규모의 영상으로 제공합니다. 그러나 이 방법론은 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)에 의존합니다.극저온 냉각 또는 고온 원자 증기를 각각 요구하는 11 개 이상의 최근 스핀 교환 완화(SERF) 12 센서. 다른 단점과 함께, 이러한 센서의 본질적으로 생체 적합하지 않은 특성은 특히 조직을 유지하기 위해 용액 욕조가 필요한 경우 미세한 규모의 기록에 필요한 대상 샘플에 충분히 근접(수십 마이크로미터)할 수 없다는 것을 의미합니다. 살아 있는.
따라서 필요한 것은 시험관 내에서 해부된 조직의 전기 활동을 현미경으로 분해하고 이미징할 수 있는 새로운 유형의 생체 적합성 센서입니다 . 지난 몇 년 동안 고체 물질의 광학적 활성 점 결함인 컬러 센터의 형태로 대안이 등장했습니다 13 . 컬러 센터, 특히 다이아몬드의 질소 공극 센터는 전기적 활동에 의해 유도된 생체 자기장을 감지하기 위한 차세대 양자 센서 14 로 사용되었습니다 15 , 16, 생체 적합성이 높은 호스트 재료에서 생물학적 표적 시스템과 독립적인 기본 물리적 원리에 기초한 전기 활동의 원격 및 수동 현미경 규모 기록을 제공합니다. 감지는 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR) 분광법의 원리를 통해 작동합니다 17, 여기서 생체 자기장은 제어 필드(마이크로파 및 레이저 광)로 조명 하에서 컬러 센터 형광 방출을 수정합니다. 절대 자기장 감도는 생물학적 샘플에 매우 근접한 컬러 센터와 강력한 제어 필드의 대규모 앙상블을 사용하여 최대화할 수 있습니다. 그러나 강력한 레이저 빛과 호스트 물질의 관련 가열 및 강력한 마이크로웨이브 필드(물 공명을 유도하는 잠재성)가 있는 이 설정은 깨지기 쉬운 생물학적 시스템에 큰 피해를 줄 수 있습니다. 이것은 인간 질병의 동물 모델에 가장 관심이 있는 연약한 포유류 조직보다는 보다 강력한 생물학적 샘플에 대한 컬러 센터 기반 현미경 감지의 적용 가능성을 제한했습니다.
이 작업에서 우리는 생체 자기장 기록을 사용하여 깨지기 쉬운 포유류 뇌 조직에서 조직의 활동 전위 전파에 대한 최초의 현미경 규모 기록을 입증하기 위한 원리 증명 실험에서 이러한 어려움을 극복했습니다. 뇌량의 축색 돌기에서 전파되는 활동 전위와 관련된 축 방향 전류의 자기장을 기록하기 위해 다이아몬드의 질소 공극 컬러 센터를 기반으로 하는 양자 센서를 사용합니다., 두 대뇌 반구를 연결하고 감각, 운동 및인지 정보의 통합을 가능하게합니다. 이 구조는 미세한 영역에서 고밀도의 축삭과 잘 연구되고 강력하며 정량화 가능한 생물학적 반응을 가지고 있어 생체 자기 기록에 매우 적합합니다. 또한 뇌량은 작은 규모의 기능적 변화와 위축이 신경변성 질환의 초기 지표가 될 수 있기 때문에 중요합니다 18 , 19
PDF 다운로드
PDF 다운로드
기사
오픈 액세스
게시됨:2023년 7월 31일
다이아몬드 양자 센서를 이용한 뇌 신경 전기 활동의 현미경 규모 자기 기록
니콜라이 빈터 한센 ,제임스 루크 웹 ,…울리크 룬드 안데르센 저자 표시
과학 보고서 용량 13 , 기사 번호: 12407 ( 2023 ) 이 기사 인용
400 액세스
5 얼트메트릭
측정항목세부
추상적인
솔리드 스테이트 큐비트를 사용하는 양자 센서는 기존 장치를 사용하여 가능한 것 이상으로 뛰어난 감도를 입증했습니다. 특히, 다이아몬드의 컬러 센터를 기반으로 하는 것들은 마이크로웨이브를 사용하여 일관된 제어 하에서 형광의 장 의존적 방출을 이용하여 자기장에 대한 높은 감도를 입증했습니다. 다이아몬드의 높은 생체적합성 특성을 고려할 때 생물학적 샘플의 감지는 핵심적인 학제간 응용 분야입니다. 특히 온도와 생체자기장의 기록을 통해 생체에 대한 미시적 규모의 연구가 가능하다. 이 작업에서 우리는 그러한 양자 센서를 사용하여 깨지기 쉬운 살아있는 뇌 조직의 뉴런에서 전기 활동의 미세한 규모 기록을 시연합니다. 마우스의 이온 전류에 의해 유도되는 약한 자기장을 기록하여뇌량 축색 돌기 , 우리는 현장 약리학을 시연하면서 신경 활동 전위 전파에서 신호를 정확하게 복구합니다 . 우리의 센서는 신경 회로의 전기적 활동을 기록할 수 있으며, 그 중단은 질병 발생의 메커니즘을 밝힐 수 있습니다. 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 직접적인 상호 작용이 필요할 수 있는 활동을 기록하는 기존 기술과 달리 우리의 감지는 완전히 수동적이며 샘플에서 멀리 떨어져 있습니다. 우리의 결과는 신경 신호의 미세한 기록을 위한 유망한 새로운 길을 열어 살아있는 포유류 뇌의 전기 활동에 대한 미세한 이미징의 최종 전망을 제공합니다.
