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Erste Lasermessungen von Magnetfeldern einzelner Nerven
Biologen wissen seit dem 18. Jahrhundert, dass Nerven elektrische Signale erzeugen und darauf reagieren, als Luigi Galvani entdeckte, dass die Muskeln im Bein eines Frosches zucken, wenn sie durch einen Funken stimuliert werden.
Die systematische Untersuchung der von Nerven erzeugten elektrischen Signale musste jedoch bis Anfang des 20. Jahrhunderts auf die Entwicklung empfindlicher elektrischer Aufzeichnungsgeräte wie des Kathodenstrahloszilloskops warten.
Diese Entwicklung revolutionierte das Verständnis der Nervenfunktion. Die Art und Weise, wie Nerven Signale leiten, kann ein starker Indikator für Krankheiten wie Multiple Sklerose sein und sogar bestimmte Arten von Vergiftungen erkennen.
Und doch hat die Methode einige Nachteile. Beispielsweise ist das Messen elektrischer Signale in Nerven durch Einführen einer nadelartigen Elektrode etwas invasiv, und das bloße Anbringen einer Elektrode an einem Nerv kann das Signal verändern, wodurch die Ergebnisse schwer zu interpretieren sind. Daher haben Neurowissenschaftler lange auf eine nicht-invasive Technik gehofft, die stattdessen die Arbeit erledigen könnte.
Dank der Arbeit von Kasper Jensen von der Universität Kopenhagen in Dänemark und einigen Freunden, die eine Möglichkeit entwickelt haben, die mit elektrischen Signalen in Nerven verbundenen Magnetfelder einfach zu messen, könnte dies bald geschehen. Die Technik könnte den Weg für eine neue Generation diagnostischer Instrumente ebnen, um Krankheiten zu erkennen, die mit der Nervenfunktion zusammenhängen, und um die grundlegende Funktion von Nerven zu verstehen.
Zunächst einige Grundlagen. Wenn ein Nerv feuert, sendet er entlang seiner Länge ein elektrisches Signal, das als Aktionspotential bezeichnet wird. Dieser elektrische Impuls erzeugt auch ein Magnetfeld. Wissenschaftler können diesen Puls seit den 1980er Jahren mit SQUID-Magnetometern messen, die sorgfältig auf supraleitende Temperaturen gekühlt werden müssen.
Der Sensorteil des Geräts ist eine winzige Spule, durch die der Nerv laufen muss. Daher kann diese Technik nicht für in-vivo-Messungen verwendet werden. Und obwohl diese Geräte praktischer geworden sind, verlassen sie sich immer noch auf supraleitende Technologie, deren Umsetzung in eine klinische Umgebung kostspielig ist.
Daher wäre eine Möglichkeit, diese Magnetfelder aus der Ferne und bei Raumtemperatur zu messen, äußerst nützlich. Und genau das haben Jensen und Co. getan.
Diese Jungs haben einen Sensor gebaut, der mit einem Laserstrahl die Wirkung eines Magnetfelds auf gasförmige Cäsiumatome erkennt, die Licht polarisieren, wenn sie magnetisiert werden. Sogenannte optische Magnetometer sind enorm leistungsstarke Geräte, deren Empfindlichkeit nur durch Quanteneffekte wie das Quantenschussrauschen des Lichts begrenzt ist.
Das ist wichtig, weil es ihnen zumindest theoretisch erlaubt, die mit den Nerven verbundenen Felder in einer Entfernung von mehreren Millimetern zu erkennen. Sie können also außerhalb des Körpers sitzen, während sie ein im Inneren erzeugtes Feld messen.
Es gibt noch einen weiteren wichtigen Vorteil. Optische Magnetometer funktionieren perfekt bei Raumtemperatur und noch besser bei Körpertemperatur. Die Sensoren sind außerdem klein – nur wenige Millimeter im Durchmesser – und eignen sich daher ideal für klinische Umgebungen. Tatsächlich wurden sie bei verschiedenen Gelegenheiten genau zu diesem Zweck verwendet.
Bisher arbeiteten diese klinischen Geräte jedoch nie am Quantenlimit und waren daher nicht empfindlich genug, um die Felder einzelner Nervenfasern zu erfassen.
Der Durchbruch, den Jensen und Co. erreicht haben, besteht darin, zum ersten Mal in dieser biologischen Umgebung ein optisches Magnetometer an der Quantengrenze bei Raumtemperatur zu betreiben.
Jensen und Co. testeten das Gerät auf Herz und Nieren, indem sie die von Frosch-Ischiasnerven erzeugten Magnetfelder aus wenigen Millimetern Entfernung erfassten. Es stellt sich heraus, dass dieses Feld im Bereich von wenigen Pico-Tesla liegt, aber Messungen im Sub-Pico-Tesla-Bereich sind möglich. Im Vergleich dazu ist das Magnetfeld der Erde etwa drei Größenordnungen stärker.
Das Gerät kann kontinuierlich betrieben werden, was es dem Team ermöglichte, die Form des Magnetfelds zu messen, das von dem Nerv erzeugt wird, wenn er stimuliert wird. Wir haben eine nichtinvasive Erkennung von Nervenimpulsen des Ischiasnervs des Frosches durchgeführt, indem wir das vom Nerv erzeugte Magnetfeld mit einem Raumtemperatursensor mit nahezu quantenbegrenzter Empfindlichkeit gemessen haben, sagen Jensen und Co.
Das ist eine interessante Arbeit, die wichtige Anwendungen in der medizinischen Diagnostik haben wird. Das Magnetometer [ist] perfekt für die medizinische Diagnostik in physiologischen/klinischen Bereichen wie Kardiographie von Föten, synaptische Reaktionen in der Netzhaut und Magnetoenzephalographie, sagt das Team.
Es wird sicherlich nicht mehr lange dauern, bis dieses oder ein anderes Team beginnt, genau diese Art von Messungen an Menschen durchzuführen. Es ist also gut möglich, dass diese Entwicklung ähnliche Auswirkungen auf die Erforschung der Nervenleitung haben wird wie die Entwicklung empfindlicher elektrischer Aufzeichnungsgeräte in den 1920er Jahren.
Ref:arxiv.org/abs/1601.03273: Nicht-invasive Erkennung tierischer Nervenimpulse mit einem Atommagnetometer, das mit nahezu quantenbegrenzter Empfindlichkeit arbeitet