ダイヤモンド量子センサ、ニューロン活動を計測

February, 15, 2024, Lyngby--ヨーロッパの科学者による最近の研究では、ダイヤモンドのカラーセンタに基づく高感度センサを使用して、生きた脳組織のニューロンからの電気的活動を記録できることが示されている。

認知症などの脳疾患の症状に遭遇する前に、通常、脳組織にわずかな変化が起こっている。脳の一部が腫れ上がっていたり、タンパク質の塊が形成されたりしている可能性がある。これらの小さな変化は、脳内の神経細胞が互いに信号を送り合い、コミュニケーションをとる方法、情報の処理と記憶の方法に影響を与える可能性がある。

医学者は、病気のごく初期段階で起こるこれらの小さな変化を研究したいと考えている。そうすることで、病気の原因についてさらに学び、新しい洞察とより効率的な治療を提供することを目的としている。
今日、脳の顕微鏡的研究は、研究対象の疾患に苦しむ動物または死亡した患者の脳組織サンプルの光学検査、またはワイヤ、着色、または光を使用した神経細胞からの信号の測定の2つの戦略のいずれかで行われる。

とは言え、これらの方法にはいくつかの制限がある:組織を損傷したり、信号を変化させたりする可能性がある。また、研究している組織によって動作が異なる場合がある。特定の疾患に関与する神経細胞の一部からの信号は、測定が困難な場合がある。

サンプルではなくフィールドを測定
DTU、コペンハーゲン大学、コペンハーゲン大学病院、ソルボンヌ大学、ライプツィヒ大学の科学者たちは、脳組織に触れたり、ニードルプローブを挿入したりすることなく、脳組織からの信号を測定する方法を発見した。これは、通信時に神経細胞によって生成される弱い磁場を測定することによって行われる。その際、磁場が組織内を変化せずに伝わるという事実を利用した。

「全体として、そのアイデアは、磁場の感知は究極的には非侵襲的であるというものである。電極やプローブを挿入したり、分析したい組織を染色したりする必要はない。誘導された磁場を拾うので、システムに物理的なセンサを挿入したり、変更を加えたりすることなく、活動に関する情報を得ることができる」と、プロジェクトを監督し、研究の共著者であるDTU物理学のAlexander Huck准教授は話している。

人体で誘導される磁場を測定することは基本的に新しいことではないが、通常、かさばり、極低温冷却を必要とする特別な機器が必要になる。そのため、従来の方法は、人間の脳の組織はもちろんのこと、小さな生きた組織サンプルの測定には適していない。

このプロジェクトでは、科学者チームが合成ダイヤモンド結晶の小さな意図的な欠陥を利用している。これらの欠陥は、カラーセンタ、または技術的には窒素空孔センタ/NVセンタと呼ばれている。NVセンタという用語は、ダイヤモンドでは、1つの炭素原子が窒素原子に置換され、空孔、つまり原子が存在しない隣にあるという事実に由来する。これにより、センタは光を吸収し、エネルギーを放出すると発光する。

「これらのNVカラーセンタには、スピンを持つ有効な不対電子も存在し、磁場があれば、電子のスピンはその場の周りを振動する。したがって、磁場が増減すると、振動が少し速くなったり遅くなったりするが、NVカラーセンタの発光によってこれらの変化を測定できる」(Alexander Huck)。

まだ初期段階
実験のセットアップは次のとおりである:センチメートルスケールのチャンバーで、脳組織のスライスをアルミニウムフォイルの絶縁層の上に置く。ダイヤモンドは、チャンバーの底部、絶縁層の下の穴にセットされる。次に、グリーンレーザとマイクロ波アンテナをダイヤモンドの色の中心に向け、ダイヤモンドからの発光を記録する。科学者が組織内のニューロンを刺激して同時に発火させると、色の中心から発せられる光の明るさの変化を測定できる。

重要なことは、レーザ光とマイクロ波が脳組織(この場合は実際の人間の脳ではなく、マウスの脳の組織)に到達することはない。磁場の変化はNVカラーセンタを使用して追跡されるだけである。

「脳組織のニューロンが発火すると、磁場が誘導され、ダイヤモンドの発光と明るさが変化する。これを光信号として記録する」(Alexander Huck)。

実験では、研究チームはさまざまな種類の神経細胞からの信号を区別することができる。チームは、組織に触れて電気を直接測定する実証済みの技術を使用して測定値を確認した。また、神経細胞内の特定のチャネルを遮断する薬剤を用いて、組織内のニューロン活動を人工的に変化させる方法も示している。

「最終的には、ある種の神経変性疾患が疑われる患者がいたら、われわれの実験から得られた方法を使用して正確な状態を診断できるという考えである」とAlexander Huckは結論付けている。
とは言え、そのためには、まだ多くの作業が必要であることを強調している。
「われわれの技術を、何十年も前から使用されている現行の他の方法と比較すると、現在できることよりも優れている。われわれはまだ初期段階にあり、この技術を臨床環境に応用して適用するには、さらに多くの作業を行う必要がある。NVセンタでの研究と、その最も適した応用分野の探求は、まだ初期段階にあり、これは初期段階の分野である。

DTU物理学のUlrik L. Andersen教授も、このプロジェクトの主任研究者であり、この研究のより広範な意味合いについて以下のようにコメントしている。
「脳組織の磁場を感知するためのダイヤモンドNVセンタの革新的な使用は、医療用量子技術における大きな飛躍を表す。さらなる開発により、この方法は神経疾患の初期兆候をより正確に検出できるだけでなく、人間の脳の複雑な働きを理解するための新しい道を開く可能性がある」。