nieinwazyjne wykrywanie zwierzęcych impulsów nerwowych za pomocą magnetometru atomowego działającego w pobliżu kwantowej ograniczonej czułości

tutaj stosujemy podejście ref. 9 do pomiarów impulsów nerwowych. Czułym elementem magnetometru jest para atomowa cezu. CEZ ma wysokie ciśnienie pary tak, że wysoka czułość może być osiągnięta w temperaturze pokojowej lub ludzkiego ciała. Moment magnetyczny (spin) atomów J = (Jx, Jy, Jz) jest wytwarzany przez optyczne pompowanie w kierunku x, wzdłuż kierunku pola biasu Bx . Pole magnetyczne bnerve nerwu utworzy poprzeczny Składnik spinowy J⊥ = (Jy, Jz), który następnie obróci się w płaszczyźnie y-z z częstotliwością Ω = BX/γ , gdzie γ = 2,20 · 1010 rad / (s · T) jest stosunkiem żyromagnetycznym cezu. Składnik spinu Jz jest wykrywany optycznie przez pomiar obrotu polaryzacyjnego światła sondy. Pole magnetyczne z nerwu jest wykrywane w dwóch trybach, trybie ciągłym, w którym wykrywane jest pole magnetyczne w funkcji czasu B (T) i trybie pulsacyjnym, w którym wykrywany jest składnik Fouriera |B(Ω)|. W trybie ciągłym światło pompy i sondy jest stale włączone. W trybie impulsowym następuje impuls światła pompy, po którym następuje impuls pola magnetycznego, a na końcu obroty są wykrywane impulsem światła sondy.

Rysunek 1

(a) schemat instalacji eksperymentalnej. Światło sondy rozchodzi się wzdłuż osi Z. Płytka półfalowa λ/2, rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej (PBS) i fotodetekcja różnicowa są składnikami detektora polaryzacyjnego. (b) zasada magnetometru. Amplituda zbiorowej precesji spinu atomowego w płaszczyźnie z, y jest proporcjonalna do BN. Projekcja spinu JZ jest mierzona światłem sondy z czułością ograniczoną przez kwantowy szum spinu projekcyjnego (fuzzy circle). Pole magnetyczne z nerwu jest obwodowe. Średnie pole wykrywane przez magnetometr wskazuje w kierunku Y. C) sekwencję pomiaru dla trybu magnetometru impulsowego.

magnetometry optyczne są zasadniczo ograniczone przez szum kwantowy składający się z szumu projekcji spinu (PN) pokazanego jako rozmyty okrąg na Fig. 1 (b), kwantowy szum strzałowy światła sondy i kwantowe tylne działanie sondy na spin9. Dla optymalnego pomiaru te źródła szumów sumują się do Standardowej granicy kwantowej (SQL)11. Limit ten został osiągnięty dla pól magnetycznych oscylujących w setkach kHz9. Tutaj podchodzimy do SQL do pomiaru pola magnetycznego impulsów nerwowych, których częstotliwość jest znacznie niższa przy użyciu technik opisanych w informacji dodatkowej. Dla pomiarów ciągłych niepewność pola magnetycznego SQL ΔBSQL znormalizowana przez całkowity czas pomiaru Ttot daje czułość w jednostkach . T2 jest czasem koherencji spinu, a Jx = 4NA jest całkowitym spinem atomów NA cezu. W temperaturze pokojowej 22 °C Gęstość atomowa cezu wynosi 3,1 × 1016 m – 3, co jest najwyższą ze wszystkich pierwiastków właściwych dla magnetometrii atomowej. Pomiar pulsacyjny ma niepewność pola magnetycznego , jeśli czas trwania impulsu magnetycznego τ ≪ T2 (zob. Informacje uzupełniające).

długi czas spin-koherencji T2 ma kluczowe znaczenie dla wysokiej czułości. W tej pracy wykorzystujemy ogniwo parowe z wewnętrzną powierzchnią pokrytą alkanem 12,13. Powłoka chroni atomowe Stany spinu przed dekoherencją podczas wielu tysięcy zderzeń ścian i zapewnia ms, która jest dłuższa niż typowy czas trwania impulsu nerwowego τ ≈ 2 ms, wymagany do uzyskania najwyższej czułości. Para cezu jest zawarta w 1,0 mm × 1,0 mm × 7.Kanał 7 mm wewnątrz prostokątnego szklanego Chipa o wymiarach 2,3 mm × 8,4 mm × 7,7 mm. Ta mała prostokątna komórka pary pozwala nam mieć Atomy w średniej odległości kilku mm od nerwu, co jest bliskie typowej odległości dla wielu zastosowań medycznych.

