Premières mesures laser des champs magnétiques de nerfs uniques

Les biologistes savent que les nerfs produisent des signaux électriques et y répondent depuis le 18e siècle, lorsque Luigi Galvani a découvert que les muscles de la patte d'une grenouille se contractaient lorsqu'ils étaient stimulés par une étincelle.

Cependant, l'étude systématique des signaux électriques produits par les nerfs a dû attendre le début du XXe siècle pour le développement d'appareils d'enregistrement électrique sensibles tels que l'oscilloscope à rayons cathodiques.

Ce développement a révolutionné la compréhension de la fonction nerveuse. La manière dont les nerfs transmettent les signaux peut être un puissant indicateur de maladies telles que la sclérose en plaques et peut même détecter certains types d'intoxication.

Et pourtant la méthode a quelques inconvénients. Par exemple, mesurer les signaux électriques dans les nerfs en insérant une électrode en forme d'aiguille est quelque peu invasif, et le simple fait de fixer une électrode à un nerf peut modifier le signal, ce qui rend les résultats difficiles à interpréter. Les neuroscientifiques ont donc longtemps espéré une technique non invasive qui pourrait faire le travail à la place.

Cela est peut-être sur le point d'arriver grâce au travail de Kasper Jensen de l'Université de Copenhague au Danemark et de quelques amis qui ont développé un moyen de mesurer facilement les champs magnétiques associés aux signaux électriques dans les nerfs. La technique pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération d'outils de diagnostic pour repérer les maladies liées à la fonction nerveuse et pour comprendre la fonction de base des nerfs.

Tout d'abord, quelques bases. Lorsqu'un nerf se déclenche, il envoie un signal électrique appelé potentiel d'action sur toute sa longueur. Cette impulsion électrique génère également un champ magnétique. Les scientifiques ont pu mesurer cette impulsion depuis les années 1980 à l'aide de magnétomètres SQUID qui doivent être soigneusement refroidis à des températures supraconductrices.

La partie sensible de l'appareil est une minuscule bobine à travers laquelle le nerf doit passer. Cette technique ne peut donc pas être utilisée pour la mesure in vivo. Et bien que ces dispositifs soient devenus plus pratiques, ils reposent toujours sur une technologie supraconductrice qui est coûteuse à transposer en milieu clinique.

Ainsi, un moyen de mesurer ces champs magnétiques à distance et à température ambiante serait extrêmement utile. Et c'est exactement ce que Jensen et co ont fait.

Ces gars ont construit un capteur qui utilise un faisceau laser pour détecter l'effet d'un champ magnétique sur les atomes de césium gazeux, qui polarisent la lumière lorsqu'ils sont magnétisés. Les magnétomètres dits optiques sont des appareils extrêmement puissants dont la sensibilité n'est limitée que par des effets quantiques tels que le bruit de grenaille quantique de la lumière.

C'est important car, du moins en théorie, cela leur permet de détecter les champs associés aux nerfs à une distance de plusieurs millimètres. Ainsi, ils peuvent s'asseoir à l'extérieur du corps tout en mesurant un champ produit à l'intérieur de celui-ci.

Il y a un autre avantage important. Les magnétomètres optiques fonctionnent parfaitement bien à température ambiante et encore mieux à température corporelle. Les capteurs sont également petits - seulement quelques millimètres de diamètre - ils sont donc idéaux pour les environnements cliniques. En effet, ils ont été utilisés à diverses occasions dans ce but précis.

Cependant, jusqu'à présent, ces dispositifs cliniques n'ont jamais fonctionné à la limite quantique et n'ont donc pas été suffisamment sensibles pour détecter les champs des fibres nerveuses individuelles.

La percée que Jensen et co ont réalisée est de faire fonctionner un magnétomètre optique à la limite quantique à température ambiante pour la première fois dans ce cadre biologique.

Jensen et co ont mis l'appareil à l'épreuve en détectant les champs magnétiques générés par les nerfs sciatiques de la grenouille à quelques millimètres de distance. Ce champ s'avère être de l'ordre de quelques picoTesla mais des mesures sous-picoTesla sont possibles. En comparaison, le champ magnétique terrestre est supérieur d'environ trois ordres de grandeur.

L'appareil peut fonctionner en continu, ce qui a permis à l'équipe de mesurer la forme du champ magnétique généré par le nerf lorsqu'il est stimulé. Nous avons effectué une détection non invasive des impulsions nerveuses du nerf sciatique de grenouille en mesurant le champ magnétique généré par le nerf avec un capteur de température ambiante avec une sensibilité limitée quasi quantique, disent Jensen et co.

C'est un travail intéressant qui aura des applications importantes dans le diagnostic médical. Le magnétomètre [est] parfait pour les diagnostics médicaux dans des domaines physiologiques/cliniques tels que la cardiographie des fœtus, les réponses synaptiques dans la rétine et la magnétoencéphalographie, explique l'équipe.

Il ne faudra sûrement pas longtemps avant que cette équipe, ou une autre, commence à faire ce genre de mesures sur des sujets humains. Il est donc tout à fait possible que ce développement ait un impact similaire sur l'étude de la conduction nerveuse que le développement de l'équipement d'enregistrement électrique sensible dans les années 1920.

Réf :arxiv.org/abs/1601.03273: Détection non invasive des impulsions nerveuses animales avec un magnétomètre atomique fonctionnant près de la sensibilité limitée quantique

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