Zaawansowany magnetrod oparty na czujniku TMR do rejestracji pól magnetycznych LFP in vivo

Nasłuchiwanie mózgu bez dotykania jego iskr

Nasze mózgi co sekundę tętnią drobnymi burzami elektrycznymi; umiejętność ich odczytywania może zasilić przyszłe interfejsy mózg–komputer, które pomogą ludziom się poruszać, komunikować, a nawet grać jedynie myślami. W tym badaniu przedstawiono nowy sposób nasłuchiwania aktywności mózgu — nie przez bezpośredni pomiar napięcia, lecz przez wykrywanie słabych pól magnetycznych generowanych przez komórki mózgowe, przy użyciu włosowato cienkiego urządzenia nazwanego magnetrodem.

Nowy rodzaj maleńkiej sondy mózgowej

Badacze zbudowali miniaturową sondę opartą na magnetooporności tunelowej, technologii pierwotnie rozwiniętej dla zaawansowanych czujników magnetycznych. Aktywny czubek ich urządzenia ma zaledwie kilkadziesiąt mikrometrów średnicy — na tyle mało, by można go było wszczepić do mózgu przy ograniczonym uszkodzeniu. Zamiast mierzyć napięcie jak tradycyjna elektroda, ten magnetrod reaguje na drobne pola magnetyczne powstające, gdy grupy neuronów w pobliskim obszarze wyładowują się jednocześnie. Te złożone sygnały, zwane lokalnymi potencjałami polowymi, odzwierciedlają, jak sieci komórek mózgowych koordynują się podczas ruchu, zapamiętywania i w chorobach. Zespół starannie ukształtował i połączył elementy sensora, aby utrzymać czułość sondy przy jednoczesnym ograniczeniu niepożądanego opóźnienia magnetycznego, dzięki czemu mogła śledzić zarówno wolne, jak i szybkie zmiany aktywności mózgowej.

Widzieć najsłabsze sygnały mózgowe

Pola magnetyczne neuronów są niezwykle słabe, dlatego czujnik musi być wystarczająco cichy, by wydobyć je z szumu elektronicznego. Autorzy zmierzyli, ile losowych fluktuacji generuje urządzenie przy różnych częstotliwościach i ustawieniach zasilania. Stwierdzili, że niskoczęstotliwościowy szum „1/f” dominuje w zakresie, gdzie występuje wiele rytmów mózgowych. Obniżając prąd polaryzacji zasilający urządzenie i przechodząc z trybu stałego na wysokoczęstotliwościowe napędzanie przemienne, wykazali, że uciążliwy szum można silnie stłumić. Otrzymane granice detekcji — tylko kilka nanotesli przy jednym cyklu na sekundę i jeszcze mniejsze przy wyższych częstotliwościach — wypadały korzystnie w porównaniu z wcześniejszymi wszczepialnymi sondami magnetycznymi oraz znacznie większymi instrumentami do pomiaru pól magnetycznych, których nie da się wszczepić.

Testy z sygnałami sztucznymi i prawdziwymi

Aby sprawdzić, czy ich sonda wiernie śledzi lokalne potencjały polowe, zespół najpierw stworzył kontrolowany test w laboratorium. Cienki drut miedziany, napędzany specjalnym generatorem sygnałów neuronalnych, naśladował skoordynowane prądy małej grupy neuronów. Magnetrod znajdował się blisko tego drutu wewnątrz ekranowanego pojemnika, a jego wyjście było wzmacniane, filtrowane i następnie matematycznie rekonstruowane. Po przetworzeniu sygnał magnetyczny ściśle odpowiadał wzorcowi referencyjnemu lokalnego potencjału polowego, co wykazało, że sensor i jego elektronika potrafiły odtworzyć kształt i czasowanie tych wolnych rytmów mózgowych.

Nasłuchiwanie we wnętrzu żywego mózgu

Najważniejszy test przeprowadzono na żywych szczurach. Naukowcy delikatnie wszczepili magnetrod i standardową mikroelektrodę mniej niż jedną dziesiątą milimetra od siebie w hipokampie, głębokim obszarze mózgowym związanym z pamięcią. Ponieważ oba urządzenia próbkują niemal tę samą grupę neuronów, zapisy elektryczne i magnetyczne można było porównać bezpośrednio. W kilku odcinkach po kilkaset sekund zespół analizował moc różnych pasm częstotliwości w obu sygnałach. Spektra magnetyczne i elektryczne wzrastały i malały równolegle w kluczowych rytmach mózgowych, zwłaszcza w pasmach theta i beta, a miara statystycznego podobieństwa pozostawała wysoka i stabilna. Dla kontrastu, zapisy wykonane magnetrodem przed implantacją, gdy rejestrował jedynie szum tła, wykazywały znacznie gorsze dopasowanie do sygnałów elektrycznych, co potwierdza, że wewnątrzczaszkowe ślady magnetyczne rzeczywiście odzwierciedlały aktywność neuronalną.

Zaprojektowany, by przetrwać w środowisku mózgu

Każdy implant musi pozostać stabilny w ciepłym, słonym płynie mózgowym. Aby sprawdzić trwałość, magnetrody zanurzono w sztucznym płynie mózgowo-rdzeniowym w temperaturze ciała przez tydzień. Zespół wielokrotnie mierzył, jak silnie urządzenie reaguje na pola testowe i jak bardzo zmienia się jego oporność. Zarówno czułość, jak i siła sygnału dryfowały o mniej niż kilka procent, co sugeruje, że warstwy ochronne wokół sensora skutecznie blokują korozję i że sonda może dostarczać wiarygodne odczyty w skali czasowej potrzebnej dla typowych eksperymentów.

Co to znaczy dla przyszłych interfejsów mózgowych

Ta praca pokazuje, że maleńki wszczepialny czujnik magnetyczny może śledzić te same rytmy mózgowe, które widzą standardowe elektrody, korzystając jednocześnie z tego, że pola magnetyczne przenikają tkanki czyściej. Dla czytelnika laikalnego kluczowa idea jest taka, że aktywność mózgu można monitorować nie tylko przez dotyk jego ładunków elektrycznych, ale też przez odczuwanie ich magnetycznych echa. Zaprojektowany tutaj magnetrod jest kompaktowy, czuły i wystarczająco stabilny, by służyć jako nowy rodzaj urządzenia do nasłuchu mózgu, potencjalnie wzbogacając narzędzia dla interfejsów mózg–komputer i do badania zaburzeń związanych z nieprawidłowymi rytmami neuronalnymi.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: rejestracja pola magnetycznego mózgu, lokalne potencjały polowe, magnetooporność tunelowa, interfejsy neuronalne, interfejs mózg–komputer