导读

近日，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们发明了一项新技术，采用微创的传感器进行磁共振成像（MRI），检测脑中的电活动或者光信号。

背景

研究脑功能，研究人员们通常是通过检测两种类型的电磁学：电场与光线。然而，测量脑中这些现象的大部分方法，例如插入一个电极，都是非常具有侵入性的，会引起组织损伤。虽然脑电图（EEG）是测量脑中电活动的一种非侵入性方法，但是这种方法无法精准定位活动的起源。

（图片来源：JanneM via Flickr）

创新

近日，美国麻省理工学院（MIT）的工程师们发明了一项新技术，采用微创的传感器进行磁共振成像（MRI），检测脑中的电活动或者光信号。

MRI 通常用于测量血流量的变化，这一变化间接代表了脑活动。然而，MIT 团队开发出一种新型 MRI 传感器，可以检测微弱的电流以及发光蛋白质产生的光线。（电脉冲产生于脑内的通信，而光信号产生于化学家与生物工程师们开发的各种分子。）

（图片来源：Felice Frankel）

MIT 博士后研究员、论文第一作者 Aviad Hai 表示：“MRI 提供一种从人体外部以微创的方式感知事情的方式。它不需要通过线接入脑内。我们可以植入传感器并将它留在那里。”

这种传感器为神经科学家们提供了一种空间上精准的方式，精准定位脑内电活动。研究成员称，它也可以用于测量光线，以及测量化学物质，例如葡萄糖。

MIT 生物工程、脑以及认识科学、核科学与工程教授，以及 MIT McGovern 脑研究所的准会员 Alan Jasanoff 是论文的高级作者。论文发表在10月22日的《自然生物医学工程（Nature Biomedical Engineering）》期刊上。博士后 Virginia Spanoudaki 和 Benjamin Bartelle 也是论文的作者。

技术

之前，Jasanoff 的实验室开发的 MRI 传感器，可检测钙与神经递质，例如5-羟色胺和多巴胺。在论文中，他们想要扩展他们的方案以检测生物物理现象，例如电与光。

为了创造出一种既有空间精度又能检测电磁场的方法，研究人员意识到可采用电子设备，确切一点说，一个微型无线电天线。

MRI 的工作方式是检测水中氢原子核发出的无线电波。这些信号通常是由核磁共振扫描仪中的大型无线电天线来检测。为了这项研究，MIT 团队将无线电天线的尺寸缩小到几毫米，从而可以直接植入到脑中接收由脑组织中的水分产生的无线电波。

起初，该传感器被调谐至与氢原子激发出的无线电波相同的频率。当传感器接收到来自组织中的电磁信号时，它的调谐发生变化，传感器不再匹配氢原子的频率。此时，传感器会被外部的 MRI 机器扫描到，并生成一幅较弱的图像。

研究人员演示了这些传感器可以接收类似于动作电位（单个神经元激发的电脉冲）或者局部场电位（一组神经元产生的电流总和）产生的电信号。

Jasanoff 表示：“我们展示了这些设备对生物学标度（毫伏级）的电位敏感，这刚好与生物组织特别是脑产生的电位相当。”

研究人员们在大鼠中展开了更多的测试，来研究这些传感器是否能够接收活的脑组织中的信号。为了展开这些实验，研究人员设计了这种传感器，以检测由表达蛋白荧光素酶的细胞所发出的光线。

通常来说，当萤光素酶位于脑或者其他组织深处时，其确切位置无法判断。研究人员称，因此，新型传感器提供一种方法，能够拓展萤光素酶的用途以及更加精准地定位出发光细胞。萤光素酶通常会与其他感兴趣的基因一起被放置到细胞中，研究人员们可以通过它产生的光线去判断基因是否成功地融入。

价值

这种传感器的主要优势之一就是，无需携带任何电源，因为外部核磁共振扫描仪发出的无线电信号足以为传感器提供能量。

Hai 将于一月份加入威斯康星大学麦迪逊分校，他计划进一步小型化这些传感器，从而让更多的它们可以被注入，对更大的脑部区域的光线或者电场进行成像。在这篇论文中，研究人员通过建模展示，250微米的传感器能检测100毫伏级的电活动，类似于神经动作电位中的电流量。

（图片来源于研究人员）

Jasanoff 的实验室对于采用这种传感器检测脑中的神经信号感兴趣，他们设想这种传感器也可以用于监测体内其他地方的电磁现象，包括肌肉收缩或心脏活动。

Jasanoff 表示：“如果这些传感器是几百微米级的（建模表明这正是该技术未来的样子），那么你可以想象采用一个注射器，注入一大群这种传感器，并且把它们留在那里。传感器布满整个组织，可以提供许多的局部读数。”

关键字

脑、传感器、无线电

参考资料

【1】https://news.mit.edu/2018/monitoring-electromagnetic-signals-brain-mri-1022

【2】Aviad Hai, Virginia Ch. Spanoudaki, Benjamin B. Bartelle, Alan Jasanoff. Wireless resonant circuits for the minimally invasive sensing of biophysical processes in magnetic resonance imaging. Nature Biomedical Engineering, 2018; DOI: 10.1038/s41551-018-0309-8