麻省理工學院的研究人員使用一種專門的核磁共振傳感器，證明他們可以探測到大腦等組織深處的光。在深層組織中成像光是極其困難的，因為當光進入組織時，大部分要么被吸收，要么被散射。麻省理工學院的研究小組克服了這一障礙，他們設計了一種傳感器，可以將光轉換為磁信號，并通過MRI(磁共振成像)檢測到。

這種類型的傳感器可用于繪制由植入大腦的光纖發(fā)出的光，例如在光遺傳學實驗中用于刺激神經元的光纖。研究人員說，隨著進一步的發(fā)展，它也可以用于監(jiān)測接受基于光的癌癥治療的患者。

“我們可以成像光在組織中的分布，這很重要，因為用光刺激組織或從組織中測量的人通常不太知道光去了哪里，它們刺激了哪里，或者光從哪里來。我們的工具可以用來解決這些未知問題，”麻省理工學院生物工程、大腦與認知科學、核科學與工程教授Alan Jasanoff說。

Jasanoff也是麻省理工學院麥戈文大腦研究所的副研究員，是這項研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在《Nature Biomedical Engineering》雜志上。Jacob Simon和麻省理工學院博士后Miriam Schwalm是這篇論文的主要作者，紐約大學的Johannes Morstein和Dirk Trauner也是這篇論文的作者。

一種光敏探頭

數百年來，科學家一直在利用光來研究活細胞，可以追溯到16世紀晚期，當時光學顯微鏡被發(fā)明出來。這種顯微鏡可以讓研究人員看到細胞內部和薄組織切片，但不能深入到生物體內部。

Jasanoff說:“使用光，特別是在生命科學中，一個長期存在的問題是，它不能很好地穿透許多材料。生物材料吸收光和散射光，這些東西的組合使我們無法使用大多數類型的光學成像來聚焦深部組織?！?/p>

為了克服這一限制，Jasanoff和他的學生決定設計一種可以將光轉換為磁信號的傳感器。

“我們想要創(chuàng)造一種局部對光做出反應的磁傳感器，因此不受吸收或散射的影響。然后這個光探測器就可以用核磁共振成像了?！?/p>

Jasanoff的實驗室之前已經開發(fā)出可以與大腦中的各種分子相互作用的MRI探針，包括多巴胺和鈣。當這些探針與它們的目標結合時，它會影響傳感器與周圍組織的磁相互作用，從而使MRI信號變暗或變亮。

為了制造一種光敏核磁共振探測器，研究人員決定將磁性顆粒包裹在一種稱為脂質體的納米顆粒中。這項研究中使用的脂質體是由特勞納以前開發(fā)的專門的光敏脂質制成的。當這些脂質體暴露在一定波長的光下時，脂質體對水的滲透性變得更強，或“滲漏”。這使得內部的磁性粒子與水相互作用，并產生MRI可檢測到的信號。

研究人員將這些顆粒稱為脂質體納米顆粒報告器(LisNR)，它們可以根據所接觸的光的類型從可滲透性切換到不可滲透性。在這項研究中，研究人員創(chuàng)造了暴露在紫外線下會泄漏的粒子，然后暴露在藍光下又會變得不透水。研究人員還表明，這些粒子可以對其他波長的光做出反應。

“這篇論文展示了一種新型傳感器，可以通過MRI通過大腦進行光子檢測。這項具有啟發(fā)性的工作為光子和質子驅動的神經成像研究提供了一條新的途徑，”哈佛醫(yī)學院放射學助理教授Xin Yu說，他沒有參與這項研究。

映射的光

研究人員測試了小鼠大腦中的傳感器，特別是大腦中被稱為紋狀體的部分，該部分涉及計劃運動和對獎勵做出反應。在將粒子注入整個紋狀體后，研究人員能夠繪制出植入附近的光纖發(fā)出的光的分布。Jasanoff說，他們使用的纖維和光遺傳刺激使用的纖維相似，所以這種傳感可能對在大腦中進行光遺傳實驗的研究人員有用?！拔覀儾⒉恢竿總€做光遺傳學的人都會在每個實驗中都使用這種方法——它更像是你偶爾會做的事情，看看你所使用的范式是否真的產生了你認為應該有的光的剖面?！?/p>

在未來，這種類型的傳感器也可以用于監(jiān)測接受光治療的患者，例如光動力療法，它使用激光或LED發(fā)出的光來殺死癌細胞。

研究人員現在正在研究類似的探針，可以用來檢測熒光素酶發(fā)出的光，熒光素酶是一種經常用于生物實驗的發(fā)光蛋白質家族。這些蛋白質可以用來揭示特定基因是否被激活，但目前它們只能在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的淺表組織或細胞中成像。

Jasanoff還希望使用用于LisNR傳感器的策略來設計MRI探頭，可以檢測光以外的刺激，例如大腦中發(fā)現的神經化學物質或其他分子。

“我們認為我們用來構建這些傳感器的原理是相當廣泛的，也可以用于其他目的，”他說。