Araştırmacılar genellikle iki tip elektromanyetizmi izleyerek beyin fonksiyonlarını inceliyorlar: elektrik alanları ve ışık. Bununla birlikte, beyindeki bu fenomenleri ölçmek için çoğu yöntem çok invaziftir.
MIT mühendisleri, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) için minimal invazif bir sensör kullanarak beyindeki elektriksel aktiviteyi veya optik sinyalleri tespit etmek için yeni bir teknik geliştirdi. MRI ile beyindeki elektromanyetik sinyalleri izlenme tekniği, canlı dokudaki ışık veya elektrik alanlarını tespit etmek için kullanılabilir.
MRI, genellikle, dolaylı olarak beyin aktivitesini temsil eden kan akışındaki değişiklikleri ölçmek için kullanılır. Ancak MIT ekibi, küçük elektrik akımlarını ve ayrıca lüminesan proteinlerin ürettiği ışığı algılayabilen yeni bir MRI sensörü geliştirdiler. (Elektriksel impulslar beynin iç iletişiminden kaynaklanır. Optik sinyaller kimyagerler ve biyomühendisler tarafından geliştirilen çeşitli moleküller tarafından üretilebilir.)
MIT araştırmacısı Aviad Hai: “MRI, vücudun dışından bir şeyleri minimal invazif bir biçimde hissetmenin yolunu sunuyor. Beyin içerisinde kablolu bir bağlantı gerektirmez. Sensörü implante edebilir ve orada bırakabiliriz.” dedi.
Bu tür bir algılayıcı, nörobilimcilere beyindeki elektriksel aktiviteyi saptamak için mekansal olarak doğru bir yol gösterebilir. Araştırmacılar bu algılayıcıyı, ışığı ölçmek için de kullanabilir. Ayrıca, glukoz gibi kimyasalları ölçmek için de uyarlayabilir.
Elektrik Alanlarının Tespiti
MIT profesörü Alan Jasanoff’un laboratuvarı daha önce, serotonin ve dopamin gibi kalsiyum ve nörotransmitterleri tespit edebilen MRI sensörleri geliştirdi. Bu makalede, elektrik ve ışık gibi biyofiziksel olayları algılama yaklaşımlarını genişletmek istediler. Şu anda, beyindeki elektriksel aktiviteyi izlemenin en doğru yolu, çok invazif olan ve doku hasarına neden olabilen bir elektrot yerleştirmektir. Elektroensefalografi (EEG) beyindeki elektriksel aktiviteyi ölçmek için noninvazif bir yoldur. Ancak bu yöntem aktivitenin kökenini kesin olarak belirleyemez.
Araştırmacılar elektromanyetik alanları mekansal hassasiyetle tespit edebilecek bir sensör oluşturmak için, elektronik bir cihaz kullanabileceğini fark ettiler: küçük bir radyo anteni.
MRI, sudaki hidrojen atomlarının çekirdeklerinin yaydığı radyo dalgalarını tespit ederek çalışır. Bu sinyaller genellikle bir MRI tarayıcısı içinde büyük bir radyo anteni tarafından algılanır. Bu çalışma için MIT ekibi, radyo antenini sadece birkaç milimetreye kadar küçülterek beyin dokusundaki su tarafından üretilen radyo dalgalarını almak için doğrudan beyne implant edilebildi.
Sensör başlangıçta, hidrojen atomları tarafından yayılan radyo dalgalarıyla aynı frekansa ayarlanır. Daha sonra dokudan elektromanyetik bir sinyal aldığında, ayarı değişir ve sensör artık hidrojen atomlarının frekansına uymaz. Durum böyle iken, sensör harici bir MRI makinesi tarafından tarandığında daha zayıf bir görüntü ortaya çıkar. Araştırmacılar, sensörlerin aksiyon potansiyelleri (tekli nöronların ateşlediği elektriksel impulslar) veya yerel alan potansiyelleri (bir grup nöron tarafından üretilen elektrik akımlarının toplamı) tarafından üretilenlere benzer elektrik sinyallerini alabildiğini gösterdi.
Jasanoff: “Bu cihazların biyolojik ölçekli potansiyellere duyarlı olduğunu gösterdik. Özellikle beyin dokusunda biyolojik dokunun ürettiği şeyle milivolt cinsinden karşılaştırılabilir.”
Araştırmacılar, sensörlerin canlı beyin dokusunda sinyal alıp alamayacağını araştırmak için fareler üzerinde ek testler yaptılar. Bu deneyler için, protein lüsiferazını belirlemek ve hücreler tarafından yayılan ışığı algılamak için sensörleri tasarladılar.
Araştırmacılar normalde, lusiferazın kesin lokasyonunu, beyin veya diğer dokularda derin olduğu zaman belirleyemez. Bu yeni sensör, lusiferazın yararlılığını arttırmak ve ışık yayan hücreleri daha kesin olarak belirlemek için bir yol sunar. Lusiferaz genellikle başka bir ilgi konusu genle birlikte hücrelere işlenir. Araştırmacıların, üretilen ışığın ölçülmesiyle genlerin başarılı bir şekilde birleştirilip birleştirilemediğini belirlemesine izin verir.
Daha küçük sensörler
Bu sensörün diğer bir avantajı, herhangi bir güç kaynağına ihityaç duymamasıdır. Çünkü dış MRI tarayıcının yaydığı radyo sinyalleri, sensöre güç vermek için yeterlidir.
Araştırmacılar, beyindeki nöral sinyalleri tespit etmek için bu tip bir sensörün geliştirilmesi gerektiğini düşünmektedir. Ayrıca bu yöntem sayesinde kas kasılmaları veya kardiyak aktivite de dahil olmak üzere vücudun başka yerlerinde bulunan elektromanyetik olayları izlemek de mümkün olabilir.