Projektet Bio-MAG har netop har modtaget 60 mio. kr. fra Novo Nordisk Fonden til at udvikle nye sensorer til at måling af hjernens neuronaktivitet.
Hjerneforstyrrelser forbundet med patologisk neuron-aktivitet i hjernen, som f.eks. epilepsi, posttraumatisk stress og traumatisk hjerneskade tegner sig for ca. 1/3 af alle langvarige sygdomsforløb, og udgifterne til diagnosticering og behandling løber hvert år op i ca. 7000 mia. kr. alene i Europa. Økonomiske og menneskelige omkostninger, der kan reduceres betydeligt gennem mere detaljeret kortlægning af hjernens aktivitet og tidligere diagnosticering.
Hjernen er omgivet af et meget svagt magnetfelt, der genereres af neuroner, og ved at måle på neuronernes magnetfelter, kan man opspore eksempelvis sygdomme i hjernen på et tidligt tidspunkt. I dag er metoder til målig af neuronaktivitet dog enten ret omstændelige eller Ikke detaljerede nok. Forskerne bag Bio-MAG vil gøre måling af hjernens neuronaktivitet både mere præcis, billigere og mindre kompliceret at udføre ved hjælp af nye typer sensorer. Dét kan få afgørende betydning for diagnosticering og forståelse af hjernesygdomme. Projektet Ultra-sensitive Bio-Magnetometers with Macro to Nano Resolution (BIO-MAG) skal undersøge nye metoder og udvikle nye typer instrumenter til scanning og måling af patienter med hjernesygdomme.
Vil genopfinde måleinstrumenter
I dag bruger man forskellige instrumenter som f.eks. MR-scannere, når hjernen skal undersøges, og selv om det giver mulighed for at stille en rimelig præcis og hurtig diagnose, har de eksisterende metoder stadig en række begrænsninger:
”Først og fremmest er de dyre og krævende at bruge. Der kan være tale om omfattende afskærmning, invasive indgreb, eller at sensorerne holdes ved meget lave temperaturer. De bedste instrumenter i dag, har kun de færreste hospitaler råd til. Derudover er den rummelige opløsning ikke tilstrækkelig til at kunne detektere, hvordan enkelte neuroner interagerer i hjernen – noget der ellers potentielt kan give en langt bedre forståelse af hjernesygdommes udvikling.” forklarer projektleder for BIO-MAG, professor Nini Pryds fra DTU Energi.
En væsentlig årsag til de eksisterende metoders begrænsninger findes i instrumenternes superfølsomme sensorer. Konventionelle sensorer, som måler hjernens magnetfelt, fungerer f.eks. ofte kun, hvis de er nedkølet til kryogene temperaturer (under -180 ° C). Det øger omkostningerne og kompleksiteten af sådanne systemer kraftigt, og reducerer deres fleksibilitet og rumlige opløsning.
”I vores laboratorie udvikler vi nye sensorer, der kan måle de ekstremt svage magnetiske signaler fra neuroner og muskelaktivitet. De virker ved stuetemperatur og er kompatible med biologiske systemer. Vi udnytter bla. atomare defekter i diamant til at opnå høj rummelig opløsning, men vi ved slet ikke, om det er det optimale materiale. Med BIO-MAG får vi mulighed for at undersøge helt nye materialer og teste deres optiske og magnetiske egenskaber. Det er helt afgørende for at kunne udvikle og indfri potentialet i de sensorteknologier vi arbejder med”, forklarer lektor Alexander Huck, DTU Fysik.
2D-materialer kan være svaret
De sensorer, der bruges i dag er blandt andet begrænset af de materialer, der er til rådighed. Derfor vil projektet BIO-MAG undersøge, hvordan optiske og magnetiske egenskaber i todimensionelle nanomaterialer kan bruges til at lave nye typer af biokompatible sensorer, som kan måle magnetfeltet fra hjernen.
”For at kunne lave bedre, billigere og mere praktisk anvendelige sensorer, er vi nødt til teoretisk at regne ud præcis, hvilke materialeegenskaber, der er optimale, og så forsøge at skabe disse materialer i virkeligheden. Vi vil f.eks. undersøge om det er muligt at undgå de superledende SQUID sensorer der bruges i dag, ved hjælp af helt andre typer magnetisk følsomme sensortyper baseret på 2D-materialer. Målet er at kunne måle neuronaktivitet ved stuetemperatur med en rumlig opløsning, der er tilstrækkelig til at kunne ”se” hvordan neuroner kommunikere med hinanden,” forklarer professor Peter Bøggild, DTU Fysik.
Forskerne bag projektet håber at opnå langt større følsomhed og rumlig opløsning i målingerne - og derved et langt mere detaljeret billede af hjernens tilstand. Samtidig er det ambitionen, at teknologien på længere sigt skal kunne benyttes af praktiserende læger, som vil kunne foretage scanningerne direkte fra deres praksis. Dét vil gøre hjernescanninger langt mere tilgængelige og almindelige.
”Hvis det lykkes bliver det ikke blot muligt at opnå mere præcise målinger. Målingerne bliver også langt mere tilgængelige. Tilsammen kan det give mulighed for at diagnosticere neurologiske uregelmæssigheder langt tidligere, og på den baggrund tilbyde bedre behandling på et tidligere stadie, før sygdommene når at udvikle sig yderligere,” afslutter Nini Pryds.