nerw kulszowy żaby zawiera kilka wiązek nerwowych, każdy z kilkoma tysiącami aksonów wewnątrz (patrz sekcja Metody). Nerw umieszcza się w plastikowej komorze, gdzie można go utrzymać przy życiu w roztworze soli fizjologicznej przez ponad 5 godzin. Nerw jest elektrycznie stymulowany z jednego końca parą złotych elektrod . Bodziec wyzwala potencjał czynnościowy (impuls nerwowy) propagujący się wzdłuż nerwu. Jako pomiar referencyjny wykonujemy zapis elektryczny impulsu za pomocą innej pary elektrod. Rysunek 2 (a) przedstawia zarejestrowane elektrycznie sygnały dla różnych napięć stymulacji. Na fig. 2 (b) przedstawiono widma częstotliwości sygnałów nerwowych i Fig. 2 (c) pokazuje amplitudę składowej Fouriera 400 Hz. Nerw jest stymulowany Przy t = 6,0 ms. sygnałem sygnałowym nerwu jest jego nieliniowe zachowanie z napięciem stymulacji, z progiem zapłonu przy około 0,4 V. Dla napięć powyżej progu impuls nerwowy jest mierzony elektrodami rejestrującymi w przedziale czasowym t = 7,0-10,0 ms. obserwujemy również artefakt stymulacji Przy t = 6,0 ms, który jest proporcjonalny do napięcia stymulacji.

Rysunek 2

Pomiary elektryczne i optyczne impulsów nerwowych dla różnych napięć stymulacji.

pomiary optyczne wykonywano w trybie impulsowym z wykorzystaniem 1000 średnich. Liczby pokazują sygnały w czasie, pierwiastek kwadratowy gęstości widmowej mocy PSD i składową częstotliwości 400 Hz. Wykreślone sygnały elektryczne są po 10-krotnym wzmocnieniu. Niepewność w punktach danych w lit. c) jest niewielka, aby była widoczna na rysunku. Niepewność punktów w lit. f) można oszacować na podstawie punktów bez stymulacji (0 V), które zostały zmierzone 9 razy i dały sygnał 0,25(10) pT * ms. Dzieląc sygnał nerwowy (9,1 pT * ms) przez podłogę szumu uzyskaną bez stymulacji (0,25 pT·ms), znajdujemy stosunek sygnału do szumu, SNR ≈ 37.

równolegle do referencyjnego zapisu elektrycznego sygnał nerwowy jest wykrywany optycznie za pomocą impulsowego magnetometru. Magnetometr znajduje się w pobliżu środkowej części nerwu oddzielonej jedynie cienką osłoną mikroskopu. Ponieważ nerw jest wygięty w kształcie litery U, wykrywamy pole głównie z 10 mm odcinka nerwu najbliższego magnetometrowi . Osiowy prąd jonowy w tej sekcji 10 mm można uznać za stały, ponieważ potencjał czynnościowy ma czas trwania ≈3 ms, prędkość ≈30 m/s, a zatem zakres ≈9 cm ≫ 10 mm. Okrężne pole magnetyczne z nerwu jest przeciętnie poprzeczne do początkowego kierunku spinu Jx i w związku z tym utworzy poprzeczny Składnik spinu . Rysunek 2 (d) przedstawia sygnał magnetometru, rys. 2 (e) pokazuje widmo i Rys. 2 (f) pokazuje składową Fouriera pola magnetycznego o częstotliwości 400 Hz. Obserwuje się wyraźny próg zapłonu nerwu potwierdzający, że magnetometr jest w stanie wykryć impuls nerwowy. Na podstawie pomiarów kalibracyjnych (patrz sekcja Metody) wyznaczamy składową Fouriera pola magnetycznego z nerwu jako / Bnerve (Ω· / = 9,1 pT * ms. z Rys. 2 (f) wnioskujemy, że impuls nerwowy można wykryć optycznie przy stosunku sygnału do szumu SNR ≈ 37 przy użyciu średnich 1000. Ponieważ SNR skaluje się jako , znajdujemy SNR ≈ 1.2 dla pojedynczego strzału, tzn. powinno być możliwe wykrycie impulsu nerwowego w jednym strzale.

w ramach eksperymentu kontrolnego wykonujemy niedościgniony nerw14, zastępując roztwór soli fizjologicznej w komorze z tworzywa sztucznego roztworem o wysokim stężeniu potasu. Zgodnie z oczekiwaniami, z pomiarów elektrycznych i optycznych wyraźnie widać, że sygnał nerwowy jest blokowany przez to rozwiązanie. Zauważ, że artefakt stymulacji, który zaobserwowano w zapisie elektrycznym(wstawiony na Rys. 2 (a)) powinna być mała w pomiarach optycznych, ponieważ stymulacja zachodzi podczas pompowania optycznego, w którym reakcja na pole magnetyczne jest silnie tłumiona. Gdy nerw jest niewytłumaczalny, widzimy taki mały artefakt stymulacji(kwadraty na Rys. 2 (f)) dla wyższych napięć stymulacji.

