Optisk magnetfeltsmåler kan opfange signaler fra nervesystemet – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2016 > Optisk magnetfeltsmåle...

15. juli 2016

Optisk magnetfeltsmåler kan opfange signaler fra nervesystemet

Kvantefysik:

Menneskekroppen bliver styret af elektriske impulser i f.eks. hjernen, hjertet, og nervesystemet. Disse elektriske signaler skaber bittesmå magnetfelter, som læger vil kunne udnytte til at diagnosticere forskellige sygdomme, for eksempel hjernesygdomme eller hjerteproblemer hos små fostre. Det er nu lykkedes forskere fra Niels Bohr Institutet at udvikle en metode til ekstremt præcise målinger af sådanne ultrasmå magnetfelter med en optisk magnetfeltsmåler. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Scientific Reports.

Kasper Jensen, adjunkt. Eksperimenterne er udført i forskningsgruppen Quantops kvanteoptiske laboratorier på Niels Bohr Institutet. (Foto: Ola Jakup Joensen)

Små magnetfelter fra menneskekroppen kan normalt kun opfanges af meget følsomme, superledende magnetfeltsmålere, som skal køles ned med flydende helium til nær det absolutte nulpunkt (som er minus 273 grader Celsius). Men nu har forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet udviklet en meget billigere og mere praktisk optisk magnetfeltsmåler, som endda virker ved stuetemperatur eller ved kropstemperatur.

”Den optiske magnetfeltsmåler er baseret på en gas af cæsium-atomer, som er inde i en lille glasbeholder. Hvert cæsium-atom svarer til en lille stangmagnet, som bliver påvirket af ydre magnetfelter. Atomerne og derved magnetfeltet bliver opfanget ved hjælp af laserlys. Metoden er baseret på kvanteoptik og atomfysik og kan benyttes til at måle ekstremt små magnetfelter”, fortæller Kasper Jensen, adjunkt i Center for Kvanteoptik, Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Øverst ses en iskias nerve fra en frø. Nederst til venstre ses glasbeholderen med cæsium gas, som benyttes til at måle magnetfeltet fra nerven. Nederst til højre ses det målte magnetfelt, som er frembragt af magnetfelterne fra de elektriske impulser, der løber i nerven. (Credit: Kasper Jensen, NBI)

Ultrasensitiv magnetfeltsmåler

Forskerne på Niels Bohr Institutet har udviklet den sensitive magnetfeltsmåler igennem flere år i forskningsgruppen Quantops laboratorier. Selve magnetfeltsmåleren består af en glasbeholder med et hulrum, som er cirka 1 cm langt og 1 mm bredt. I bunden af glasbeholderen er der cæsium-metal. Cæsium fordamper til gas ved stuetemperatur, og gasatomerne stiger op i målerhovedets lille hulrum. Hvert cæsium-atom drejer rundt om sig selv, og aksen er som en lille stangmagnet. Nu holdes måleren tæt på en nerve, som udsender en elektrisk nervepuls. Den elektriske puls har et magnetfelt, som får cæsium-atomernes akse til at ændre hældning, og ved at sende en laserstråle gennem gassen, kan man aflæse nervesignalernes ultrasmå magnetfelter.

Laboratorieforsøgene, som er lavet sammen forskere fra Det Sundhedsvidenskabelige Fakultetet, har vist, at man kan anvende magnetfeltsmåleren til at opfange magnetfelterne fra de elektriske impulser fra nervesystemet. Forsøgene blev gjort på iskias-nerven fra en frø, som på mange måder minder om nerverne i menneskekroppen. Af praktiske grunde blev nerven opereret ud af frøen inden forsøgene, men det er også muligt at opfange elektriske impulser fra levende frøer eller fra mennesker.

Måler uden berøring

Magnetfeltsmåleren består af en glasbeholder med indlejret cæsium-metal. Cæsium fordamper til gas ved stuetemperatur, og gasatomerne stiger op i målerhovedets lille hulrum. Hvert cæsium-atom er som en lille stangmagnet. Nu holdes måleren tæt på en nerve, som udsender en elektrisk nervepuls. Den elektriske puls har et magnetfelt, som får cæsium-atomernes akse til at ændre hældning, og ved at sende en laserstråle gennem gassen, kan man aflæse nervesignalernes ultrasmå magnetfelter. (Credit: Kasper Jensen, NBI)

Fordelen ved den optiske måler er netop, at magnetfelterne og de elektriske impulser nemt og sikkert kan opfanges på nogle millimeters eller centimeters afstand - uden at måleren kommer i egentlig kontakt med kroppen. 

”Vi forventer, at måleren kommer til at blive brugt til særlige medicinske undersøgelser, hvor det er vigtigt, at måleren ikke skal direkte i kontakt med kroppen, f.eks. til at diagnosticere hjerteproblemer hos bittesmå fostre. Her kan magnetfeltsmåleren placeres på moderens mave og vil nemt og sikkert kunne opfange hjerterytmen hos fosteret, og man vil kunne diagnosticere eventuelle hjerteproblemer tidligt i forløbet, således at fosteret kan få den rette behandling hurtigt”, fortæller Eugene Polzik, professor og leder af Quantop på Niels Bohr Institutet.

Eugene Polzik forklarer, at man ud fra de målte signaler kan beregne hastigheden, hvormed nerveimpulserne bevæger sig. Der er en lang række sygdomme, hvor nerverne bliver ødelagt, for eksempel ved multipel sclerose, hvor nerveimpulserne bevæger sig langsommere end i folk, som ikke er syge. Andre emner kan f.eks. være en lang række øjensygdomme, hvor man vil kunne stille diagnosen uden at skulle sætte elektroder på øjet, eller Alzheimer, hvor man vil kunne måle de elektriske signaler i bestemte nervebaner.

Kasper Jensen, adjunkt i Center for Kvanteoptik, Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3026-3149 kjensen@nbi.dk

Eugene Polzik, professor og leder af Center for Kvanteoptik, Quantop på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-5424, polzik@nbi.dk