使用专门的MRI传感器，麻省理工学院的研究人员已经证明他们可以检测大脑等组织深处的光。

在深层组织中对光进行成像非常困难，因为当光进入组织时，其中大部分被吸收或散射。麻省理工学院的团队通过设计一种传感器克服了这一障碍，该传感器将光转换为可以通过MRI(磁共振成像)检测到的磁信号。

这种类型的传感器可用于映射植入大脑的光纤发出的光，例如在光遗传学实验期间用于刺激神经元的光纤。研究人员说，随着进一步发展，它也可以证明对监测接受基于光的癌症治疗的患者有用。

“我们可以对组织中光的分布进行成像，这很重要，因为使用光来刺激组织或从组织中测量的人通常不太知道光在哪里，他们在哪里刺激，或者光来自哪里。我们的工具可以用来解决这些未知问题，“麻省理工学院生物工程，大脑和认知科学以及核科学与工程教授Alan Jasanoff说。

Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的副研究员，是该研究的资深作者，该研究今天发表在Nature Biomedical Engineering上。Jacob Simon PhD ' 21和麻省理工学院博士后Miriam Schwalm是该论文的主要作者，纽约大学的Johannes Morstein和Dirk Trauner也是该论文的作者。

光敏探头

数百年来，科学家们一直在使用光来研究活细胞，其历史可以追溯到1500年代后期，当时发明了光学显微镜。这种显微镜允许研究人员观察细胞内部和薄片组织，但不能深入生物体内部。

“使用光的一个持续问题，特别是在生命科学领域，是它不能很好地穿透许多材料，”Jasanoff说。“生物材料吸收光和散射光，这些东西的结合使我们无法使用大多数类型的光学成像来处理任何涉及聚焦深部组织的事情。

为了克服这一限制，Jasanoff和他的学生决定设计一种可以将光转换为磁信号的传感器。

“我们想创造一种对局部光做出响应的磁性传感器，因此不受吸光度或散射的影响。然后可以使用MRI对这种光探测器进行成像，“他说。

Jasanoff的实验室此前已经开发出MRI探针，可以与大脑中的多种分子相互作用，包括多巴胺和钙。当这些探针与目标结合时，它会影响传感器与周围组织的磁相互作用，使MRI信号变暗或变亮。

为了制造光敏MRI探针，研究人员决定将磁性颗粒包裹在称为脂质体的纳米颗粒中。本研究中使用的脂质体由Trauner先前开发的特殊光敏脂质制成。当这些脂质暴露在一定波长的光下时，脂质体变得更容易渗透水，或“泄漏”。这允许内部的磁性颗粒与水相互作用并产生可通过MRI检测到的信号。

研究人员称之为脂质体纳米颗粒报告者(LisNR)的颗粒可以根据它们所暴露的光的类型从可渗透性切换到不可渗透性。在这项研究中，研究人员创造了当暴露在紫外线下时会泄漏的颗粒，然后在暴露在蓝光下时再次变得不透水。研究人员还表明，这些粒子可以对其他波长的光做出反应。

“这篇论文展示了一种新型传感器，可以通过大脑的MRI进行光子检测。这项具有启发性的工作为桥接光子和质子驱动的神经成像研究开辟了一条新途径，“哈佛医学院放射学助理教授Xin Yu说，他没有参与这项研究。

映射光

研究人员测试了大鼠大脑中的传感器 - 特别是在大脑中称为纹状体的部分，该部分参与计划运动和对奖励做出反应。在整个纹状体中注入颗粒后，研究人员能够绘制出附近植入的光纤的光分布图。

他们使用的纤维类似于用于光遗传学刺激的纤维，因此这种传感可能对在大脑中进行光遗传学实验的研究人员有用，Jasanoff说。

“我们并不期望每个做光遗传学的人都会在每次实验中都使用它 - 这更多的是你偶尔会做的事情，看看你正在使用的范式是否真的产生了你认为应该的光的轮廓，”Jasanoff说。

将来，这种类型的传感器也可用于监测接受涉及光的治疗的患者，例如光动力疗法，它使用来自激光或LED的光来杀死癌细胞。

研究人员现在正在研究类似的探针，可用于检测荧光素酶发出的光，荧光素酶是生物实验中经常使用的发光蛋白质家族。这些蛋白质可用于揭示特定基因是否被激活，但目前它们只能在浅表组织或实验室培养皿中生长的细胞中进行成像。

Jasanoff还希望使用LisNR传感器的策略来设计MRI探针，该探针可以检测光以外的刺激，例如大脑中发现的神经化学物质或其他分子。

“我们认为我们用来构建这些传感器的原理非常广泛，也可以用于其他目的，”他说。

该研究由美国国立卫生研究院，G. Harold和Leila Y. Mathers基金会，麦戈文脑研究所的麦戈文之友奖学金，麻省理工学院神经生物学工程培训计划以及欧盟委员会的玛丽居里个人奖学金资助。