Før folk oplever symptomer på hjernesygdomme som demens, er der normalt allerede sket små forandringer i hjernevævet. Det kan være i form af hævelser i dele af hjernen, eller proteiner, der klumper sig sammen. Disse små forandringer kan påvirke, hvordan nerveceller i hjernen kommunikerer med hinanden, og derfor hvordan information behandles og huskes.
Så medicinske forskere har et ønske om at studere disse små forandringer, der forekommer i de meget tidlige stadier af en sygdom. De ønsker dermed at lære mere om årsagerne til sygdommen, så de kan tilegne sig ny viden og bidrage til udvikling af mere effektive behandlinger.
I dag udføres mikroskopiske undersøgelser af hjernen ved hjælp af to strategier: Optisk inspektion af hjernevævsprøver fra dyr eller afdøde patienter, som har haft den samme sygdom eller måling af signaler fra nerveceller ved hjælp af ledninger, farvning eller lys.
Disse metoder har dog nogle begrænsninger: De kan beskadige vævet eller ændre signalerne. De kan også fungere forskelligt, afhængigt af hvilket væv man studerer. Derudover kan signaler fra nogle dele af de nerveceller, der er involveret i en bestemt sygdom, være meget svære at måle.
Måling af feltet, ikke prøven
Nu har forskere fra DTU, Københavns Universitet, Rigshospitalet, Université Sorbonne og Leipzig Universitet fundet en metode til at måle signalerne fra hjernevævet uden at røre ved eller indsætte sonder i det. De gør det ved at måle de svage magnetfelter, som nervecellerne genererer, når de kommunikerer, og udnytter samtidig, at magnetfeltet trænger gennem vævet uden at blive ændret af det.
”Overordnet set er det meningen, at målingen af magnetfeltet i sidste ende er ikke-invasiv. Det er ikke nødvendigt at indsætte elektroder eller sonder eller at farve det væv, der skal analyseres. Da man opfanger det frembragte magnetfelt, får man information om aktiviteten uden at indsætte en fysisk sensor i systemet eller på anden måde ændre det,” siger Alexander Huck, lektor på DTU Fysik, der er medforfatter til studiet.
Der er ikke noget fundamentalt nyt i at måle magnetfelter, der er frembragt i menneskekroppen, men det kræver normalt omfangsrigt specialudstyr, som kræver kryogen køling (dvs. ned til omkring -150°C). Traditionelle metoder er derfor generelt ikke egnede til måling på små levende vævsprøver og heller ikke væv fra den menneskelige hjerne.
I dette projekt udnytter forskerholdet små, bevidste defekter i syntetiske diamantkrystaller. Disse defekter kaldes farvecentre eller, teknisk set, NV-centre. De kaldes NV-centre, fordi et kulstofatom i diamanten erstattes med et nitrogenatom, som er placeret ved siden af en tom plads dvs. hvor der ikke er noget atom. Deraf kommer den engelske betegnelse nitrogen vacancy, der forkortes NV. Disse defekter tillader lysabsorption i centrene og – når der frigives energi – lysemission.
”Disse NV-farvecentre har også en effektiv uparret elektron med et spin, og hvis der er et magnetfelt, svinger elektronens spin rundt om dette felt. Så hvis magnetfeltet øges eller falder, vil det svinge lidt hurtigere eller lidt langsommere, og vi kan måle disse ændringer via lysemissionen fra NV-farvecentrene,” forklarer Alexander Huck.
Stadig på et tidligt stadium
Der anvendes følgende eksperimentelle opstilling: I et lille, centimeterstort kammer placeres en skive hjernevæv på isolerende lag af aluminiumsfolie. Diamanten anbringes i et hul i bunden af kammeret, under de isolerende lag. En grøn laser og en mikrobølgeantenne rettes derefter mod diamantens farvecentrum, og lysemissionen fra diamanten registreres. Når forskerne stimulerer neuronerne i vævet, så de aktiveres samtidig, kan de måle ændringer i styrken af lysemissionen fra farvecentrene.
Det afgørende er derfor, at laserlyset og mikrobølgerne aldrig når hjernevævet – i dette tilfælde ikke en menneskehjerne, men væv fra hjernen på en mus. Ændringerne i magnetfelterne spores på den måde ved hjælp af NV-farvecentrene.
