p É um dos materiais mais puros e versáteis do mundo, com usos em tudo, desde joias a abrasivos industriais e ciências quânticas. Mas um grupo de cientistas de Harvard descobriu um novo uso para os diamantes:rastrear sinais neurais no cérebro. p Usando defeitos quânticos em escala atômica em diamantes conhecidos como centros de vacância de nitrogênio (NV) para detectar o campo magnético gerado por sinais neurais, cientistas que trabalham no laboratório de Ronald Walsworth, um membro do corpo docente do Centro de Ciência do Cérebro de Harvard e Departamento de Física, demonstraram uma técnica não invasiva que pode gerar imagens da atividade dos neurônios.

p O trabalho foi descrito em um artigo recente no Anais da Academia Nacional de Ciências , e foi realizado em colaboração com os membros do corpo docente de Harvard Mikhail (Misha) Lukin e Hongkun Park.

p "A ideia de usar centros NV para detectar campos magnéticos de neurônios começou com o trabalho inicial de Ron Walsworth e Misha Lukin há cerca de 10 anos, mas por um longo tempo nossos cálculos back-of-the-envelope fizeram parecer que os campos seriam muito pequenos para serem detectados, e a tecnologia ainda não estava lá, "disse Jennifer Schloss, um Ph.D. aluno e co-autor do estudo.

p "Este artigo é realmente o primeiro passo para mostrar que medir os campos magnéticos de neurônios individuais pode ser feito de forma escalonável, "disse o estudante de doutorado e co-autor Matthew Turner." Queríamos ser capazes de modelar as características do sinal, e diz, baseado na teoria, 'Isso é o que esperamos ver.' Nossos resultados experimentais foram consistentes com essas expectativas. Essa capacidade preditiva é importante para a compreensão de redes neuronais mais complicadas. "

p No coração do sistema desenvolvido por Schloss e Turner, junto com o cientista pós-doutorado John Barry, é um minúsculo - apenas 4 por 4 milímetros quadrados e meio milímetro de espessura - wafer de diamante impregnado com trilhões de centros NV.

p O sistema funciona, Schloss e Turner explicaram, porque os campos magnéticos gerados por sinais que viajam em um neurônio interagem com os elétrons nos centros NV, mudando sutilmente seu estado de "spin" quântico. O wafer de diamante é banhado em microondas, que coloca os elétrons NV em uma mistura de dois estados de spin. Um campo magnético de neurônio causa então uma mudança na fração de spins em um dos dois estados. Usando um laser restrito ao diamante, os pesquisadores podem detectar essa fração, lendo o sinal neural como uma imagem óptica, sem luz entrando na amostra biológica.

p Além de demonstrar que o sistema funciona para neurônios dissecados, Schloss, Torneiro, e Barry mostrou que os sensores NV podem ser usados ​​para detectar a atividade neural ao vivo, vermes marinhos intactos.

p "Percebemos que poderíamos simplesmente colocar o animal inteiro no sensor e ainda detectar o sinal, então é completamente não invasivo, "Turner disse." Esse é um motivo pelo qual o uso de campos magnéticos oferece uma vantagem sobre outros métodos. Se você medir sinais baseados em tensão ou luz de formas tradicionais, o tecido biológico pode distorcer esses sinais. Com campos magnéticos, embora o sinal fique menor com a distância de afastamento, a informação é preservada. "

p Schloss, Torneiro, e Barry também foi capaz de mostrar que os sinais neurais viajavam mais lentamente da cauda do verme para a cabeça do que da cabeça para a cauda, e suas medições de campo magnético corresponderam às previsões desta diferença na velocidade de condução.

p Embora o estudo comprove que os centros NV podem ser usados ​​para detectar sinais neurais, Turner disse que os experimentos iniciais foram projetados para lidar com a abordagem mais acessível para o problema, usando neurônios robustos que produzem campos magnéticos especialmente grandes. A equipe já está trabalhando para refinar ainda mais o sistema, com o objetivo de melhorar sua sensibilidade e buscar aplicações para problemas de fronteira em neurociência. Para detectar sinais de neurônios mamíferos menores, Schloss explicou, eles pretendem implementar um esquema de magnetometria pulsada para obter uma sensibilidade até 300 vezes melhor por volume. O próximo passo, disse Turner, está implementando um sistema de imagem de alta resolução na esperança de produzir em tempo real, imagens ópticas de neurônios enquanto disparam.

p "Estamos analisando redes de imagens de neurônios por longos períodos, até dias, "disse Schloss." Esperamos usar isso para entender não apenas a conectividade física entre os neurônios, mas a conectividade funcional - como os sinais realmente se propagam para informar como os circuitos neurais operam a longo prazo. "

p "Nenhuma ferramenta que existe hoje pode nos dizer tudo o que queremos saber sobre a atividade neuronal ou ser aplicada a todos os sistemas de interesse, "Turner disse." Esta tecnologia de diamante quântico apresenta uma nova direção para lidar com alguns desses desafios. A geração de imagens de campos magnéticos de neurônios é uma área amplamente inexplorada devido às limitações tecnológicas anteriores. "

p A esperança, Schloss disse, é que a ferramenta pode um dia encontrar um lar nos laboratórios de pesquisadores biomédicos ou qualquer pessoa interessada em entender a atividade cerebral.

p "Queremos entender o cérebro desde o nível de um único neurônio até o topo, portanto, imaginamos que isso poderia se tornar uma ferramenta útil tanto em laboratórios de biofísica quanto em estudos médicos, "disse ela." Não é invasivo e rápido, e a leitura óptica pode permitir uma variedade de aplicações, desde o estudo de doenças neurodegenerativas até o monitoramento da administração de medicamentos em tempo real. "

p Walsworth credita a liderança de Josh Sanes, o Diretor da Família Paul J. Finnegan do centro, e Kenneth Blum, diretor-executivo, para permitir esta aplicação biológica da tecnologia do diamante quântico. "A liderança do Center for Brain Science forneceu o espaço de laboratório essencial e um ambiente acolhedor, comunidade interdisciplinar, "disse ele." Este ambiente especial permite que cientistas físicos e engenheiros traduzam a tecnologia quântica em neurociência. " p Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.