Primeras mediciones láser de campos magnéticos de nervios individuales

Los biólogos han sabido que los nervios producen y responden a señales eléctricas desde el siglo XVIII, cuando Luigi Galvani descubrió que los músculos de las ancas de una rana se contraen cuando son estimulados por una chispa.

Sin embargo, el estudio sistemático de las señales eléctricas que producen los nervios tuvo que esperar hasta principios del siglo XX para el desarrollo de equipos sensibles de registro eléctrico como el osciloscopio de rayos catódicos.

Este desarrollo revolucionó la comprensión de la función nerviosa. Las formas en que los nervios conducen las señales pueden ser un poderoso indicador de enfermedades como la esclerosis múltiple e incluso pueden detectar ciertos tipos de intoxicación.

Y, sin embargo, el método tiene algunos inconvenientes. Por ejemplo, medir señales eléctricas en los nervios mediante la inserción de un electrodo similar a una aguja es algo invasivo, y el mero hecho de colocar un electrodo en un nervio puede cambiar la señal, lo que dificulta la interpretación de los resultados. Así que los neurocientíficos han esperado durante mucho tiempo una técnica no invasiva que pudiera hacer el trabajo en su lugar.

Eso puede estar a punto de suceder gracias al trabajo de Kasper Jensen en la Universidad de Copenhague en Dinamarca y algunos amigos que han desarrollado una forma de medir fácilmente los campos magnéticos asociados con las señales eléctricas en los nervios. La técnica podría allanar el camino para una nueva generación de herramientas de diagnóstico para detectar enfermedades relacionadas con la función nerviosa y para comprender la función básica de los nervios.

Primero, algunos conceptos básicos. Cuando un nervio se dispara, envía una señal eléctrica llamada potencial de acción a lo largo de su longitud. Este pulso eléctrico también genera un campo magnético. Los científicos han podido medir este pulso desde la década de 1980 utilizando magnetómetros SQUID que deben enfriarse cuidadosamente a temperaturas superconductoras.

La parte sensora del dispositivo es una pequeña bobina a través de la cual tiene que pasar el nervio. Por lo tanto, esta técnica no se puede utilizar para la medición in vivo. Y aunque estos dispositivos se han vuelto más prácticos, todavía se basan en tecnología superconductora, que es costosa de traducir a un entorno clínico.

Por lo tanto, una forma de medir estos campos magnéticos a distancia y a temperatura ambiente sería de gran utilidad. Y eso es exactamente lo que han hecho Jensen y compañía.

Estos chicos han construido un sensor que utiliza un rayo láser para detectar el efecto de un campo magnético en los átomos de cesio gaseoso, que polarizan la luz cuando se magnetizan. Los llamados magnetómetros ópticos son dispositivos enormemente poderosos que están limitados en sensibilidad solo por efectos cuánticos como el ruido de disparo cuántico de la luz.

Eso es importante porque, al menos en teoría, les permite detectar los campos asociados con los nervios a una distancia de varios milímetros. Para que puedan sentarse fuera del cuerpo mientras miden un campo producido en su interior.

Hay otra ventaja importante. Los magnetómetros ópticos funcionan perfectamente bien a temperatura ambiente y mejor aún a temperatura corporal. Los sensores también son pequeños, de solo unos pocos milímetros de ancho, por lo que son ideales para entornos clínicos. De hecho, se han utilizado en varias ocasiones para este propósito.

Sin embargo, hasta ahora, estos dispositivos clínicos nunca han funcionado en el límite cuántico y, por lo tanto, no han sido lo suficientemente sensibles para detectar los campos de las fibras nerviosas individuales.

El gran avance que han logrado Jensen y compañía es operar un magnetómetro óptico en el límite cuántico a temperatura ambiente por primera vez en este entorno biológico.

Jensen y compañía pusieron a prueba el dispositivo al detectar los campos magnéticos generados por los nervios ciáticos de las ranas a unos pocos milímetros de distancia. Este campo resulta estar en la región de unos pocos picoTesla, pero son posibles las mediciones sub-picoTesla. En comparación, el campo magnético de la Tierra es unos tres órdenes de magnitud más fuerte.

El dispositivo puede funcionar de forma continua, lo que permitió al equipo medir la forma del campo magnético generado por el nervio a medida que se estimula. Hemos realizado una detección no invasiva de los impulsos nerviosos del nervio ciático de la rana midiendo el campo magnético generado por el nervio con un sensor de temperatura ambiente con una sensibilidad limitada casi cuántica, dicen Jensen y compañía.

Es un trabajo interesante que tendrá aplicaciones importantes en el diagnóstico médico. El magnetómetro [es] perfecto para el diagnóstico médico en áreas fisiológicas/clínicas como la cardiografía de fetos, las respuestas sinápticas en la retina y la magnetoencefalografía, dice el equipo.

Seguramente no pasará mucho tiempo antes de que este equipo, u otro, comience a realizar este tipo de mediciones en sujetos humanos. Entonces, es posible que este desarrollo tenga un impacto similar en el estudio de la conducción nerviosa como el desarrollo de equipos de grabación eléctrica sensible en la década de 1920.

Ref:arxiv.org/abs/1601.03273: Detección no invasiva de impulsos nerviosos animales con un magnetómetro atómico que opera con una sensibilidad limitada casi cuántica

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