소개
뇌의 신경퇴행성 질환은 아밀로이드- β
(A β
) 및 타우 탱글 응집 1 , 2 또는 다발성 경화증의 경우 염증(MS ) 3 , 질병 의 증상 이 나타나기 훨씬 전에 발생할 수 있습니다 4 , 5 . 여기에는 활동 전위 전파의 변경과 관련된 미세한 물리적 구조적 변화가 포함됩니다 2 , 6. 퇴행의 초기 단계에서 소규모 기능적 변화를 연구하는 것은 질병 발생의 메커니즘을 이해하고 조기 개입 치료의 최종 개발을 위해 가장 중요합니다. 이 목표를 향한 핵심 도구는 동물 모델 1 , 7 , 8 에서 유도된 질병의 초기 발병에 대한 연구입니다 . 해부된 조직을 사용하여 초기 질병 발병에 대한 연구는 현재 패치 클램프 또는 다중 전극 어레이와 같은 기술 또는 전압에 민감한 염료의 도입 또는 유전적으로 암호화된 전압 이미징의 표현과 결합된 레이저/LED 조명에 의해 달성됩니다 9. 사용되는 전극의 유형에 따라 이전 기술은 침습적일 수 있으며 전기 접촉의 품질 또는 기본 또는 삽입 가능한 전극의 기계적 마모와 같은 설정 및 샘플 조건에 따라 실험의 데이터가 달라질 수 있습니다. 후자의 기술은 주변 조직 (10) 의 국소화된 광학 특성에 의존할 수 있으며, 유전 공학을 요구할 수 있으며 사용된 9 전압에 민감한 염료로 인해 고강도 레이저 광 및 세포 독성으로 인한 유해한 광독성을 가질 수 있습니다 . 또한, 두 기술 모두 표적 조직의 생물학에 따라 다를 수 있으므로 서로 다른 조직 또는 구조 간의 적응이 필요합니다. 예를 들어 Ca 2+
Axonal axial current의 이미징은 Ca 이온의 수가 적기 때문에 어려울 수 있으며, 이러한 구조 3을 포함하는 신경퇴행성 질환(예: MS)에 대한 연구에 어려움을 겪을 수 있습니다 .
따라서 이러한 단점 없이 해부된 생체 조직의 모든 종류에서 전기 활동의 반복 가능하고 수동적이며 미세한 규모의 기록을 허용하는 기술이 바람직합니다. 그러한 방법 중 하나는 뉴런의 활동 전위와 관련된 이온 전류에 의해 유도된 생체 자기장을 기록하는 것입니다. 이러한 자기장은 극도로 약하지만(나노-펨토-테슬라) 자기장은 최소한의 상호 작용으로 생물학적 조직에 자유롭게 침투하여 손상 및 신호 왜곡을 방지하고 원격 기록을 허용할 수 있습니다. 전체 인간 및 동물 대상의 저해상도 감지를 위해 자기장 감지가 자기 뇌파 검사로 성공적으로 구현되어 신체 외부에서 뇌의 전기 활동을 센티미터 규모의 영상으로 제공합니다. 그러나 이 방법론은 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)에 의존합니다.극저온 냉각 또는 고온 원자 증기를 각각 요구하는 11 개 이상의 최근 스핀 교환 완화(SERF) 12 센서. 다른 단점과 함께, 이러한 센서의 본질적으로 생체 적합하지 않은 특성은 특히 조직을 유지하기 위해 용액 욕조가 필요한 경우 미세한 규모의 기록에 필요한 대상 샘플에 충분히 근접(수십 마이크로미터)할 수 없다는 것을 의미합니다. 살아 있는.
