C'est l'un des matériaux les plus purs et les plus polyvalents au monde, avec des utilisations dans tout, des bijoux aux abrasifs industriels en passant par la science quantique. Mais un groupe de scientifiques de Harvard a découvert une nouvelle utilisation des diamants :suivre les signaux neuronaux dans le cerveau.

En utilisant des défauts quantiques à l'échelle atomique dans les diamants connus sous le nom de centres de lacune d'azote (NV) pour détecter le champ magnétique généré par les signaux neuronaux, scientifiques travaillant dans le laboratoire de Ronald Walsworth, membre du corps professoral du Center for Brain Science and Physics de Harvard, a démontré une technique non invasive qui peut imager l'activité des neurones.

Le travail a été décrit dans un article récent du Actes de l'Académie nationale des sciences , et a été réalisée en collaboration avec les membres du corps professoral de Harvard Mikhail (Misha) Lukin et Hongkun Park.

"L'idée d'utiliser des centres NV pour détecter les champs magnétiques des neurones a commencé avec les travaux initiaux de Ron Walsworth et Misha Lukin il y a environ 10 ans, mais pendant longtemps nos calculs au fond de l'enveloppe ont fait croire que les champs seraient trop petits pour être détectés, et la technologie n'était pas encore là, " a déclaré Jennifer Schloss, un doctorat étudiant et co-auteur de l'étude.

"Cet article est vraiment la première étape pour montrer que la mesure des champs magnétiques de neurones individuels peut être effectuée de manière évolutive, " a déclaré Matthew Turner, étudiant au doctorat et co-auteur. " Nous voulions être en mesure de modéliser les caractéristiques du signal, et dis, basé sur la théorie, « C'est ce que nous nous attendons à voir. Nos résultats expérimentaux étaient conformes à ces attentes. Cette capacité prédictive est importante pour comprendre des réseaux neuronaux plus complexes. »

Au cœur du système développé par Schloss et Turner, avec le chercheur postdoctoral John Barry, est une minuscule plaquette de diamant de seulement 4 sur 4 millimètres carrés et d'un demi-millimètre d'épaisseur imprégnée de milliers de milliards de centres NV.

Le système fonctionne, Schloss et Turner ont expliqué, parce que les champs magnétiques générés par les signaux circulant dans un neurone interagissent avec les électrons des centres NV, changeant subtilement leur état de "spin" quantique. La plaquette de diamant est baignée dans les micro-ondes, qui met les électrons NV dans un mélange de deux états de spin. Un champ magnétique neuronal provoque alors une modification de la fraction de spins dans l'un des deux états. A l'aide d'un laser contraint au diamant, les chercheurs peuvent détecter cette fraction, lire le signal neuronal en tant qu'image optique, sans que la lumière pénètre dans l'échantillon biologique.

En plus de démontrer que le système fonctionne pour les neurones disséqués, Schloss, Tourneur, et Barry ont montré que les capteurs NV pouvaient être utilisés pour détecter l'activité neuronale en direct, vers marins intacts.

"Nous avons réalisé que nous pouvions simplement mettre l'animal entier sur le capteur et détecter toujours le signal, donc c'est complètement non invasif, " a déclaré Turner. "C'est l'une des raisons pour lesquelles l'utilisation des champs magnétiques offre un avantage par rapport aux autres méthodes. Si vous mesurez des signaux basés sur la tension ou la lumière de manière traditionnelle, les tissus biologiques peuvent déformer ces signaux. Avec des champs magnétiques, bien que le signal diminue avec la distance de sécurité, les informations sont conservées."

Schloss, Tourneur, et Barry ont également pu montrer que les signaux neuronaux voyageaient plus lentement de la queue du ver à sa tête que de la tête à la queue, et leurs mesures de champ magnétique correspondaient aux prédictions de cette différence de vitesse de conduction.

Alors que l'étude prouve que les centres NV peuvent être utilisés pour détecter des signaux neuronaux, Turner a déclaré que les expériences initiales étaient conçues pour aborder l'approche la plus accessible du problème, utilisant des neurones robustes qui produisent des champs magnétiques particulièrement importants. L'équipe travaille déjà à affiner davantage le système, dans le but d'améliorer sa sensibilité et de poursuivre des applications aux problèmes de frontière en neurosciences. Pour détecter les signaux des neurones de mammifères plus petits, Schloss a expliqué, ils ont l'intention de mettre en œuvre un schéma de magnétométrie pulsée pour obtenir une sensibilité par volume jusqu'à 300 fois supérieure. L'étape suivante, dit Turner, met en œuvre un système d'imagerie à haute résolution dans l'espoir de produire en temps réel, images optiques des neurones lorsqu'ils se déclenchent.

"Nous cherchons à imager des réseaux de neurones sur de longues durées, jusqu'à jours, " a déclaré Schloss. "Nous espérons utiliser cela pour comprendre non seulement la connectivité physique entre les neurones, mais la connectivité fonctionnelle - comment les signaux se propagent réellement pour informer le fonctionnement des circuits neuronaux sur le long terme."

"Aucun outil qui existe aujourd'hui ne peut nous dire tout ce que nous voulons savoir sur l'activité neuronale ou s'appliquer à tous les systèmes d'intérêt, " a déclaré Turner. " Cette technologie du diamant quantique définit une nouvelle direction pour relever certains de ces défis. L'imagerie des champs magnétiques des neurones est un domaine largement inexploré en raison des limitations technologiques précédentes. »

L'espoir, Schloss a dit, est que l'outil pourrait un jour trouver sa place dans les laboratoires de chercheurs biomédicaux ou de toute personne intéressée à comprendre l'activité cérébrale.

"Nous voulons comprendre le cerveau à partir du niveau d'un seul neurone jusqu'au sommet, nous envisageons donc que cela pourrait devenir un outil utile à la fois dans les laboratoires de biophysique et dans les études médicales, " dit-elle. " C'est non invasif et rapide, et la lecture optique pourrait permettre une variété d'applications, de l'étude des maladies neurodégénératives au suivi de l'administration de médicaments en temps réel."

Walsworth attribue le leadership de Josh Sanes, le directeur familial Paul J. Finnegan du centre, et Kenneth Blum, directeur exécutif, pour avoir permis cette application biologique de la technologie du diamant quantique. « Le leadership du Center for Brain Science a fourni l'espace de laboratoire essentiel et un accueil, communauté interdisciplinaire, ", a-t-il déclaré. "Cet environnement spécial permet aux physiciens et aux ingénieurs de traduire la technologie quantique en neurosciences."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'université Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.