En avancerad TMR-sensorbaserad magnetrod för in vivo-registrering av LFP-magnetfält

Lyssna på hjärnan utan att röra vid dess gnistor

Våra hjärnor är ständigt fulla av små elektriska stormar, och att lära sig tolka dessa kan ge kraft åt framtida hjärn–datorgränssnitt som hjälper människor att röra sig, kommunicera eller till och med spela spel med tankens kraft. Denna studie presenterar ett nytt sätt att avlyssna hjärnaktivitet — inte genom att mäta elektricitet direkt, utan genom att känna av de svaga magnetfält som hjärnceller skapar, med en hårfin enhet kallad magnetrod.

En ny typ av liten hjärnsond

Forskarna byggde en miniatyrsond baserad på tunnelmagnetoresistans, en teknik som ursprungligen utvecklats för avancerade magnetsensorer. Den aktiva spetsen på deras enhet är bara några tiotal mikrometer bred, tillräckligt liten för att implanteras i hjärnan med begränsad skada. Istället för att spela in spänning som en traditionell elektrod reagerar denna magnetrod på de små magnetfält som uppstår när grupper av neuroner i ett närliggande område avfyrar samtidigt. Dessa samlade signaler, kallade lokala fältpotentialer, speglar hur nätverk av hjärnceller samordnar sig under rörelse, minne och sjukdom. Teamet formade och sammankopplade sensorsubkomponenterna noggrant för att behålla sondens känslighet samtidigt som oönskad magnetisk eftersläpning minimerades, så att den kan följa både långsamma och snabba förändringar i hjärnaktivitet.

Se de svagaste hjärnsignalerna

Eftersom neuronernas magnetfält är extremt svaga måste sensorn vara tyst nog för att urskilja dem från elektroniskt brus. Författarna mätte hur mycket slumpmässiga fluktuationer enheten producerade vid olika frekvenser och drivinställningar. De fann att lågfrevent "1 över f"-brus dominerade i det område där många hjärnvågor finns. Genom att sänka biasströmmen som driver enheten och byta från likström till högfrekvent växeldrift visade de att detta problematiska brus kraftigt kan dämpas. De uppnådda detektionsgränserna — bara några nanotesla vid en cykel per sekund och ännu lägre vid högre frekvenser — stod sig väl i jämförelse med tidigare implanterbara magnetsonder och med mycket bulkigare magnetfältsinstrument som inte kan implanteras.

Testning med konstgjorda och verkliga hjärnsignaler

För att kontrollera om deras sond troget kunde följa lokala fältpotentialer skapade teamet först ett kontrollerat test i labbet. En tunn koppartråd, driven av en specialiserad neural signalgenerator, efterliknade de samordnade strömmarna från en liten grupp neuroner. Magnetroden placerades nära denna tråd inuti en skärmad behållare, och dess utgång förstärktes, filtrerades och sedan matematiskt rekonstruerades. Efter bearbetning matchade den magnetiska signalen referensmönstret för lokal fältpotential väl, vilket visade att sensorn och dess elektronik kunde återfå formen och timingen hos dessa långsamma hjärnvågor.

Lyssna inuti en levande hjärna

Det viktigaste testet gjordes i levande råttor. Forskarna implanterade försiktigt magnetroden och en standardmikroelektrod mindre än en tiondels millimeter från varandra i hippocampus, en djup hjärnregion som är involverad i minne. Eftersom båda enheterna sampelade i stort sett samma neuronkluster kunde de elektriska och magnetiska registreringarna jämföras direkt. Under flera 100-sekunderssegment analyserade teamet styrkan i olika frekvensband i båda signalerna. De magnetiska och elektriska spektrumen steg och föll tillsammans över nyckelhjärnvågorna, särskilt i theta- och betaområdena, och ett statistiskt mått på likhet förblev högt och konsekvent. Däremot visade inspelningar från magnetroden före implantation, när den endast plockade upp bakgrundsbrus, avsevärt sämre överensstämmelse med de elektriska signalerna, vilket bekräftar att de magnetiska spåren inuti hjärnan verkligen återspeglade neural aktivitet.

Byggd för att överleva hjärnans miljö

Alla implantat måste förbli stabila i varm, salt hjärnvätska. För att testa hållbarheten blötlades magnetroderna i konstgjord cerebrospinalvätska vid kroppstemperatur i en vecka. Teamet mätte upprepade gånger hur starkt enheten svarade på testmagnetfält och hur mycket dess resistans förändrades. Både känslighet och signalstyrka drev med mindre än några procent, vilket tyder på att de skyddande lagren runt sensorn effektivt blockerade korrosion och att sonden kan leverera tillförlitliga mätningar över de tidsperioder som krävs för typiska experiment.

Vad detta innebär för framtida hjärngränssnitt

Detta arbete visar att en liten implanterbar magnetsensor kan följa samma hjärnvågor som standardelektroder ser, samtidigt som den utnyttjar att magnetfält färdas renare genom vävnad. För en allmän läsare är huvudidén att hjärnans aktivitet kan övervakas inte bara genom att röra vid dess elektriska laddningar, utan också genom att känna deras magnetiska ekon. Magnetroden som utvecklats här är kompakt, känslig och tillräckligt stabil för att användas som en ny typ av avlyssningsenhet för hjärnan, vilket potentiellt berikar verktyg för hjärn–datorgränssnitt och för studier av störningar kopplade till onormala neurala rytmer.

Citering: 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

Nyckelord: magnetisk hjärnregistrering, lokala fältpotentialer, tunnelmagnetoresistans, neuralgränssnitt, hjärn-datorgränssnitt