detectarea neinvazivă a impulsurilor nervoase animale cu un magnetometru atomic care funcționează în apropierea sensibilității limitate cuantice

aici folosim abordarea ref. 9 pentru măsurarea impulsurilor nervoase. Elementul sensibil al magnetometrului este vaporii atomici de cesiu. Cesiul are o presiune ridicată a vaporilor, astfel încât sensibilitatea ridicată poate fi atinsă la temperatura camerei sau a corpului uman. Momentul magnetic (spin) al atomilor J = (Jx, Jy, Jz) este preparat prin pompare optică în direcția x, de-a lungul direcției unui câmp de polarizare Bx . Câmpul magnetic al nervului Bnerve va crea un transversale spin component J⊥ = (Jy, Jz) care ulterior se va roti în y-z avion la frecvența Larmor Ω = Bx/γ , unde γ = 2.20 · 1010 rad/(s · T) este de cesiu gyromagnetic raport. Componenta de spin Jz este detectată optic prin măsurarea rotației de polarizare a luminii sondei. Câmpul magnetic din nerv este detectat în două modalități, un mod continuu în care este detectat câmpul magnetic în funcție de timpul B(t) și un mod pulsat în care este detectată componenta Fourier |B(XV)|. În modul continuu, lumina pompei și a sondei este aprinsă continuu. În modul pulsat, un impuls de lumină a pompei este urmat de pulsul câmpului magnetic și, în final, rotirile sunt detectate cu un impuls de lumină a sondei.

Figura 1

(a) Schema configurației experimentale. Lumina sondei se propagă de-a lungul axei Z. Placa cu jumătate de undă (semiinct)/2, separatorul fasciculului polarizant (PBS) și fotodetecția diferențială sunt componente ale detectorului de polarizare. (b) principiul magnetometrului. Amplitudinea precesiei spinului atomic colectiv în planul z, Y este proporțională cu Bnervă. Proiecția de Spin Jz este măsurată prin lumina sondei cu sensibilitatea limitată de zgomotul de spin al proiecției cuantice (cerc fuzzy). Câmpul magnetic al nervului este circumferal. Câmpul mediu detectat de magnetometru indică direcția Y. (c) secvența de măsurare pentru modul magnetometru pulsat.

magnetometrele optice sunt fundamental limitate de zgomotul cuantic constând din zgomotul de proiecție spin (PN) prezentat ca cercul fuzzy din Fig. 1 (b), zgomotul împușcat cuantic al luminii sondei și acțiunea cuantică înapoi a sondei pe spin9. Pentru o măsurare optimă, aceste surse de zgomot se adaugă la limita cuantică standard (SQL) 11. Această limită a fost atinsă pentru câmpurile magnetice care oscilează la sute de kHz9. Aici abordăm SQL pentru măsurarea câmpului magnetic al impulsurilor nervoase a căror frecvență este mult mai mică folosind tehnicile descrise în informațiile suplimentare. Pentru măsurători continue, incertitudinea câmpului magnetic SQL, normalizată de timpul total de măsurare tTot, produce sensibilitatea în unități de . T2 este timpul de coerență a spinului și Jx = 4NA este spinul atomic total pentru atomii de na cesiu. La temperatura camerei de 22 C, densitatea atomică de cesiu este de 3,1 1016 m-3, care este cea mai mare dintre toate elementele adecvate magnetometriei atomice. Măsurarea pulsată are incertitudinea câmpului magnetic SQL de dacă durata impulsului magnetic este T2 (a se vedea informațiile suplimentare).

un timp lung de coerență a centrifugării T2 este crucial pentru o sensibilitate ridicată. În această lucrare folosim o celulă de vapori cu suprafața interioară acoperită cu alcan12, 13. Acoperirea protejează stările de spin atomice de decoerență pe mai multe mii de coliziuni de perete și oferă ms, care este mai lungă decât o durată tipică a impulsului nervos de 2 ms, după cum este necesar pentru sensibilitatea finală. Vaporii de cesiu sunt conținuți într-un 1,0 mm, 1,0 mm, 1,0 mm, 7.Canal de 7 mm în interiorul unui cip de sticlă dreptunghiular de dimensiuni 2,3 mm, 8,4 mm, 7,7 mm. această mică celulă de vapori dreptunghiulară ne permite să avem atomi la o distanță medie de câțiva mm de nerv, care este aproape de o distanță tipică pentru multe aplicații medicale.

