Een geavanceerde TMR-sensor gebaseerde magnetrode voor in vivo LFP-magnetische veldopnames

De hersenen beluisteren zonder hun vonken aan te raken

Onze hersenen bruisen elke seconde van kleine elektrische stormen, en leren deze stormen te lezen zou toekomstige brain–computer interfaces kunnen aandrijven die mensen helpen bewegen, communiceren of zelfs spellen spelen met alleen gedachten. Deze studie introduceert een nieuwe manier om hersenactiviteit te beluisteren, niet door rechtstreeks elektriciteit te meten, maar door de zwakke magnetische velden die hersencellen creëren te detecteren met een haarfijne apparaat dat een magnetrode heet.

Een nieuw soort kleine hersensonde

De onderzoekers bouwden een miniatuursonde gebaseerd op tunneling magnetoresistentie, een technologie die oorspronkelijk is ontwikkeld voor geavanceerde magnetische sensoren. De actieve punt van hun apparaat is slechts enkele tientallen micrometers groot, klein genoeg om in de hersenen te implanteren met beperkte schade. In plaats van spanning te registreren zoals een traditionele elektrode, reageert deze magnetrode op piepkleine magnetische velden die ontstaan wanneer groepen neuronen in een nabijgelegen gebied tegelijk actief zijn. Deze gecombineerde signalen, lokale veldpotentialen genoemd, weerspiegelen hoe netwerken van hersencellen coördineren tijdens beweging, geheugen en ziekte. Het team vormde en verbond de sensorelementen zorgvuldig om de sonde gevoelig te houden en tegelijk ongewenste magnetische traagheid te verminderen, zodat hij zowel langzame als snelle veranderingen in hersenactiviteit kon volgen.

De zwakste hersensignalen zien

Aangezien de magnetische velden van neuronen uiterst zwak zijn, moet de sensor stil genoeg zijn om ze uit elektronische ruis te halen. De auteurs maten hoeveel willekeurige fluctuatie het apparaat produceerde bij verschillende frequenties en elektrische aandrijfinstellingen. Ze ontdekten dat lagefrequente "1 over f"-ruis domineerde in het bereik waar veel hersenritmes leven. Door de biasstroom die het apparaat voedt te verlagen en over te schakelen van constante naar hoogfrequente wisselsturing, toonden ze aan dat deze hinderlijke ruis sterk kan worden onderdrukt. De resulterende detectielimieten — slechts enkele nanotesla bij één cyclus per seconde en nog kleiner bij hogere frequenties — vergeleken gunstig met eerdere implanteerbare magnetische probes en met veel omvangrijkere magnetische veldinstrumenten die niet geïmplanteerd kunnen worden.

Testen met kunstmatige en echte hersensignalen

Om te controleren of hun sonde lokale veldpotentialen trouw kon volgen, creëerde het team eerst een gecontroleerde test in het laboratorium. Een dun koperdraadje, aangedreven door een gespecialiseerde neurale signaalgenerator, bootste de gecoördineerde stromen van een kleine groep neuronen na. De magnetrode werd dicht bij dit draadje geplaatst in een afgeschermde behuizing, en de uitgang werd versterkt, gefilterd en vervolgens mathematisch gereconstrueerd. Na verwerking kwam het magnetische signaal nauw overeen met het referentiepatroon van lokale veldpotentialen, wat aantoonde dat de sensor en zijn elektronica de vorm en timing van deze langzame hersengolven konden herstellen.

Luisteren in een levend brein

De belangrijkste test vond plaats in levende ratten. De onderzoekers implanteerden de magnetische sonde en een standaard microelektrode voorzichtig minder dan een tiende millimeter uit elkaar in de hippocampus, een diep hersengebied dat betrokken is bij geheugen. Omdat beide apparaten vrijwel dezelfde cluster neuronen bemonsterden, konden de elektrische en magnetische opnames direct worden vergeleken. Over meerdere segmenten van enkele honderden seconden analyseerde het team de sterkte van verschillende frequentiebanden in beide signalen. De magnetische en elektrische spectra stegen en daalden samen over de belangrijke hersenritmes, vooral in de theta- en beta-bereiken, en een statistische maat voor gelijkenis bleef hoog en consistent. Ter vergelijking, opnames gemaakt met de magnetrode vóór implantatie, toen deze alleen achtergrondruis oppikte, toonden veel slechtere overeenstemming met de elektrische signalen, wat bevestigt dat de magnetische sporen in de hersenen daadwerkelijk neurale activiteit weerspiegelden.

Gebouwd om de hersenomgeving te weerstaan

Elke implantaat moet stabiel blijven in warm, zouten hersenvocht. Om de duurzaamheid te testen werden de magnetrodes een week lang gedrenkt in kunstmatig cerebrospinaal vocht op lichaamstemperatuur. Het team mat herhaaldelijk hoe sterk het apparaat reageerde op testmagnetische velden en hoeveel zijn weerstand veranderde. Zowel gevoeligheid als signaalsterkte week minder dan een paar procent af, wat suggereert dat de beschermende lagen rond de sensor effectief corrosie blokkeerden en dat de sonde betrouwbare metingen kon leveren over de tijdschalen die nodig zijn voor typische experimenten.

Wat dit betekent voor toekomstige herseninterfaces

Dit werk laat zien dat een klein geïmplanteerde magnetische sensor dezelfde hersenritmes kan volgen die standaard elektroden waarnemen, terwijl hij profiteert van het feit dat magnetische velden cleane door weefsel heen gaan. Voor niet-specialisten is het kernidee dat hersenactiviteit niet alleen kan worden bewaakt door de elektrische ladingen aan te raken, maar ook door hun magnetische echo's te voelen. De hier ontwikkelde magnetrode is compact, gevoelig en stabiel genoeg om te worden gebruikt als een nieuw soort luisterinstrument voor de hersenen, wat potentieel aanvullende middelen biedt voor brain–computer interfaces en voor het bestuderen van aandoeningen die samenhangen met abnormale neurale ritmes.

Bronvermelding: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

Trefwoorden: hersenen magnetische opname, lokale veldpotentialen, tunneling magnetoresistentie, neurale interfaces, brain-computer interface