Fysikere har jobbet ut hvordan å måle magnetfelt generert av ett nerver fra utenfor kroppen og ved romtemperatur.
Biologer har kjent at nerver produsere og svare til elektriske signaler siden det 18. århundre, når Luigi Galvani oppdaget at musklene i en frosk ben trekning når stimulert av en gnist.
Imidlertid er det systematiske studiet av de elektriske signalene som nerver produsere måtte vente helt til begynnelsen av det 20. århundre for utviklingen av følsomme elektriske opptak utstyr som katoden ray-oscilloskop.
Denne utviklingen har bidratt til forståelsen av nervøs funksjon. Måter nerver gjennomføre signaler kan være en kraftig indikator for sykdommer som multippel sklerose og kan til og med oppdage visse typer rus.
Og ennå metoden har noen ulemper. For eksempel, måling av elektriske signaler i nerver ved å stikke inn en nål-lignende elektrode er noe invasive, og bare handle om å feste en elektrode på en nerve kan endre signalet, noe som gjør resultatene vanskelig å tolke. Så nevrologer har lenge håpet på en ikke-invasiv teknikk som kan gjøre jobben i stedet.
Som kan være i ferd med å skje takket være arbeidet til Kasper Jensen ved Universitetet i København i Danmark og et par kompiser som har utviklet en enkel måte å måle magnetiske felt forbundet med elektriske signaler i nervene. Teknikken kan bane vei for en ny generasjon av diagnostiske verktøy for å oppdage sykdommer knyttet til nerve funksjon og for å forstå den grunnleggende funksjon av nerver.
Først noen grunnleggende. Når en nerve branner, det sender et elektrisk signal som kalles en handling potensial langs dens lengde. Denne elektriske pulsen også genererer et magnetisk felt. Forskere har vært i stand til å måle puls dette siden 1980-tallet ved hjelp av BLEKKSPRUT magnetometers som må nøye avkjølt til superledende temperaturer.
Sensing del av enheten er en liten spiral der nerve har til å kjøre. Så denne teknikken kan brukes for in vivo-måling. Og selv om disse enhetene har blitt mer praktisk, er de fortsatt avhengige av superledende teknologi som er kostbart å oversette i en klinisk setting.
Så en måte å måle disse magnetiske felt på avstand og ved romtemperatur ville være svært nyttig. Og det er akkurat det som Jensen og co har gjort.
Disse gutta har bygget en sensor som bruker en laserstråle til å oppdage effekten av et magnetisk felt på gassform cesium atomer, som polarize lys når de blir magnetisert. Såkalte optiske magnetometers er enormt kraftig enheter som er begrenset i følsomhet bare ved å kvantifisere effekter som kvante-shot noise av lys.
Dette er viktig fordi, i hvert fall i teorien, det gir dem muligheten til å oppdage de feltene som er forbundet med nerver i en avstand på flere millimeter. Så de kan sitte utenfor kroppen mens du måler et felt som produseres inne i den.
Det er en annen viktig fordel. Optisk magnetometers fungere godt i romtemperatur og enda bedre og kroppstemperatur. Sensorene er også liten—bare et par millimeter over—så de er ideelle for kliniske settinger. Faktisk, de har vært brukt ved ulike anledninger for nettopp dette formålet.
Men til nå, disse kliniske enheter har aldri jobbet på quantum grense og har derfor ikke er følsomme nok til å registrere feltene fra individuelle nerve fibre.
Gjennombruddet som Jensen og co har oppnådd er å drive en optisk magnetometer på quantum grense ved romtemperatur for første gang i denne biologiske innstillingen.
Jensen og co setter enheten gjennom sine skritt ved å sanse den magnetiske felt generert av frosk sciatic nerver fra noen millimeter unna. Dette feltet viser seg å være i størrelsesorden et par picoTesla men sub-picoTesla målinger er mulig. Ved sammenligningen, Jordens magnetfelt er noen tre størrelsesordener sterkere.
Enheten kan operere kontinuerlig som tillatt laget for å måle formen av det magnetiske feltet som genereres av nerve som det er stimulert. “Vi har utført ikke-invasiv påvisning av nerve impulser fra frosk hoftenervene ved å måle magnetfelt generert av nerve med en rom-temperatur sensor med nær quantum begrenset følsomhet,” sier Jensen og co.
Det er interessant arbeid som har viktige anvendelser i medisinsk diagnostikk. “Magnetometer [er] perfekt for medisinsk diagnostikk i fysiologiske/kliniske områder som cardiography av fostre, synaptisk svar i netthinnen, og magnetoencephalography,” sier teamet.
Det er sikkert ikke lang tid før denne gruppen, eller en annen, begynner å gjøre nettopp disse typer målinger i menneskelige motiver. Så det er bare mulig at denne utviklingen vil ha en lignende effekt på studiet av nerve conduction som utviklingen av følsomme elektriske opptaksutstyr på 1920-tallet.
Ref: arxiv.org/abs/1601.03273 : Non-Invasive Påvisning av Dyr Nerve Impulser med en Atomic Magnetometer som Opererer i Nærheten av Quantum Begrenset Følsomhet