ikke-invasiv detektion af dyre nerveimpulser med et atommagnetometer, der opererer nær kvantebegrænset følsomhed

her bruger vi tilgangen til ref. 9 til måling af nerveimpulser. Magnetometerets følsomme element er cæsium atomdamp. Cæsium har et højt damptryk, således at høj følsomhed kan nås ved stuetemperatur eller menneskelig kropstemperatur. Det magnetiske moment (spin) af atomer J = (Js, Jy, JS) fremstilles ved optisk pumpning i HS-retningen langs retningen af et forspændingsfelt Bs . Det magnetiske felt af nerven Bnerve vil skabe en tværgående spin-komponent J – = (Jy, JS), som bagefter vil rotere i Y-H-planet ved Larmor-frekvensen, hvor – = 2,20 · 1010 rad/(s · T) er cæsium gyromagnetisk forhold. Ved at måle polarisationsrotationen af probelyset registreres den optiske spin-komponent optisk. Magnetfeltet fra nerven detekteres i to modaliteter, en kontinuerlig tilstand, hvor magnetfeltet som en funktion af tiden b(t) detekteres og en pulserende tilstand, hvor Fourier-komponenten |B(LARP)| detekteres. I kontinuerlig tilstand er pumpe – og sondelyset kontinuerligt tændt. I den pulserende tilstand efterfølges en puls af pumpelys af pulsen af magnetfeltet, og til sidst detekteres spinene med en puls af sondelys.

Figur 1

(a) skematisk af den eksperimentelle opsætning. Sonde lys formerer sig langs å-aksen. Polubølgeplade Polus / 2, polariserende strålesplitter (PBS) og differentiel fotodetektion er komponenter af polarisationsdetektor. B) magnetometerprincippet. Amplituden af den kollektive atomspin-præcession i å, y-plan er proportional med Bnerve. Spin-projektion måles ved hjælp af probelys med følsomheden begrænset af kvanteprojektionsspinstøj (uklar cirkel). Magnetfeltet fra nerven er perifert. Det gennemsnitlige felt detekteret af magnetometeret peger i y-retning. C) målesekvensen for den pulserende magnetometertilstand.

optiske magnetometre er grundlæggende begrænset af kvantestøj bestående af spin-projektionsstøj (PN) vist som den uklare cirkel i Fig. 1 (b), kvante skud støj af sonden lys og kvante Tilbage handling af sonden på spin9. For en optimal måling disse støjkilder tilføje op til standard kvante grænse (kvante)11. Denne grænse er nået for magnetfelter, der svinger ved hundreder af khs9. Her nærmer vi os KVL for magnetfeltmåling af nerveimpulser, hvis frekvens er meget lavere ved hjælp af de teknikker, der er beskrevet i den supplerende Information. Ved kontinuerlige målinger giver den magnetiske feltusikkerhed, der normaliseres med den samlede måletid Ttot, følsomheden i enheder på . T2 er spin-kohærens tid og 4NA er det samlede atomspin for NA cæsiumatomer. Ved stuetemperatur på 22 liter C er cæsiumatometætheden 3,1 liter 1016 m−3, hvilket er det højeste af alle grundstoffer, der passer til atommagnetometri. Den pulserende måling har den magnetiske feltusikkerhed på , hvis den magnetiske pulsvarighed er T2 (se supplerende oplysninger).

en lang spin-kohærens tid T2 er afgørende for en høj følsomhed. I dette arbejde anvender vi en dampcelle med den indvendige overflade belagt med alkane12,13. Belægningen beskytter atomspintilstande mod decoherens over mange tusinder af vægkollisioner og giver ms, som er længere end en typisk nerveimpulsvarighed, 2 ms, som krævet for den ultimative følsomhed. Cæsiumdampen er indeholdt i en 1,0 mm liter 1,0 mm liter 7.7 mm kanal inde i en rektangulær glaschip med dimensioner 2,3 mm liter 8,4 mm liter 7,7 mm. denne lille rektangulære dampcelle giver os mulighed for at have atomer i en gennemsnitlig afstand på nogle få mm fra nerven, som er tæt på en typisk Afstand til mange medicinske anvendelser.