Wysoka rozdzielczość przestrzenna naszego magnetometru (kanał zawierający Atomy cezu ma 1,0 mm średnicy) i dobry stosunek sygnału do szumu pozwala nam scharakteryzować, jak Pole magnetyczne rozpada się wraz z odległością od nerwu. Wyniki przedstawiono na Rys. 3 i widać, że możemy wykryć impuls nerwowy w odległości większej niż 5 mm. Rzeczywiste uzależnienie od odległości może być skomplikowane, ponieważ Żabi nerw kulszowy zawiera 1000 aksonów zorganizowanych w kilka wiązek (patrz dodatkowe rys. 1). Jednak spodziewamy się zależności prawa mocy z n pomiędzy 1-3. n = 1 odpowiada polowi magnetycznemu z nieskończenie długiego drutu, a n = 3 odpowiada polowi z dipola magnetycznego. x0 to pozycja nerwu względem naszego oszacowania 1,9 (5) mm w oparciu o rozmiar komórki parowej i wymiary nerwu. Dopasowanie danych do zależności prawa mocy daje x0 = 0,2 (8) mm i n = 1.5(4), które mieszczą się w oczekiwanych zakresach.

Rysunek 3

składowa Fouriera pola magnetycznego jako funkcja odległości (przy użyciu 1000 średnich na punkt).

najbliższa odległość od środka magnetometru do środka nerwu została oszacowana na 1,9 mm. okręgi: pole magnetyczne nerwu, kwadraty: podłoga szumu magnetometru, linia: dopasowanie do zależności prawa mocy, parametry dopasowania n = 1,5(4), x0 = 0,2 (8) mm. niepewność parametrów dopasowania to 68% granice ufności.

magnetometr może również pracować w trybie ciągłym, co pozwala na określenie kształtu czasowego pola magnetycznego generowanego przez nerw, BN (t). Odpowiedź magnetometru została zoptymalizowana przez dopasowanie jej odpowiedzi częstotliwościowej (Lorentzian wyśrodkowany na częstotliwości Larmor z pełną szerokością w połowie maksimum 1/(nT2)) ze spektrum impulsu nerwowego (patrz Rys. 2 lit. b)). Szerokość pasma 1 / (nT2) = 860 Hz została ustalona poprzez wybór odpowiednich poziomów mocy dla laserów pompowych, pompowych i sondowych. Rysunek 4(A,b) przedstawia odpowiednio sygnały elektryczne i optyczne w funkcji czasu dla różnych napięć stymulacji. W pomiarach elektrycznych i optycznych obserwujemy dwie cechy (a i B). Cecha a wynika z stymulacji, która rozpoczyna się w momencie stymulacji i zwiększa się liniowo wraz z napięciem stymulacji. Cecha B jest spowodowana sygnałem nerwowym, ponieważ trwa kilka ms i pojawia się tylko powyżej progu zapłonu nerwu (tutaj 0,8 V lub więcej). Rysunek 4 (c) przedstawia porównanie sygnału elektrycznego dla 0.Stymulacja 8 V i wykryte pole magnetyczne B (t) obliczone przez odkręcenie sygnału optycznego za pomocą odpowiedzi magnetometru . Profile czasowe sygnału elektrycznego i pola magnetycznego wyglądają bardzo podobnie; oba pokazują potencjał działania i artefakt stymulacji. 4 (c) wnioskujemy, że pole magnetyczne nerwu ma amplitudę 24 pT od szczytu do szczytu (mierzoną w średniej odległości 1,9 mm) i że prędkość przewodzenia nerwu wynosi 34(8) m/s (Patrz informacje uzupełniające). Efektywny osiowy prąd jonowy szacowany jest na 0.23 µA (zob. Informacje uzupełniające), co jest zgodne z wcześniejszymi pomiarami 15.

Rysunek 4

Pomiary elektryczne i optyczne impulsów nerwowych dla różnych napięć stymulacji.

magnetometr działał w trybie ciągłym, a sygnały były uśredniane 5000 razy. a) pomiary elektryczne i b) pomiary optyczne. (c) sygnał elektryczny dla stymulacji 0,8 V i pola magnetycznego obliczony przez dekonwolucję. Dla tych specyficznych pomiarów częstotliwość Larmora wynosiła 510 Hz, a czas koherencji 0,37 ms.

na podstawie danych znajdujemy niepewność eksperymentalną pojedynczego strzału Δ|Bexp(Ω)| = 7,7 pT·ms dla trybu impulsowego i czułość 230 w trybie ciągłym (patrz sekcja Metody). Standardowa granica kwantowa niepewności pola magnetycznego znajduje się w trybie impulsowym Δ|BSQL(Ω)| = 1,6 pT·ms. w tym trybie światło jest wyłączone podczas trwania impulsu nerwowego τ ≈ 2 ms, który spełnia . W trybie ciągłym, gdzie T2 = 0,37 ms odpowiada szerokości pasma impulsu nerwowego, czułość SQL wynosi 160 . Ponieważ czułość eksperymentalna jest zbliżona do SQL, szum kwantowy (szum projekcyjny, szum strzałowy, szum cofania) stanowi znaczną część szumu całkowitego. Do całkowitego szumu przyczyniły się również niezrównane niskoczęstotliwościowe szumy Klasyczne światła sondy i spinu atomowego, w szczególności w pomiarach impulsowych.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.