un nerv sciatic de broască conține câteva fascicule nervoase fiecare cu câteva mii de axoni în interior (vezi secțiunea Metode). Nervul este plasat în interiorul unei camere de plastic unde poate fi menținut în viață într-o soluție salină mai mult de 5 ore. Nervul este stimulat electric de la un capăt cu o pereche de electrozi de aur . Stimulul declanșează un potențial de acțiune (un impuls nervos) care se propagă de-a lungul nervului. Ca măsurare de referință efectuăm o înregistrare electrică a impulsului cu o altă pereche de electrozi. Figura 2(A) prezintă semnalele înregistrate electric pentru diferite tensiuni de stimulare. Figura 2 (b) prezintă spectrele de frecvență ale semnalelor nervoase și Fig. 2 (c) arată amplitudinea componentei Fourier de 400 Hz. Nervul este stimulat la t = 6,0 ms. semnătura semnalului nervos este comportamentul său neliniar cu tensiune de stimulare, cu un prag de ardere la aproximativ 0,4 V. Pentru tensiuni peste prag se măsoară un impuls nervos cu electrozii de înregistrare în intervalul de timp t = 7,0 − 10,0 ms. de asemenea, observăm un artefact de stimulare la t = 6,0 ms care este proporțional cu tensiunea de stimulare.

Figura 2

măsurători electrice și optice ale impulsului nervos pentru diferite tensiuni de stimulare.

măsurătorile optice au fost efectuate în modul pulsatoriu folosind 1000 de medii. Cifrele arată semnalele în timp, rădăcina pătrată a densității spectrale de putere PSD și componenta de frecvență de 400 Hz. Semnalele electrice reprezentate grafic sunt după 10 ori amplificare. Incertitudinile privind punctele de date de la litera (c) sunt prea mici pentru a fi vizibile în figură. Incertitudinile privind punctele de la litera (f) pot fi estimate din punctele fără stimulare(0 V) care au fost măsurate de 9 ori și au dus la un semnal de 0,25 (10) pT·ms. Prin împărțirea semnalului nervos (9,1 pT·ms) la podeaua de zgomot obținută fără stimulare (0,25 pT·ms) găsim raportul semnal / zgomot, SNR 37.

în paralel cu înregistrarea electrică de referință, semnalul nervos este detectat optic folosind modul magnetometru pulsat. Magnetometrul este poziționat în apropierea părții medii a nervului separat numai printr-o alunecare subțire a capacului microscopului. Deoarece nervul este îndoit în formă de U, detectăm în principal câmpul din secțiunea de 10 mm a nervului cel mai apropiat de magnetometru . Curentul ionic axial în această secțiune de 10 mm poate fi considerat constant, deoarece potențialul de acțiune are o durată de 3 ms, viteza de 30 m/s și, prin urmare, o întindere de 9 cm, de 9 mm, de 10 mm. Câmpul magnetic circumferal Bnervul din nerv este în medie transversal față de direcția inițială de centrifugare Jx și, prin urmare, va crea o componentă transversală de centrifugare . Figura 2 (d) prezintă semnalul magnetometrului, Fig. 2 (e) prezintă spectrul și Fig. 2 (f) prezintă componenta câmpului magnetic Fourier la frecvența Larmor de 400 Hz. Se observă un prag clar pentru arderea nervului care confirmă faptul că magnetometrul este capabil să detecteze impulsul nervos. Din măsurătorile de calibrare (vezi secțiunea Metode) se determină componenta Fourier a câmpului magnetic de la nervul as| Bnerve(XV) / = 9.1 pT·ms. din Fig. 2 (f) deducem că impulsul nervos poate fi detectat optic cu un raport semnal / zgomot SNR 37 folosind 1000 de medii. Pe măsură ce SNR se scalează ca găsim SNR-ul 1.2 pentru o singură lovitură, adică ar trebui să fie posibil să se detecteze un impuls nervos într-o singură lovitură.

ca experiment de control, facem nervul inexcitabil14 prin înlocuirea soluției saline din camera de plastic cu o soluție cu concentrație mare de potasiu. Așa cum era de așteptat, observăm clar din măsurătorile electrice și optice că semnalul nervos este blocat de această soluție. Rețineți că artefactul de stimulare care a fost observat în înregistrarea electrică (inserat în Fig. 2(A)) ar trebui să fie mică în măsurătorile optice, deoarece stimularea are loc în timpul pompării optice, unde răspunsul la câmpurile magnetice este puternic amortizat. Când nervul este inexitabil, vedem un artefact de stimulare atât de mic (pătrate în Fig. 2 (f)) pentru tensiunile de stimulare mai mari.

