量子制限感度近傍で動作する原子磁力計による動物の神経インパルスの非侵襲的検出

ここでは、ref. 神経の衝動の測定のための9。 磁力計の敏感な要素はセシウム原子蒸気です。 セシウムは、室温または人体の温度で高い感度に達することができるように、高い蒸気圧を有する。 原子J=(J X,J Y,J Z)の磁気モーメント(スピン)は,バイアス場B Xの方向に沿ってx方向に光ポンピングすることによって調製される。 神経Bnerveの磁場は横方向のスピン成分J Θ=(Jy,Jz)を生成し、その後ラーモア周波数Ω=Bx/θでy-z平面内で回転します。θ=2.20·1010rad/(s·T)はセシウムの回転磁気比です。 プローブ光の偏光回転を測定することにより,jzスピン成分を光学的に検出した。 神経からの磁場は、時間B(t)の関数としての磁場が検出される連続モードと、フーリエ成分|B(Ω)|が検出されるパルスモードの二つのモダリティで検出される。 連続モードでは、ポンプとプローブライトが連続的にオンになります。 パルスモードでは、ポンプ光のパルスの後に磁場のパルスが続き、最後にプローブ光のパルスでスピンが検出されます。

フィギュア1

(a)実験セットアップの概略図。 プローブ光はz軸に沿って伝搬します。 半波板λ/2、偏光ビームスプリッタ(PBS)および差動光検出は、偏光検出器の構成要素である。 (b)磁力計の原理。 Z,y平面における集団原子スピン歳差運動の振幅はBnerveに比例する。 スピン投影Jzは,量子投影スピンノイズ(ファジィ円)によって制限された感度を持つプローブ光によって測定される。 神経からの磁場は回旋的である。 磁力計によって検出された平均磁場は、y方向を指します。 (c)パルス磁力計モードの測定シーケンス。

光磁力計は、基本的に、図1のファジィ円として示されるスピン投影ノイズ(PN)からなる量子ノイズによって制限されます。 図1(b)に示すように、プローブ光の量子ショットノイズとスピン9上のプローブの量子バックアクション。 最適な測定のために、これらのノイズ源は標準量子限界(SQL)11まで加算されます。 この限界は何百ものkhz9で振動する磁界のために達されました。 ここでは、補足情報に記載されている技術を使用して、周波数がはるかに低い神経インパルスの磁場測定のためのSQLにアプローチします。 連続測定の場合、合計測定時間Ttotで正規化されたSQL磁場不確かさΔ BSQLは、感度の単位で生成します。 T2はスピンコヒーレンス時間であり、Jx=4NAはNAセシウム原子の全原子スピンである。 室温22℃では、セシウムの原子密度は3.1×1016m−3であり、これは原子磁気測定に適したすべての元素の中で最も高い。 パルス測定は、磁気パルス持続時間≤t2の場合、のSQL磁場不確かさを持ちます(補足情報を参照)。

高感度には長いスピン-コヒーレンス時間T2が重要です。 この作業では、alkane12,13でコーティングされた内面を有する蒸気セルを利用する。 このコーティングは、原子スピン状態を何千もの壁衝突にわたるデコヒーレンスから保護し、究極の感度のために必要とされる典型的な神経インパルス持続時間≤2msよりも長いmsを提供する。 セシウムの蒸気は1.0mm×1.0mm×7に含まれています。この小さい長方形の蒸気細胞は私達が多くの医学の適用のための典型的な間隔に近い神経からの少数のmmの平均間隔で原子を持つことを可能に

カエルの坐骨神経には、数千の軸索が内部にある数本の神経束が含まれています(方法のセクションを参照)。 神経は、それが5時間以上生理食塩水で生き続けることができるプラスチック製のチャンバーの内側に配置されています。 神経は一対の金電極で一端から電気的に刺激される。 刺激は、神経に沿って伝播する活動電位(神経インパルス)を誘発する。 基準測定として、別の一対の電極を用いてインパルスの電気的記録を行う。 図2(a)は、異なる刺激電圧に対する電気的に記録された信号を示しています。 図2(b)は、神経信号の周波数スペクトルを示し、図2(b)は、神経信号の周波数スペクトルを示している。 図2(c)は、400Hzフーリエ成分の振幅を示しています。 神経信号のシグネチャは、刺激電圧を有するその非線形挙動であり、発射閾値は約0.4Vである。 しきい値を超える電圧の場合、神経インパルスは、時間間隔t=7.0−10.0ms内の記録電極で測定されます。t=6.0msの刺激アーチファクトも観察され、刺激電圧に比例します。

フィギュア2

異なった刺激の電圧のための神経の衝動の電気および光学測定。

光学測定は、1000平均を用いてパルスモードで行われた。 図は、時間単位の信号、パワースペクトル密度PSDの平方根、および400Hzの周波数成分を示しています。 プロットされた電気信号は、10倍の増幅後である。 (C)のデータ点の不確実性は、図中に見えるように小さくなっています。 (F)の点の不確実性は、刺激のない点(0V)から推定することができ、9回測定され、0.25(10)pT·ms信号をもたらした。 神経信号(9.1pT·ms)を刺激なしで得られたノイズフロア(0.25pT·ms)で割ることによって、信号対雑音比、SNR≥37がわかります。