en frøskiasnerv indeholder et par nervebundter hver med flere tusinde aksoner indeni (se afsnittet metoder). Nerven placeres inde i et plastkammer, hvor den kan holdes i live i en saltopløsning i mere end 5 timer. Nerven stimuleres elektrisk fra den ene ende med et par guldelektroder . Stimulansen udløser et handlingspotentiale (en nerveimpuls), der formerer sig langs nerven. Som referencemåling udfører vi en elektrisk optagelse af impulsen med et andet par elektroder. Figur 2 (a) viser de elektrisk optagede signaler for forskellige stimuleringsspændinger. Figur 2 (b) viser frekvensspektrene for nervesignalerne og Fig. 2 (c) viser amplituden af 400 HS Fourier-komponenten. Nerven stimuleres ved t = 6,0 ms. signaturen af nervesignalet er dens ikke-lineære opførsel med stimuleringsspænding, med en fyringstærskel på omkring 0,4 V. For spændinger over tærsklen måles en nerveimpuls med optageelektroderne inden for tidsintervallet t = 7,0 − 10,0 ms. vi observerer også en stimuleringsartefakt ved t = 6,0 ms, som er proportional med stimuleringsspændingen.

figur 2

elektriske og optiske målinger af nerveimpulsen for forskellige stimuleringsspændinger.

de optiske målinger blev udført i pulserende tilstand ved hjælp af 1000 gennemsnit. Tallene viser signalerne i tid, kvadratroden af effektspektraltætheden PSD og 400 HS frekvenskomponenten. De afbildede elektriske signaler er efter 10 gange forstærkning. Usikkerheden på datapunkterne i (c) er for lille for at være synlig i figuren. Usikkerheden på punkterne i (f) kan estimeres ud fra punkterne uden stimulering (0 V), som blev målt 9 gange og resulterede i et 0,25(10) pT·ms-signal. Ved at dividere nervesignalet (9,1 pT·ms) med støjgulvet opnået uden stimulering (0,25 pT·ms) finder vi signal til støjforholdet, SNR-37.

parallelt med den elektriske referenceoptagelse registreres nervesignalet optisk ved hjælp af pulserende magnetometertilstand. Magnetometeret er placeret nær den midterste del af nerven, der kun er adskilt af et tyndt mikroskopdæksel. Da nerven er bøjet i en U-form, registrerer vi hovedsageligt feltet fra 10 mm sektionen af nerven tættest på magnetometeret . Den aksiale Ioniske strøm i denne 10 mm sektion kan betragtes som konstant, da handlingspotentialet har en varighed på 3 ms, hastigheden på 30 m/s og derfor en udstrækning på 9 cm på 10 mm. Det perifere magnetfelt Bnerve fra nerven er i gennemsnit på tværs af den indledende spinretning JC og vil derfor skabe en tværgående spin-komponent . Figur 2 (d) viser magnetometersignalet, Fig. 2 (e) viser spektret og Fig. 2 (f) Viser magnetfeltet Fourier komponent ved Larmor frekvens på 400 HS. En klar tærskel for nervefyringen observeres, der bekræfter, at magnetometeret er i stand til at detektere nerveimpulsen. Fra kalibreringsmålinger(se Metodesektion) bestemmer vi Fourier-komponenten i magnetfeltet fra nerven som |Bnerve (liter)| = 9,1 pT·ms. fra Fig. 2 (f) vi udleder, at nerveimpulsen kan detekteres optisk med et signal til støjforhold SNR 37 ved hjælp af 1000 gennemsnit. Da SNR skalerer som finder vi SNR-kursen 1.2 for et enkelt skud, dvs.det skal være muligt at opdage en nerveimpuls i et enkelt skud.

som et kontroleksperiment gør vi nerven uigennemtrængelig14 ved at erstatte saltopløsningen i plastkammeret med en opløsning med høj kaliumkoncentration. Som forventet observerer vi tydeligt fra både elektriske og optiske målinger, at nervesignalet er blokeret af denne løsning. Bemærk, at stimulering artefakt, som blev observeret i den elektriske optagelse (indsat til Fig. 2 (A)) skal være lille i de optiske målinger, da stimuleringen sker under den optiske pumpning, hvor reaktionen på magnetfelter er stærkt dæmpet. Når nerven er ubønhørlig, ser vi sådan en lille stimuleringsartefakt (firkanter i Fig. 2 (f)) for de højere stimuleringsspændinger.

