使用專(zhuān)門(mén)的MRI傳感器，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)證明他們可以檢測(cè)大腦等組織深處的光。

在深層組織中對(duì)光進(jìn)行成像非常困難，因?yàn)楫?dāng)光進(jìn)入組織時(shí)，其中大部分被吸收或散射。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)一種傳感器克服了這一障礙，該傳感器將光轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)MRI(磁共振成像)檢測(cè)到的磁信號(hào)。

這種類(lèi)型的傳感器可用于映射植入大腦的光纖發(fā)出的光，例如在光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)期間用于刺激神經(jīng)元的光纖。研究人員說(shuō)，隨著進(jìn)一步發(fā)展，它也可以證明對(duì)監(jiān)測(cè)接受基于光的癌癥治療的患者有用。

“我們可以對(duì)組織中光的分布進(jìn)行成像，這很重要，因?yàn)槭褂霉鈦?lái)刺激組織或從組織中測(cè)量的人通常不太知道光在哪里，他們?cè)谀睦锎碳?，或者光?lái)自哪里。我們的工具可以用來(lái)解決這些未知問(wèn)題，“麻省理工學(xué)院生物工程，大腦和認(rèn)知科學(xué)以及核科學(xué)與工程教授Alan Jasanoff說(shuō)。

Jasanoff也是麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的副研究員，是該研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在Nature Biomedical Engineering上。Jacob Simon PhD ' 21和麻省理工學(xué)院博士后Miriam Schwalm是該論文的主要作者，紐約大學(xué)的Johannes Morstein和Dirk Trauner也是該論文的作者。

光敏探頭

數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家們一直在使用光來(lái)研究活細(xì)胞，其歷史可以追溯到1500年代后期，當(dāng)時(shí)發(fā)明了光學(xué)顯微鏡。這種顯微鏡允許研究人員觀察細(xì)胞內(nèi)部和薄片組織，但不能深入生物體內(nèi)部。

“使用光的一個(gè)持續(xù)問(wèn)題，特別是在生命科學(xué)領(lǐng)域，是它不能很好地穿透許多材料，”Jasanoff說(shuō)。“生物材料吸收光和散射光，這些東西的結(jié)合使我們無(wú)法使用大多數(shù)類(lèi)型的光學(xué)成像來(lái)處理任何涉及聚焦深部組織的事情。

為了克服這一限制，Jasanoff和他的學(xué)生決定設(shè)計(jì)一種可以將光轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)的傳感器。

“我們想創(chuàng)造一種對(duì)局部光做出響應(yīng)的磁性傳感器，因此不受吸光度或散射的影響。然后可以使用MRI對(duì)這種光探測(cè)器進(jìn)行成像，“他說(shuō)。

Jasanoff的實(shí)驗(yàn)室此前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出MRI探針，可以與大腦中的多種分子相互作用，包括多巴胺和鈣。當(dāng)這些探針與目標(biāo)結(jié)合時(shí)，它會(huì)影響傳感器與周?chē)M織的磁相互作用，使MRI信號(hào)變暗或變亮。

為了制造光敏MRI探針，研究人員決定將磁性顆粒包裹在稱(chēng)為脂質(zhì)體的納米顆粒中。本研究中使用的脂質(zhì)體由Trauner先前開(kāi)發(fā)的特殊光敏脂質(zhì)制成。當(dāng)這些脂質(zhì)暴露在一定波長(zhǎng)的光下時(shí)，脂質(zhì)體變得更容易滲透水，或“泄漏”。這允許內(nèi)部的磁性顆粒與水相互作用并產(chǎn)生可通過(guò)MRI檢測(cè)到的信號(hào)。

研究人員稱(chēng)之為脂質(zhì)體納米顆粒報(bào)告者(LisNR)的顆粒可以根據(jù)它們所暴露的光的類(lèi)型從可滲透性切換到不可滲透性。在這項(xiàng)研究中，研究人員創(chuàng)造了當(dāng)暴露在紫外線下時(shí)會(huì)泄漏的顆粒，然后在暴露在藍(lán)光下時(shí)再次變得不透水。研究人員還表明，這些粒子可以對(duì)其他波長(zhǎng)的光做出反應(yīng)。

“這篇論文展示了一種新型傳感器，可以通過(guò)大腦的MRI進(jìn)行光子檢測(cè)。這項(xiàng)具有啟發(fā)性的工作為橋接光子和質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)成像研究開(kāi)辟了一條新途徑，“哈佛醫(yī)學(xué)院放射學(xué)助理教授Xin Yu說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。

映射光

研究人員測(cè)試了大鼠大腦中的傳感器 - 特別是在大腦中稱(chēng)為紋狀體的部分，該部分參與計(jì)劃運(yùn)動(dòng)和對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)做出反應(yīng)。在整個(gè)紋狀體中注入顆粒后，研究人員能夠繪制出附近植入的光纖的光分布圖。

他們使用的纖維類(lèi)似于用于光遺傳學(xué)刺激的纖維，因此這種傳感可能對(duì)在大腦中進(jìn)行光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究人員有用，Jasanoff說(shuō)。

“我們并不期望每個(gè)做光遺傳學(xué)的人都會(huì)在每次實(shí)驗(yàn)中都使用它 - 這更多的是你偶爾會(huì)做的事情，看看你正在使用的范式是否真的產(chǎn)生了你認(rèn)為應(yīng)該的光的輪廓，”Jasanoff說(shuō)。

將來(lái)，這種類(lèi)型的傳感器也可用于監(jiān)測(cè)接受涉及光的治療的患者，例如光動(dòng)力療法，它使用來(lái)自激光或LED的光來(lái)殺死癌細(xì)胞。

研究人員現(xiàn)在正在研究類(lèi)似的探針，可用于檢測(cè)熒光素酶發(fā)出的光，熒光素酶是生物實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的發(fā)光蛋白質(zhì)家族。這些蛋白質(zhì)可用于揭示特定基因是否被激活，但目前它們只能在淺表組織或?qū)嶒?yàn)室培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的細(xì)胞中進(jìn)行成像。

Jasanoff還希望使用LisNR傳感器的策略來(lái)設(shè)計(jì)MRI探針，該探針可以檢測(cè)光以外的刺激，例如大腦中發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)或其他分子。

“我們認(rèn)為我們用來(lái)構(gòu)建這些傳感器的原理非常廣泛，也可以用于其他目的，”他說(shuō)。

該研究由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，G. Harold和Leila Y. Mathers基金會(huì)，麥戈文腦研究所的麥戈文之友獎(jiǎng)學(xué)金，麻省理工學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)工程培訓(xùn)計(jì)劃以及歐盟委員會(huì)的瑪麗居里個(gè)人獎(jiǎng)學(xué)金資助。