Ученые из трех стран неинвазивно измерили нейронную активность мозга мыши на микроуровне с помощью квантового датчика на основе азотно-замещенной вакансии в алмазе. Сенсор способен улавливать сверхслабые магнитные поля, возникающие при прохождении ионных токов в аксонах мозга, а также слабые изменения нейронной активности, подобные тем, что возникают при нейродегенеративных заболеваниях.

Метод не требует физического взаимодействия с тканями и, в отличие от магнитоэнцефалографии, не нуждается в таких специфических условиях, как сверхнизкие температуры или высокие плотности атомного газа, пишут ученые в статье на arXiv.org.

Изучение активности мозга на уровне отдельных нейронов интересует ученых не только с научной точки зрения, но и с медицинской. Дело в том, что при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или склероз, изменения в организме появляются задолго до первых симптомов, в частности возникают нарушения распространения потенциалов действия в мозге. Изучение таких отклонений на микромасштабе может не только помочь ученым понять механизмы возникновения заболевания, но и, вероятно, разработать лечение на ранних стадиях.

На сегодняшний день ранние проявления нейродегенеративных заболеваний изучают на трансгенных мышах с нарушениями, подобными тем, что возникают в мозге больного человека. При этом методы, которые используют ученые, требуют либо вживления электродов в ткани мозга животного, либо использования лазерного излучения вкупе с токсичными красками, чувствительными к напряжению. Подобное грубое взаимодействие с объектом исследования может повлиять на точность результата и делает небезопасным применение технологий in vivo.

Неинвазивные методы исследования, при которых отсутствует взаимодействие с тканями, могли бы помочь избежать таких проблем, однако на сегодняшний день их пространственное разрешение не достаточно велико для наблюдения отдельных нейронов. Наиболее подробную картину нейронной активности с детализацией до 0,5 сантиметра предоставляет магнитоэнцефалография (МЭГ), при которой измеряется сверхслабые магнитные поля, возникающие согласно уравнениям Максвелла при прохождении ионного тока по аксонам.

Основной фактор, препятствующий увеличению точности метода — невозможность приближения детекторов вплотную к тканям из-за сверхнизких температур, необходимых для МЭГ на СКВИД-магнетометрах, и высоких плотностей атомного газа в случае МЭГ на SURF-магнетометрах.

Хорошей альтернативой СКВИдам и SURFам могут стать квантовые магнетометры на базе азотно-замещенных вакансий в алмазе (NV-центры) — дефектов кристалла, в которых один атом углерода удален (вакансия), а соседний к нему замещен на атом азота.