den høje rumlige opløsning af vores magnetometer (kanalen indeholdende cæsiumatomerne er 1,0 mm på tværs) og det gode signal til støjforhold giver os mulighed for at karakterisere, hvordan magnetfeltet falder med afstand fra nerven. Resultaterne er vist i Fig. 3 og man ser, at vi kan registrere nerveimpulsen mere end 5 mm væk. Den faktiske afstand afhængighed kan være kompliceret som frøen iskiasnerven indeholder 1000-vis af aksoner organiseret i flere bundter (se supplerende Fig. 1). Vi forventer dog en magt lov afhængighed med n mellem 1-3. n = 1 svarer til magnetfeltet fra en uendelig lang ledning og n = 3 svarer til feltet fra en magnetisk dipol. H0 er nervens position i forhold til vores estimat på 1,9(5) mm baseret på størrelsen af dampcellen og dimensioner af nerven. Tilpasning af data til en magt lov afhængighed giver 0 = 0,2 (8) mm og n = 1.5 (4), som ligger inden for de forventede intervaller.

figur 3

magnetisk felt fourier komponent som en funktion af afstand (ved hjælp af 1000 gennemsnit pr.

den nærmeste afstand fra midten af magnetometeret til midten af nerven blev estimeret til at være 1,9 mm. cirkler: Nervemagnetfelt, firkanter: magnetometerstøj gulv, linje: passer til en magt-lov afhængighed, fit parametre n = 1,5(4), H0 = 0,2(8) mm. usikkerheden på fit parametre er 68% konfidensgrænserne.

magnetometeret kan også betjenes i kontinuerlig tilstand, som muliggør bestemmelse af den tidsmæssige form af magnetfeltet genereret af nerven, Bnerve(t). Magnetometerresponset blev optimeret ved at matche dets frekvensrespons (en Lorentsian centreret ved Larmor-frekvensen med en fuld bredde ved halv maksimum 1/(nT2)) med spektret af nerveimpulsen (se Fig. 2, litra b)). Båndbredden 1 / (nT2) = 860 blev indstillet ved at vælge passende effektniveauer til pumpe -, repump-og sondelasere. Figur 4 (A,b) viser henholdsvis de elektriske og optiske signaler som en funktion af tiden for forskellige stimuleringsspændinger. I både elektriske og optiske målinger observerer vi to funktioner (A og B). Funktion A skyldes stimuleringen, da den starter på stimuleringstidspunktet og øges lineært med stimuleringsspændingen. Funktion B skyldes nervesignalet, da det varer i flere ms og kun vises over tærsklen for nervefyring (her 0,8 V eller derover). Figur 4 (c) viser en sammenligning af det elektriske signal for 0.8 V stimulering og det detekterede magnetfelt B (t) som beregnet ved at dekonvolvere det optiske signal med magnetometerresponsen . De tidsmæssige profiler af det elektriske signal og magnetfeltet ser meget ens ud; begge viser handlingspotentialet og en stimuleringsartefakt. Fra bundpladen i Fig 4 (c) konkluderer vi, at nervemagnetfeltet har en 24 pT peak-to-peak amplitude(målt i en gennemsnitlig afstand på 1,9 mm), og at nerveledningshastigheden er 34 (8) m/s (se supplerende Information). Den effektive aksiale Ioniske strøm anslås til at være 0.23 (Se supplerende oplysninger), som er i overensstemmelse med tidligere målinger15.

figur 4

elektriske og optiske målinger af nerveimpulsen for forskellige stimuleringsspændinger.

magnetometeret blev betjent i kontinuerlig tilstand, og signalerne blev gennemsnitligt 5000 gange. a) elektriske og B) optiske målinger. (C) elektrisk signal til 0,8 V stimulering og magnetfelt beregnet ved dekonvolution. For disse specifikke målinger var Larmor-frekvensen 510 HS og kohærenstiden 0,37 ms.

fra de data, vi finder den enkelt skud eksperimentel usikkerhed i den kontinuerlige tilstand(JP)| = 7,7 pT·ms og en følsomhed på 230 (se afsnittet metoder). Standardkvantegrænsen for magnetfeltusikkerheden er i den pulserende tilstand, der svarer til . i denne tilstand er lyset slukket under nerveimpulsvarigheden, som opfylder . I kontinuerlig tilstand, hvor T2 = 0,37 ms matcher nerveimpulsbåndbredden, er KVL for følsomheden 160 . Da den eksperimentelle følsomhed er tæt på kvantet støj (projektionsstøj, skudstøj, back-action støj) er en betydelig brøkdel af den samlede støj. Nogle ukompenserede lavfrekvente klassiske støj fra sondelyset og atomspinnet bidrog også til den samlede støj, især til de pulserende målinger.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.