利用金刚石中量子缺陷对单神经元动作电位的光学磁探测
量子物理
2016-12-26 v1 介观与纳米尺度物理
原子物理
神经元与认知
摘要
神经科学的一个关键挑战是以单神经元分辨率对完整生物体中动作电位（AP）动态进行非侵入、无标记感知。在此，我们提出解决该问题的新方法：利用金刚石中的氮空位（NV）量子缺陷来测量单神经元 AP 产生的时间依赖磁场。我们的技术具有独特的功能组合：(i) 它是非侵入的，因为探测 NV 传感器的光停留在生物相容性金刚石芯片内而不进入生物体，从而实现长时间活动监测；(ii) 它是无标记的，应广泛适用于大多数生物体；(iii) 它提供高空间和时间分辨率，允许精确测量单个神经元的 AP 波形和传导速度；(iv) 它通过 NV 对相应 AP 磁场矢量的固有敏感性直接确定 AP 传播方向；(v) 它适用于位于光学不透明组织或完整生物体内的神经元，磁场可基本无扰动地穿过；(vi) 它易于使用、可扩展，并可与宽场和超分辨率成像等现有技术集成。我们使用两种无脊椎动物（海洋蠕虫和鱿鱼）的离体单神经元演示了该方法；随后通过对完整、活体、不透明的海洋蠕虫外部进行单神经元 AP 磁传感长时间演示，且无不良影响。该结果为实时、非侵入式三维磁映射功能神经元网络奠定了基础，最终可实现突触尺度（~10 nm）分辨率和电路尺度（~1 cm）视场。
引用
@article{arxiv.1602.01056,
title = {Optical magnetic detection of single-neuron action potentials using quantum defects in diamond},
author = {J. F. Barry and M. J. Turner and J. M. Schloss and D. R. Glenn and Y. Song and M. D. Lukin and H. Park and R. L. Walsworth},
journal= {arXiv preprint arXiv:1602.01056},
year = {2016}
}
备注
23 pages, 12 figures, 2 tables