В Массачусетском технологическом институте разработан новый датчик МРТ

В Массачусетском технологическом институте разработан новый датчик МРТ

Выпуск 6(6680) от 21 марта 2019 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Неинвазивные методы измерения уровня кальция способны пролить свет на роль нейронов при формировании различных типов поведения живых организмов.

Кальций – ​критически важная сигнальная молекула для большинства клеток живых организмов и прежде всего нейронов мозга. В состоянии покоя в нейронах наблюдается очень низкий уровень кальция, который увеличивается при возникновении электрического импульса. В некоторых случаях концентрация кальция в нейронах и глиальных клетках мозга увеличивается десятикратно. В нейробиологии широко применяются оптические методы исследования кальция в клетках, которые в основном предназначены для использования в лабораторных условиях, в том числе последние несколько десятилетий использовалась маркировка флуоресцентными молекулами. Если говорить о методах измерения уровня кальция непосредственно в клетках мозга живых организмов, то здесь в настоящее время применяются методы микроскопической визуализации, позволяющие исследовать лишь поверхностные слои мозга (не глубже нескольких десятых миллиметра).

Пытаясь преодолеть указанные ограничения, ученые Массачусетского технологического института при финансовой поддержке Национального института здравоохранения США разработали новый МРТ-метод измерения уровня кальция, позволяющий изучать более глубокие слои мозга. Техника помогает отслеживать сигнальные процессы внутри нейронов, что дает возможность связать нейронную активность с определенным типом поведения живых организмов.

МРТ – ​неинвазивный метод, основанный на обнаружении магнитных взаимодействий между введенным контрастным веществом и молекулами воды внутри клеток мозга. Многие ученые пытались создать МРТ-датчики кальция, однако испытывали трудности с разработкой контрастного вещества, способного проникнуть внутрь клеток мозга. Годом ранее в Массачусетском технологическом институте уже был разработан вариант датчика МРТ: он был способен измерять концентрацию кальция за пределами клеток мозга, при этом наночастицы выбранного для проведения экспериментов контрастного вещества были слишком велики для проникновения непосредственно внутрь клеток.

Дальнейшее исследование было сфокусировано на поиске контрастного вещества, способного проходить через клеточную мембрану. В итоге было создано органическое соединение, включающее в свой состав кальциевый хелатор и марганец (металл, который может быть обнаружен МРТ-датчиком).

В случае низкого уровня кальция внутри клетки хелатор взаимодействует с атомом марганца, что защищает последний от обнаружения датчиком МРТ. При повышении уровня кальция в клетке хелатор связывается с последним, высвобождая марганец, что позволяет обнаружить контрастное вещество на снимке МРТ.

Испытания датчика проходили на крысах. Были изучены базальные ядра мозга животных, отвечающие за планирование движения и изучение нового поведения. За счет ионов калия была простимулирована электрическая активность в нейронах полосатого тела и проведены соответствующие измерения.

Предполагается, что новая методика позволит лучше понять, каким образом различные структуры мозга взаимодействуют между собой при обработке поступающих раздражителей и координации поведения живого организма. Потенциальное направление ее применения – ​выявление небольших скоплений нейронов, отвечающих за выбор определенных действий и типов поведения.

Преимущество предложенной методики состоит в том, что передача сигналов внутри клеток измеряется напрямую, что позволяет существенно увеличить точность информации о месторасположении и продолжительности активности нейронов по сравнению с традиционными методами функциональной МРТ, применяемой для измерения мозгового кровотока.

Известно, что кальций выполняет в живом организме множество функций – ​например, он способен активизировать иммунные клетки, влияет на работу сердца. Таким образом, дальнейшее развитие исследований Массачусетского технологического института позволит добиться новых успехов в изучении особенностей работы не только мозга, но и других органов и систем.

 

Trafton Anne. New MRI Sensor Can Image Activity Deep within the Brain. MIT News, February 22, 2019: http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