麻省理工學(xué)院的研究人員使用一種專(zhuān)門(mén)的核磁共振傳感器，證明他們可以探測(cè)到大腦等組織深處的光。在深層組織中成像光是極其困難的，因?yàn)楫?dāng)光進(jìn)入組織時(shí)，大部分要么被吸收，要么被散射。麻省理工學(xué)院的研究小組克服了這一障礙，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種傳感器，可以將光轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)，并通過(guò)MRI(磁共振成像)檢測(cè)到。

這種類(lèi)型的傳感器可用于繪制由植入大腦的光纖發(fā)出的光，例如在光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中用于刺激神經(jīng)元的光纖。研究人員說(shuō)，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，它也可以用于監(jiān)測(cè)接受基于光的癌癥治療的患者。

“我們可以成像光在組織中的分布，這很重要，因?yàn)橛霉獯碳そM織或從組織中測(cè)量的人通常不太知道光去了哪里，它們刺激了哪里，或者光從哪里來(lái)。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、大腦與認(rèn)知科學(xué)、核科學(xué)與工程教授Alan Jasanoff說(shuō)。

Jasanoff也是麻省理工學(xué)院麥戈文大腦研究所的副研究員，是這項(xiàng)研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在《Nature Biomedical Engineering》雜志上。Jacob Simon和麻省理工學(xué)院博士后Miriam Schwalm是這篇論文的主要作者，紐約大學(xué)的Johannes Morstein和Dirk Trauner也是這篇論文的作者。

一種光敏探頭

數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家一直在利用光來(lái)研究活細(xì)胞，可以追溯到16世紀(jì)晚期，當(dāng)時(shí)光學(xué)顯微鏡被發(fā)明出來(lái)。這種顯微鏡可以讓研究人員看到細(xì)胞內(nèi)部和薄組織切片，但不能深入到生物體內(nèi)部。

Jasanoff說(shuō):“使用光，特別是在生命科學(xué)中，一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是，它不能很好地穿透許多材料。生物材料吸收光和散射光，這些東西的組合使我們無(wú)法使用大多數(shù)類(lèi)型的光學(xué)成像來(lái)聚焦深部組織。”

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。

“我們想要?jiǎng)?chuàng)造一種局部對(duì)光做出反應(yīng)的磁傳感器，因此不受吸收或散射的影響。然后這個(gè)光探測(cè)器就可以用核磁共振成像了。”

Jasanoff的實(shí)驗(yàn)室之前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以與大腦中的各種分子相互作用的MRI探針，包括多巴胺和鈣。當(dāng)這些探針與它們的目標(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，從而使MRI信號(hào)變暗或變亮。

為了制造一種光敏核磁共振探測(cè)器，研究人員決定將磁性顆粒包裹在一種稱(chēng)為脂質(zhì)體的納米顆粒中。這項(xiàng)研究中使用的脂質(zhì)體是由特勞納以前開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)的光敏脂質(zhì)制成的。當(dāng)這些脂質(zhì)體暴露在一定波長(zhǎng)的光下時(shí)，脂質(zhì)體對(duì)水的滲透性變得更強(qiáng)，或“滲漏”。這使得內(nèi)部的磁性粒子與水相互作用，并產(chǎn)生MRI可檢測(cè)到的信號(hào)。

研究人員將這些顆粒稱(chēng)為脂質(zhì)體納米顆粒報(bào)告器(LisNR)，它們可以根據(jù)所接觸的光的類(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)造了暴露在紫外線下會(huì)泄漏的粒子，然后暴露在藍(lán)光下又會(huì)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)MRI通過(guò)大腦進(jìn)行光子檢測(cè)。這項(xiàng)具有啟發(fā)性的工作為光子和質(zhì)子驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)成像研究提供了一條新的途徑，”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。

映射的光

研究人員測(cè)試了小鼠大腦中的傳感器，特別是大腦中被稱(chēng)為紋狀體的部分，該部分涉及計(jì)劃運(yùn)動(dòng)和對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)做出反應(yīng)。在將粒子注入整個(gè)紋狀體后，研究人員能夠繪制出植入附近的光纖發(fā)出的光的分布。Jasanoff說(shuō)，他們使用的纖維和光遺傳刺激使用的纖維相似，所以這種傳感可能對(duì)在大腦中進(jìn)行光遺傳實(shí)驗(yàn)的研究人員有用。“我們并不指望每個(gè)做光遺傳學(xué)的人都會(huì)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中都使用這種方法——它更像是你偶爾會(huì)做的事情，看看你所使用的范式是否真的產(chǎn)生了你認(rèn)為應(yīng)該有的光的剖面。”

在未來(lái)，這種類(lèi)型的傳感器也可以用于監(jiān)測(cè)接受光治療的患者，例如光動(dòng)力療法，它使用激光或LED發(fā)出的光來(lái)殺死癌細(xì)胞。

研究人員現(xiàn)在正在研究類(lèi)似的探針，可以用來(lái)檢測(cè)熒光素酶發(fā)出的光，熒光素酶是一種經(jīng)常用于生物實(shí)驗(yàn)的發(fā)光蛋白質(zhì)家族。這些蛋白質(zhì)可以用來(lái)揭示特定基因是否被激活，但目前它們只能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的淺表組織或細(xì)胞中成像。

Jasanoff還希望使用用于LisNR傳感器的策略來(lái)設(shè)計(jì)MRI探頭，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是相當(dāng)廣泛的，也可以用于其他目的，”他說(shuō)。