Nature子刊：新型传感器探测大脑深处的光线

麻省理工学院的研究人员使用一种专门的核磁共振传感器，证明他们可以探测到大脑等组织深处的光。在深层组织中成像光是极其困难的，因为当光进入组织时，大部分要么被吸收，要么被散射。麻省理工学院的研究小组克服了这一障碍，他们设计了一种传感器，可以将光转换为磁信号，并通过MRI(磁共振成像)检测到。

这种类型的传感器可用于绘制由植入大脑的光纤发出的光，例如在光遗传学实验中用于刺激神经元的光纤。研究人员说，随着进一步的发展，它也可以用于监测接受基于光的癌症治疗的患者。

“我们可以成像光在组织中的分布，这很重要，因为用光刺激组织或从组织中测量的人通常不太知道光去了哪里，它们刺激了哪里，或者光从哪里来。我们的工具可以用来解决这些未知问题，”麻省理工学院生物工程、大脑与认知科学、核科学与工程教授Alan Jasanoff说。

Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文大脑研究所的副研究员，是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上。Jacob Simon和麻省理工学院博士后Miriam Schwalm是这篇论文的主要作者，纽约大学的Johannes Morstein和Dirk Trauner也是这篇论文的作者。

一种光敏探头

数百年来，科学家一直在利用光来研究活细胞，可以追溯到16世纪晚期，当时光学显微镜被发明出来。这种显微镜可以让研究人员看到细胞内部和薄组织切片，但不能深入到生物体内部。

Jasanoff说:“使用光，特别是在生命科学中，一个长期存在的问题是，它不能很好地穿透许多材料。生物材料吸收光和散射光，这些东西的组合使我们无法使用大多数类型的光学成像来聚焦深部组织。”

为了克服这一限制，Jasanoff和他的学生决定设计一种可以将光转换为磁信号的传感器。

“我们想要创造一种局部对光做出反应的磁传感器，因此不受吸收或散射的影响。然后这个光探测器就可以用核磁共振成像了。”

Jasanoff的实验室之前已经开发出可以与大脑中的各种分子相互作用的MRI探针，包括多巴胺和钙。当这些探针与它们的目标结合时，它会影响传感器与周围组织的磁相互作用，从而使MRI信号变暗或变亮。

为了制造一种光敏核磁共振探测器，研究人员决定将磁性颗粒包裹在一种称为脂质体的纳米颗粒中。这项研究中使用的脂质体是由特劳纳以前开发的专门的光敏脂质制成的。当这些脂质体暴露在一定波长的光下时，脂质体对水的渗透性变得更强，或“渗漏”。这使得内部的磁性粒子与水相互作用，并产生MRI可检测到的信号。

研究人员将这些颗粒称为脂质体纳米颗粒报告器(LisNR)，它们可以根据所接触的光的类型从可渗透性切换到不可渗透性。在这项研究中，研究人员创造了暴露在紫外线下会泄漏的粒子，然后暴露在蓝光下又会变得不透水。研究人员还表明，这些粒子可以对其他波长的光做出反应。

“这篇论文展示了一种新型传感器，可以通过MRI通过大脑进行光子检测。这项具有启发性的工作为光子和质子驱动的神经成像研究提供了一条新的途径，”哈佛医学院放射学助理教授Xin Yu说，他没有参与这项研究。

映射的光

研究人员测试了小鼠大脑中的传感器，特别是大脑中被称为纹状体的部分，该部分涉及计划运动和对奖励做出反应。在将粒子注入整个纹状体后，研究人员能够绘制出植入附近的光纤发出的光的分布。Jasanoff说，他们使用的纤维和光遗传刺激使用的纤维相似，所以这种传感可能对在大脑中进行光遗传实验的研究人员有用。“我们并不指望每个做光遗传学的人都会在每个实验中都使用这种方法——它更像是你偶尔会做的事情，看看你所使用的范式是否真的产生了你认为应该有的光的剖面。”

在未来，这种类型的传感器也可以用于监测接受光治疗的患者，例如光动力疗法，它使用激光或LED发出的光来杀死癌细胞。

研究人员现在正在研究类似的探针，可以用来检测荧光素酶发出的光，荧光素酶是一种经常用于生物实验的发光蛋白质家族。这些蛋白质可以用来揭示特定基因是否被激活，但目前它们只能在实验室培养皿中培养的浅表组织或细胞中成像。

Jasanoff还希望使用用于LisNR传感器的策略来设计MRI探头，可以检测光以外的刺激，例如大脑中发现的神经化学物质或其他分子。

“我们认为我们用来构建这些传感器的原理是相当广泛的，也可以用于其他目的，”他说。