Fysiker har räknat ut hur att mäta magnetiska fält som genereras av en enda nerverna utanför kroppen och i rumstemperatur.
Biologer har känt att nerver producera och svara till elektriska signaler som sedan den 18: e talet, då Luigi Galvani upptäckte att musklerna i en grodas ben att rycka till när det stimuleras av en gnista.
Men det systematiska studiet av elektriska signaler som får nerver att producera tvungen att vänta tills början av 20-talet för utveckling av känslig elektronisk utrustning för att spela in sådana som cathode ray oscilloskop.
Denna utveckling har revolutionerat förståelse för nervsystemets funktion. Hur nerver genomföra signaler kan vara en stark indikator för sjukdomar som multipel skleros (ms) och kan även upptäcka vissa typer av berusning.
Och ännu metoden har vissa nackdelar. Till exempel mätning av elektriska signaler i nerverna genom att sätta in en nål-liknande elektrod är något invasiv, och blotta fästa en elektrod på en nerv kan ändra signal, vilket gör resultaten svåra att tolka. Så neuroforskare har länge hoppats på en icke-invasiv teknik som kan göra jobbet istället.
Som kan vara på väg att hända tack vare det arbete som Kasper Jensen på Köpenhamns Universitet i Danmark och ett par kompisar som har utvecklat ett enkelt sätt att mäta magnetiska fält i samband med elektriska signaler i nerverna. Den teknik som skulle kunna bana väg för en ny generation av diagnostiska verktyg för att upptäcka sjukdomar som kan kopplas till nervsystemets funktion och för att förstå den grundläggande funktionen av nerver.
Först vissa grunder. När en nerv bränder, det skickar en elektrisk signal som kallas en åtgärd potential längs dess längd. Detta elektrisk puls också genererar ett magnetiskt fält. Forskarna har kunnat mäta detta puls sedan 1980-talet med hjälp av SQUID-magnetometrar som måste vara noga kyls till supraledande temperaturer.
Avkänning del av anordningen som är en liten spole genom vilken nerv har att köra. Så denna teknik kan inte användas för in vivo-mätning. Och även om dessa enheter har blivit mer praktiskt, de förlitar sig fortfarande på supraledande teknik som är dyrt att översätta i en klinisk miljö.
Så ett sätt att mäta dessa magnetiska fält på ett avstånd och vid rumstemperatur skulle vara enormt nyttigt. Och det är precis vad Jensen och co har gjort.
Dessa killar har byggt en sensor som använder en laserstråle för att identifiera effekten av ett magnetfält på gasformiga cesium atomer, som polarisera ljuset när de är magnetiserade. Så kallade optiska magnetometrar är enormt kraftfulla enheter som är begränsade i känslighet endast genom kvantmekaniska effekter såsom quantum shot noise av ljus.
Det är viktigt eftersom det, åtminstone i teorin, gör det möjligt för dem att identifiera de områden som är förknippade med nerver på ett avstånd av flera millimeter. Så kan de sitta utanför kroppen medan mätning av ett fält som produceras inne i det.
Det finns en annan viktig fördel. Optisk magnetometrar fungerar utmärkt i rumstemperatur och ännu bättre och kroppstemperatur. Sensorerna är också liten—bara ett par millimeter över—så att de är idealiska för kliniska inställningar. Visst, de har använts vid flera tillfällen för just detta ändamål.
Men tills nu har dessa kliniska enheter har aldrig arbetat på quantum gräns och så har inte varit tillräckligt känslig för att upptäcka fält från enskilda nervtrådar.
Det genombrott som Jensen och co har uppnått är att använda en optisk magnetometer på quantum gräns vid rumstemperatur för första gången i denna biologiska miljö.
Jensen och co sätta enheten genom sin takt genom avkänning magnetiska fält som alstras av grodan ischias nerver från några millimeter bort. Detta fält visar sig vara i närheten av några picoTesla men sub-picoTesla mätningar är möjliga. Som jämförelse är Jordens magnetfält är cirka tre tiopotenser starkare.
Enheten kan fungera kontinuerligt vilket gjorde teamet för att mäta form av magnetiska fält som genereras av den nerv som det stimuleras. “Vi har utfört icke-invasiv detektion av nervimpulser från grodan ischiasnerven genom att mäta magnetiska fält som genereras av nerv med en rums-temperatur sensor med nära quantum begränsad känslighet, säger Jensen och co.
Det är intressant arbete som har viktiga tillämpningar inom medicinsk diagnostik. “Magnetometern [är] perfekt för medicinsk diagnostik i fysiologiska och kliniska områden som cardiography av foster, synaptic svar i näthinnan, och magnetoencephalography,” säger team.
Det är säkert inte lång tid innan denna lag, eller en annan, börjar att göra just dessa typer av mätningar i mänskliga motiv. Så det är bara möjligt att denna utveckling kommer att ha en liknande inverkan på studien av nervledning utveckling av känslig elektronisk utrustning för att spela in på 1920-talet.
Ref: arxiv.org/abs/1601.03273 : Icke-Invasiv Detektion av Djur nervimpulser med en Atomic-Magnetometer arbetar Nära Quantum Begränsad Känslighet