Наночастицы для визуализации мозга

Для точного отслеживания активности 10 миллиардов нейронов в мозге человека эффективным подходом является мониторинг потока кальция, который поступает в нейроны при их активации.

Алан Ясенофф из Института исследований мозга Макговерна при MIT разработал новый кальций-чувствительный контрастный агент наноразмера, который можно детектировать с помощью аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемых для детальной неинвазивной визуализации мозга.

Исследование опубликовано в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 25–29 сентября.

Ограничения текущей технологии

Функциональная МРТ (фМРТ) уже применяется для наблюдения за активностью мозга во время различных действий (чтение, обучение). Однако, по словам Ясеноффа, у текущей технологии есть существенные ограничения.

"Использование обычной фМРТ для изучения мозга — это как пытаться понять, как работает компьютер, по температуре его частей, которая зависит от рассеивания энергии в разных компонентах".

Это связано с тем, что фМРТ косвенно измеряет нейронную активность, обнаруживая изменения кровотока в областях мозга с повышенными энергетическими потребностями. Эти гемодинамические изменения происходят с задержкой в несколько секунд после реального срабатывания нейронов, что слишком медленно для изучения точной нейронной активности. Кроме того, пространственное разрешение метода ограничено плотностью мелких кровеносных сосудов и охватывает объёмы, содержащие не менее 1000 нейронов.

Преимущества кальциевого сенсора

Кальций является прямым маркером нейронной активности, так как он почти мгновенно поступает в нейроны при их активации, а его уровень коррелирует со скоростью срабатывания. Таким образом, отслеживание кальция позволяет напрямую следить за потоком информации в нейронных цепях.

Чтобы быть видимым для МРТ, контрастный агент должен содержать магнитно-активный "парамагнитный" компонент.

Конструкция нового сенсора

Ясенофф спроектировал сенсор на основе суперпарамагнитных наночастиц — сверхсильных молекулярных магнитов, ранее разработанных для сверхчувствительной визуализации опухолей. Они создают значительные изменения контраста МРТ, позволяя получать изображения с очень высоким разрешением.

Сенсор состоит из двух типов похожих суперпарамагнитных наночастиц, которые, подобно шарикам с липучкой, слипаются друг с другом при повышении уровня кальция. Этот процесс агрегации является обратимым, что позволяет сенсору отражать временную динамику нейронной активности, связанной с кальцием, например, последовательность активации групп клеток или синхронизацию нейронов во время определённых поведенческих актов.

Перспективы применения

Аспирантка Татьяна Атанасевич, ведущий автор статьи, работает над методами применения кальциевого сенсора в живых клетках мозга.

По словам Ясеноффа, разрабатываемые контрастные сенсоры "станут инструментами для перехода от визуализации общих функциональных свойств мозга через его гемодинамические изменения к тонкому анализу, основанному на потоке информации на уровне клеток и цепей". "Существует множество потенциальных применений для изучения обучения, памяти и поведения, и нам нужны новые инструменты, чтобы реализовать эти приложения".