따라서 필요한 것은 시험관 내에서 해부된 조직의 전기 활동을 현미경으로 분해하고 이미징할 수 있는 새로운 유형의 생체 적합성 센서입니다 . 지난 몇 년 동안 고체 물질의 광학적 활성 점 결함인 컬러 센터의 형태로 대안이 등장했습니다 13 . 컬러 센터, 특히 다이아몬드의 질소 공극 센터는 전기적 활동에 의해 유도된 생체 자기장을 감지하기 위한 차세대 양자 센서 14 로 사용되었습니다 15 , 16, 생체 적합성이 높은 호스트 재료에서 생물학적 표적 시스템과 독립적인 기본 물리적 원리에 기초한 전기 활동의 원격 및 수동 현미경 규모 기록을 제공합니다. 감지는 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR) 분광법의 원리를 통해 작동합니다 17, 여기서 생체 자기장은 제어 필드(마이크로파 및 레이저 광)로 조명 하에서 컬러 센터 형광 방출을 수정합니다. 절대 자기장 감도는 생물학적 샘플에 매우 근접한 컬러 센터와 강력한 제어 필드의 대규모 앙상블을 사용하여 최대화할 수 있습니다. 그러나 강력한 레이저 빛과 호스트 물질의 관련 가열 및 강력한 마이크로웨이브 필드(물 공명을 유도하는 잠재성)가 있는 이 설정은 깨지기 쉬운 생물학적 시스템에 큰 피해를 줄 수 있습니다. 이것은 인간 질병의 동물 모델에 가장 관심이 있는 연약한 포유류 조직보다는 보다 강력한 생물학적 샘플에 대한 컬러 센터 기반 현미경 감지의 적용 가능성을 제한했습니다.
이 작업에서 우리는 생체 자기장 기록을 사용하여 깨지기 쉬운 포유류 뇌 조직에서 조직의 활동 전위 전파에 대한 최초의 현미경 규모 기록을 입증하기 위한 원리 증명 실험에서 이러한 어려움을 극복했습니다. 뇌량의 축색 돌기에서 전파되는 활동 전위와 관련된 축 방향 전류의 자기장을 기록하기 위해 다이아몬드의 질소 공극 컬러 센터를 기반으로 하는 양자 센서를 사용합니다., 두 대뇌 반구를 연결하고 감각, 운동 및인지 정보의 통합을 가능하게합니다. 이 구조는 미세한 영역에서 고밀도의 축삭과 잘 연구되고 강력하며 정량화 가능한 생물학적 반응을 가지고 있어 생체 자기 기록에 매우 적합합니다. 또한 뇌량은 작은 규모의 기능적 변화와 위축이 신경변성 질환의 초기 지표가 될 수 있기 때문에 중요합니다 18 , 19 , 20 , 21 .
생쥐의 뇌에서 해부된 조직 절편을 사용하여 절편이 carbogenated solution bath에서 시험관 내에서 살아 있게 유지되어 미세한 감지 영역 내의 callosal axons에서 전파되는 활동 전위의 자기장을 기록합니다. 기록은 슬라이스가 자기장 센서에서 물리적으로 분리되어 있고 슬라이스에 레이저 광선을 보낼 필요 없이 수동적으로 원격으로 수행됩니다. 우리는 myelinated 및 unmyelinated callosal axons에서 활동 전위에 해당하는 뚜렷한 특징을 가진 생체 자기 신호를 복구합니다. 우리는 뇌량 에 삽입된 침습성 프로브 전극을 사용하여 동시 전기 생리학적 측정으로 생체 자기 기록을 확인합니다.. 마지막으로, 우리는 기록하는 동안 조직에서 현장 약리학을 수행할 수 있는 능력을 보여 주며, 표적 생체 시스템 역학 연구와 질병에 대한 예상 약물의 효과를 최종적으로 평가하는 데 중요합니다. 이것은 나트륨 채널 차단제 테트로도톡신을 억제제로 사용하여 활동 전위 전파를 수정함으로써 달성됩니다 22 .
복합 활동 전위의 생체 자기 기록
센서 작동 원리 및 뇌의 슬라이스 위치. ( a ) 다이아몬드의 표면 아래 색상 중심(NV)으로 향하는 녹색 레이저 광이 뇌 조직 절편 위에 배치된 복합 활동 전위(cAP)에서 발생하는 자기장을 기록할 수 있는 센서 작동의 개략도(축척 아님) 다이아몬드. ( b ) cAP 관련 전류에 의해 유도된 필드를 기록하는 532nm 펌프 레이저에 의해 조명되는 컬러 센터의 작동 원리를 자세히 설명하는 측면 개략도. 레이저는 Kapton 절연층 아래의 얇은 Al 호일에 의해 반사되며 슬라이스를 통과하지 않습니다. ( c ) 실험에 사용된 슬라이스의 위치를 보여주는 마우스 뇌의 3D 다이어그램.