rezoluția spațială ridicată a magnetometrului nostru (Canalul care conține atomii de cesiu are o lungime de 1,0 mm) și raportul bun semnal / zgomot ne permite să caracterizăm modul în care câmpul magnetic se descompune cu Distanța de la nerv. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 3 și se vede că putem detecta impulsul nervos la mai mult de 5 mm distanță. Dependența reală de distanță poate fi complicată, deoarece nervul sciatic al broaștei conține 1000 de axoni organizați în mai multe mănunchiuri (vezi Fig suplimentar. 1). Cu toate acestea, ne așteptăm la o dependență a Legii Puterii cu n între 1-3. n = 1 corespunde câmpului magnetic dintr-un fir infinit de lung și n = 3 corespunde câmpului dintr-un dipol magnetic. x0 este poziția nervului în raport cu estimarea noastră de 1,9(5) mm pe baza dimensiunii celulei de vapori și a dimensiunilor nervului. Potrivirea datelor la o dependență de legea puterii produce x0 = 0,2 (8) mm și n = 1.5(4) care se încadrează în intervalele preconizate.

Figura 3

câmp magnetic componenta fourier în funcție de distanță (folosind 1000 medii pe punct).

cea mai apropiată distanță de la Centrul magnetometrului până la centrul nervului a fost estimată la 1,9 mm. cercuri: câmp magnetic nervos, pătrate: podea de zgomot magnetometru, linie: se potrivesc unei dependențe de putere-lege, parametrii de potrivire n = 1,5(4), x0 = 0,2(8) mm. incertitudinile privind parametrii de potrivire sunt limitele de încredere de 68%.

magnetometrul poate fi operat și în modul continuu, ceea ce permite determinarea formei temporale a câmpului magnetic generat de nerv, Bnerve(t). Răspunsul magnetometrului a fost optimizat prin potrivirea răspunsului său de frecvență(un Lorentzian centrat la frecvența Larmor cu o lățime completă la jumătate maximă 1/(nT2)) cu spectrul impulsului nervos (vezi Fig. 2(b)). Lățimea de bandă 1 / (nT2) = 860 Hz a fost setată prin alegerea nivelurilor de putere adecvate pentru laserele pompei, repump și sondei. Figura 4 (a,b) prezintă semnalele electrice și optice în funcție de timp pentru diferite tensiuni de stimulare. Atât în măsurătorile electrice, cât și în cele optice, observăm două caracteristici (a și B). Caracteristica A se datorează stimulării, deoarece începe în momentul stimulării și crește liniar cu tensiunea de stimulare. Caracteristica B se datorează semnalului nervos, deoarece durează mai multe SM și apare doar peste pragul pentru arderea nervului (aici 0,8 V sau mai mare). Figura 4 (c) prezintă o comparație a semnalului electric pentru 0.Stimularea 8 V și câmpul magnetic detectat B (t) calculat prin deconvolvarea semnalului optic cu răspunsul magnetometrului . Profilele temporale ale semnalului electric și ale câmpului magnetic arată foarte asemănătoare; ambele arată potențialul de acțiune și un artefact de stimulare. Din placa inferioară a Fig 4(c) concluzionăm că câmpul magnetic nervos are o amplitudine vârf-vârf de 24 pT (măsurată la o distanță medie de 1,9 mm) și că viteza de conducere nervoasă este de 34(8) m/s (Vezi informații suplimentare). Curentul ionic axial efectiv este estimat la 0.23 xqua (a se vedea informațiile suplimentare), care este în concordanță cu măsurile anterioare15.

Figura 4

măsurători electrice și optice ale impulsului nervos pentru diferite tensiuni de stimulare.

magnetometrul a fost operat în modul continuu, iar semnalele au fost în medie de 5000 de ori. (a) măsurători electrice și (b) optice. (c) semnal electric pentru stimularea 0.8 V și câmp magnetic calculat prin deconvoluție. Pentru aceste măsurători specifice, frecvența Larmor a fost de 510 Hz și timpul de coerență de 0,37 ms.

din datele obtinute gasim incertitudinea experimentala single shot(Bexp)| = 7.7 pT·ms pentru modul pulsat si o sensibilitate de 230 in modul continuu (vezi sectiunea metode). Limita cuantică standard pentru incertitudinea câmpului magnetic se află în modul pulsat(BSQL)| = 1,6 pT·ms. în acest mod, lumina este stinsă în timpul duratei impulsului nervos (2 ms), care satisface . În modul continuu, unde T2 = 0,37 ms se potrivește cu lățimea de bandă a impulsului nervos, SQL pentru sensibilitate este 160 . Deoarece sensibilitatea experimentală este aproape de SQL, zgomotul cuantic (zgomot de proiecție, zgomot împușcat, zgomot de acțiune înapoi) este o fracțiune considerabilă din zgomotul total. Unele zgomote clasice de joasă frecvență necompensate ale luminii sondei și ale spinului atomic au contribuit, de asemenea, la zgomotul total, în special pentru măsurătorile pulsate.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.