Написано AZoNano 22 октября 2019 года [1945] [19459][19459

Сверхчувствительные наноразмерные оптические зонды были созданы учеными из Калифорнийского университета в Санта-Крузе для наблюдения биоэлектрической активности нейронов и других возбудимых клеток.

Эта инновационная технология считывания может позволить исследователям проанализировать, как работают нейронные схемы в таких масштабах, как никогда прежде, наблюдая большое количество отдельных нейронов одновременно. Это также может проложить путь к высокоскоростным интерфейсам мозг-машина с резко возросшими функциональными возможностями и точностью.

Традиционно, электрическая активность нейронов контролируется с помощью микроэлектродных решеток. Однако эти компоненты сложно реализовать в большом масштабе и обеспечить ограниченное пространственное разрешение.

По словам Али Яника, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники в Инженерной школе Баскина при UCSC, электронная проводка, необходимая для считывания, является ключевым ограничением микроэлектродов.

Чрезвычайно ограниченная полоса пропускания электронной проводки является узким местом, созданным самой природой электронов. Мы обращаемся к фотонам, потому что свет предлагает возможности мультиплексирования и передачи информации в миллиарды раз, по той же причине, по которой телекоммуникационная отрасль перешла на оптоволокно. Преобразовав биоэлектрические сигналы в фотоны, мы сможем оптически передавать широкополосную нейронную активность .

Али Яник, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, Инженерная школа им. Баскина, Калифорнийский университет в Санта-Крус

Сотрудничая с коллегами из Университета Нотр-Дам, лаборатория Яника создала внеклеточные нанозонды, которые облегчают сверхчувствительный оптический мониторинг электрофизиологических сигналов. Другие методы для проведения оптического мониторинга требуют генетических модификаций для введения флуоресцентных молекул в клеточные мембраны, что препятствует их использованию у людей.

Методика Яника похожа на методику внеклеточных микроэлектродов, но только в том, что зонды имеют наноразмерные размеры, а механизм считывания является оптическим. Кроме того, он производит значительно более яркий сигнал и более высокое отношение сигнал / шум по сравнению с флуоресцентными зондами.

« Использование беспрецедентной способности света к мультиплексированию и передаче информации для рассечения нейронных схем и дешифрования электрофизиологических сигналов было целью нейробиологов на протяжении почти 50 лет. Возможно, мы наконец нашли способ сделать это », – заявил Яник.

Новая технология была объяснена в статье, опубликованной в Science Advances 18 октября ^th 2019. Первый автор статьи – Асан Хабиб, кандидат наук в Янике. лаборатории.

Широкое применение

Технология все еще находится в зачаточном состоянии, но, по словам Яника, она может проложить путь для широкого спектра приложений. В конце концов, это может привести к созданию надежных интерфейсов мозг-машина, что позволит разрабатывать новые технологии протезирования, управляемые мозгом, для людей с ограниченными возможностями.

Разработанные Yanik оптические нанозонды представляют собой наноразмерные устройства (диаметром <100 нм) на основе инновационной металлической антенной структуры, соединенной с биосовместимым полимером, известным как PEDOT. Этот полимер является «электрохромным», то есть его оптические свойства варьируются в зависимости от локального электрического поля.

Антенна представляет собой «плазмонную наноантенну», то есть использует наноразмерные взаимодействия вещества и света, аналогичные радиоантенне. Результатом является «электроплазмонная наноантенна», которая обеспечивает надежное оптическое обнаружение локальной динамики электрического поля с чрезвычайно высокой чувствительностью.

Электроплазмонная наноантенна имеет резонансную частоту, которая изменяется в ответ на электрическое поле, и мы можем видеть это, когда освещаем его, поэтому мы можем читать сигнал удаленно .

Али Яник, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, Инженерная школа им. Баскина, Калифорнийский университет в Санта-Крус

Исследователи провели ряд лабораторных экспериментов для характеристики и оптимизации свойств электроплазмонной наноантенны. Затем они проверили его потенциал для мониторинга электрофизиологических сигналов в клеточных культурах кардиомиоцитов (клетки сердечной мышцы, которые, подобно нейронам, могут генерировать электрические импульсы). Результаты продемонстрировали в режиме реального времени, полностью оптическое обнаружение электрической активности в кардиомиоцитах с высоким отношением сигнал / шум.

Помимо исключения необходимости генетических манипуляций, преимущества этого метода по сравнению с флуоресцентными зондами включают очень низкие требуемые интенсивности света и на два-три порядка ниже, чем обычные интенсивности света, используемые для флуоресцентных зондов напряжения. Кроме того, флуоресцентные молекулы уязвимы для обесцвечивания и производят разрушающие свободные от кислорода радикалы.

Яник предложил две вероятные методики применения оптических нанозондов для мониторинга нейронной активности у живых животных, таких как люди. Зонды могут быть объединены с оптическим волокном и помещены в биосовместимый и гибкий имплантат, или они могут быть изготовлены в виде наночастиц, взвешенных в коллоидном растворе, где прикреплены поверхностные белки, чтобы зонды могли связываться с определенными типами клеток.

« С помощью системы, основанной на растворе, вы можете ввести ее в кровоток или орган, а нанозонды прикрепить к конкретным типам клеток, которые вы хотите контролировать », – заявил Яник. « Мы находимся только на начальных этапах этого, но я думаю, что у нас есть хорошая основа, чтобы опираться на ».

Жизненно важной причиной использования нейронных зондов у живых животных является внутренний иммунный ответ на инородные вещества в организме. Более ранние исследования показали, что когда электроды покрыты биосовместимым полимером PEDOT, долговременные характеристики микроструктурных нейронных протезов значительно улучшаются. Кроме того, размер имплантатов влияет на иммунный ответ.

Критические размеры элементов составляют от 10 до 15 микрон. Недавние исследования показали, что имплантаты меньшего размера приводят к резкому снижению иммунного ответа. В этом смысле наши зонды с покрытием PEDOT с наноразмерными размерами особенно выгодны для длительной эксплуатации .

Асан Хабиб, кандидат наук, Баскинская инженерная школа, Калифорнийский университет в Санта-Крузе

Помимо Хабиба и Яника, соавторами исследования являются аспиранты UCSC Сянчао Чжу и Маверик Макланахан, а также Уриан Кан и Пинар Зорлутуна из Университета Нотр-Дам. Это исследование было поддержано грантами Национального научного фонда.

Источник: https://www.ucsc.edu/