参照の電気記録に並行して神経信号は脈打った磁力計モードを使用して光学的に検出される。 磁力計は、薄い顕微鏡カバースリップによってのみ分離された神経の中央部の近くに配置される。 神経がU字型に曲がっているので、主に磁力計に最も近い神経の10mmの部分から磁場を検出します。 この10mmセクションの軸イオン電流は、活動電位が持続時間≤3ms、速度≤30m/s、したがって範囲≤9cm≤10mmであるため、一定と考えることができます。 神経からの回旋磁場は、平均して最初のスピン方向に対して横方向であり、したがって、横方向のスピン成分を生成する。 図2(d)は磁力計信号を示し、図2(d)は磁力計信号を示しています。 図2(e)はスペクトルを示し、図2(e)はスペクトルを示す。 図2(f)は、ラーモア周波数400Hzでの磁場フーリエ成分を示しています。 神経発火の明確なしきい値が観察され、磁力計が神経インパルスを検出できることが確認された。 較正測定(方法の項を参照)から、神経からの磁場のフーリエ成分を、|Bnerve(Ω)|=9. 図2(f)神経インパルスは、1 0 0 0平均を用いて信号対雑音比SNR≧3 7で光学的に検出することができると推測する。 SNRのスケールがであるため、1回のショットでSNR≥1.2が得られます。

対照実験として、プラスチック室内の生理食塩水を高カリウム濃度の溶液に置き換えることにより、神経をexcitable14にします。 予想されるように、我々は明らかに神経信号がこの溶液によってブロックされていることを電気的および光学的測定の両方から観察する。 なお、電気記録で観察された刺激アーチファクト(図への挿入)は、電気記録で観察された刺激アーチファクト(図への挿入) 2(a))は、磁場に対する応答が強く減衰される光ポンピングの間に刺激が起こるので、光学測定において小さくなければならない。 神経が不可解であるとき、私達はそのような小さい刺激の人工物を見ます(図の正方形。 より高い刺激の電圧のための2(f))。

私たちの磁力計の高い空間分解能(セシウム原子を含むチャネルの幅は1.0mmです)と優れた信号対雑音比は、磁場が神経からの距離でどのように減衰するかを特徴付けることを可能にします。 その結果を図1 0に示す。 3つは、5mm以上離れた神経インパルスを検出できることを見ています。 実際の距離依存性は、カエルの坐骨神経がいくつかの束に組織された1000の軸索を含むため、複雑になる可能性があります(補足図を参照)。 1). しかし、nが1-3のべき乗則依存性が期待されます。 n=1は無限に長いワイヤからの磁場に対応し、n=3は磁気双極子からの磁場に対応します。 x0は、蒸気細胞の大きさおよび神経の寸法に基づく1.9(5)mmの我々の推定値に対する神経の位置である。 データをべき乗則依存性に当てはめると、x0=0.2(8)mmとn=1が得られます。5(4)予想される範囲内にある。

フィギュア3

距離の関数としての磁場フーリエ成分(1点あたり1000の平均を使用)。

磁力計の中心から神経の中心までの最も近い距離は1.9mmと推定されました。円:神経磁場、正方形:磁力計ノイズフロア、線:べき乗則依存性に適合、適合パラ

磁力計はまた神経によって発生する磁界の時間的な形の決定を可能にする連続的なモードでBnerve(t)作動させることができる。 磁力計の応答は、その周波数応答(半分の最大1/(nt2)で全幅を持つLarmor周波数を中心とするローレンツ)を神経インパルスのスペクトルと一致させることによ 2(b))。 帯域幅1/(nt2)=860Hzは、ポンプ、リポンプ、プローブレーザーに適したパワーレベルを選択することによって設定されました。 図4(a,b)は、異なる刺激電圧に対する時間の関数としての電気信号と光信号をそれぞれ示しています。 電気的および光学的測定の両方において、我々は2つの特徴(AおよびB)を観察する。 特徴Aは刺激の時に始まり、刺激の電圧と直線的に増加すると同時に刺激が原因です。 特徴Bは、神経信号によるものであり、数ms持続し、神経発火の閾値(ここでは0.8V以上)を超えてのみ現れる。 図4(c)は、0に対する電気信号の比較を示しています。8Vの刺激および検出された磁界B(t)は磁力計の応答の光シグナルをdeconvolvingによって計算されるように。 電気信号と磁場の時間プロファイルは非常によく似ており、どちらも活動電位と刺激アーティファクトを示しています。 図4(c)の底板から、神経磁場は24pTのピーク-ツー-ピーク振幅(平均距離1.9mmで測定)を有し、神経伝導速度は34(8)m/sであると結論づけている(補足情報を参照)。 有効な軸イオン電流は0であると推定される。23µ a(補足情報を参照)これは以前の測定と一致しています15.

フィギュア4

異なった刺激の電圧のための神経の衝動の電気および光学測定。

磁力計は連続モードで動作し、信号は平均5000回でした。 (a)電気的および(b)光学的測定。 (c)0.8V刺激のための電気信号およびdeconvolutionによって計算される磁界。 これらの特定の測定のためにLarmorの頻度は510のHzおよび一貫性の時間0.37msだった。

データから、パルスモードではシングルショット実験不確実性Δ|Bexp(Ω)|=7.7pT·ms、連続モードでは230の感度が見つかりました(方法のセクションを参照)。 磁場不確かさの標準量子限界は、パルスモードΔ|BSQL(Ω)|=1.6pT·msにあります。このモードでは、を満たす神経インパルス持続時間≤2msの間に光がオフになります。 連続モードでは、t2=0.37msが神経インパルス帯域幅と一致する場合、感度のSQLは160です。 実験感度はSQLに近いため、量子ノイズ(投影ノイズ、ショットノイズ、バックアクションノイズ)は全ノイズのかなりの割合です。 プローブ光と原子スピンの補償されていない低周波古典的雑音も,特にパルス測定のための全雑音に寄与した。

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