Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крус разработали сверхчувствительный наноразмерных оптических датчиков для мониторинга биоэлектрической активности нейронов и других возбудимых клеток. Эта новая технология считывания может позволить ученым изучить, как функционируют нейронные цепи в беспрецедентном масштабе путем мониторинга большого количества отдельных нейронов одновременно. Это также может привести к высокой пропускной способности мозг-машинных интерфейсов с резко повышенной точности и функциональности.
Мониторинг электрической активности нейронов обычно выполняется с помощью массивов микроэлектрода, но это трудно реализовать в больших масштабах и предлагают ограниченный пространственным разрешением. Кроме того, электронный жгут проводов для индикации является основным ограничением микроэлектродов, по словам Али Яник, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Крус.
«Крайне ограниченная полоса пропускания электронного проводка узкого места, созданные самой природой электронов», — сказал Яник. «Мы обращаемся к фотонам, потому что свет предлагает миллиардов раз усиливается мультиплексирования и информация грузоподъемности, по той же причине, почему телекоммуникационной отрасли переехал в волоконной оптике. Путем преобразования биоэлектрических сигналов с фотонами, мы будем способны передавать большой пропускной способности нейронной активности оптически».
Лаборатории Яник в школе УСК по Баскина техники, работая с сотрудницами на Университете Нотр-Дам, была разработана внеклеточная нанозонды, которые позволяют сверхчувствительных оптических мониторинга электрофизиологических сигналов. Других методов оптического мониторинга требует генетических изменений, чтобы вставить флуоресцентных молекул в клеточные мембраны, что исключает их использование в организме человека.
Подход Яник похож на внеклеточные методы микроэлектрод, за исключением того, что механизм считывания оптических и датчиков имеют нано размеры. Кроме того, это дает намного более яркий сигнал и выше сигнал-шум, чем флуоресценции на основе зондов.
«Использование аналогов мультиплексирования и информация-несущая способность света препарировать нейронные схемы и расшифровки электрофизиологических сигналов была цель, нейробиологи в течение почти 50 лет. Мы можем, наконец, нашли способ сделать это», — сказал Яник.
Новая технология описана в статье, опубликованной 18 октября в достижений науки. Ахсан Хабиб, кандидат в лаборатории Яник, это первый автор бумаги.
Хотя технология все еще находится в ранней стадии развития, сказал Яник, это может открыть двери для широкого спектра применений. В конце концов, сказал он, это может привести к мощный мозг-машинных интерфейсов, позволяющих развивать новый управляемый мозгом протез технологий для людей с ограниченными возможностями.
Оптические нанозонды Яник являются наноразмерных устройств (менее 100 нанометров в диаметре), основанный на романе металлическую конструкцию антенны соединен с биосовместимый полимер под названием PEDOT. Этот полимер является «производство электро-хромовая», то его оптические свойства меняются в ответ на локальное электрическое поле. Антенна-это «плазмонные наноантенны», то он использует наноразмерных взаимодействий света и материи аналогично для радио антенны. Результатом является «производство электро-плазмонные наноантенны», что обеспечивает надежную оптического обнаружения локальных динамики электрического поля с очень высокой чувствительностью.
«Электро-плазмонные наноантенны имеет частоту резонанса, которая изменяется в ответ на электрическое поле, и мы видим, что, когда мы пролить свет на это, так что мы можем читать сигнал дистанционно,» Яник объяснил.
Исследователи провели серию лабораторных экспериментов для исследования и оптимизации свойств электро-плазмонные наноантенны. Затем они проверяли способность следить за электрофизиологических сигналов в клеточных культурах кардиомиоцитов (клеток сердечной мышцы, которые, как и нейроны, способны генерировать электрические импульсы). Результаты продемонстрированы в режиме реального времени, все-оптическое детектирование электрической активности кардиомиоцитов, с высоким соотношением сигнал-шум.
Помимо не требующих генетических манипуляций, преимущества этого метода над флуоресцентных зондов, относится крайне низкая необходимой интенсивности света, на два-три порядка ниже, чем у типичной интенсивности света, используемого для люминесцентных преобразователей напряжения. Кроме того, флуоресцентные молекулы подвержены выцветанию и генерировать разрушительные свободные радикалы.
Яник описаны два возможных подхода к использованию оптических нанозондов для контроля нейронной активности у животных, включая человека. Датчики могут быть интегрированы с помощью оптического волокна в гибкую и биосовместимые имплантаты, или они могут быть синтезированы как наночастиц, взвешенных в коллоидном растворе, с поверхности протеины, прикрепленные к включения щупов для привязки к конкретным типам клеток.
«Решение на основе системы, вы могли бы ввести в кровь или в орган, и нанозонды прикрепить к определенным типам клеток, которые вы хотите контролировать,» сказал Яник. «Мы пока находимся на начальной стадии этого, но я думаю, что у нас есть хороший фундамент для построения.»
Важным фактором за использование нейронных зондов в живых животных врожденного иммунного ответа на чужеродные материалы в организме. Предыдущие исследования показали, что покрытие электродов с биосовместимым полимером PEDOT значительно улучшает долгосрочные показатели microfabricated нейронных протезов. Размер имплантата также влияет на иммунный ответ.
«Критическую черту размеров-от 10 до 15 мкм. Недавние исследования показали, что меньшего размера имплантаты приводят к резко снижается, присущие иммунный ответ», — сказал Хабиб. «В этом смысле, наш PEDOT-покрытием зонда с наноразмерным размеры являются особенно выгодными для длительной эксплуатации.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!