Forscher an der UC Santa Cruz entwickelt haben hochempfindlicher nanoskaliger optischer Sonden zur überwachung der bioelektrischen Aktivität der Neuronen und andere erregbare Zellen. Dieser Roman Auslesen-Technologie können die Wissenschaftler untersuchen, wie neuronale schaltkreise funktionieren bei einem noch nie dagewesenen Ausmaß durch die überwachung eine große Zahl von einzelnen Neuronen gleichzeitig. Es könnte auch dazu führen, hoher Bandbreite Gehirn-Maschine-Schnittstellen mit drastisch verbesserte Präzision und Funktionalität.
Die überwachung der elektrischen Aktivität von Neuronen wird üblicherweise durchgeführt unter Verwendung von mikroelektroden-arrays, diese sind aber schwierig zu implementieren ist auf einem großen Maßstab und bieten limitierte räumliche Auflösung. Darüber hinaus, die elektronische Verkabelung erforderlich für die Anzeige ist eine große Einschränkung von mikroelektroden, nach Ali Yanik, assistant professor of electrical and computer engineering an der UC Santa Cruz.
“Die sehr begrenzte Bandbreite der elektronischen Verkabelung ist ein Nadelöhr geschaffen, durch die Natur der Elektronen,” Yanik sagte. “Wir wenden uns an Photonen, denn Licht bietet Milliarden-Fach erweiterte multiplexing und Informationen tragende Funktionen, der gleiche Grund, warum die Telekommunikations-Industrie verschoben, um Lichtwellenleiter. Durch die Umwandlung der bioelektrischen Signale, die Photonen, werden wir in der Lage, zu übertragen große Bandbreite neuronale Aktivität hervor.”
Yanik ‘ s lab an der UCSC Baskin School of Engineering, arbeitet mit Kollegen an der Universität von Notre Dame, entwickelt hat extrazellulären nanoprobes, die es ermöglichen, ultrasensitive optische überwachung von elektrophysiologischen Signalen. Andere optische überwachung Techniken erfordern genetische Modifikationen einfügen von fluoreszierenden Molekülen in Zellmembranen, die Regeln, Ihre Anwendung beim Menschen.
Yanik Ansatz ist ähnlich extrazelluläre mikroelektroden-Techniken, mit der Ausnahme, dass die auslese-Mechanismus ist die optische und die Sonden haben nanoskaligen Dimensionen. Zusätzlich liefert es ein viel helleres signal und höhere signal-zu-Rausch-Verhältnisse als die Fluoreszenz-basierte Sonden.
“Die Nutzung der unvergleichlichen multiplexing-und-Informationen-Durchführung Fähigkeit des Lichts zur Aufdeckung der neuronalen schaltkreise und entschlüsseln von elektrophysiologischen Signalen wurde ein Ziel der Neurowissenschaftler seit fast 50 Jahren. Vielleicht haben wir endlich einen Weg gefunden, das zu tun,” Yanik sagte.
Die neue Technologie wird beschrieben in einem Papier veröffentlicht Oktober 18, die in der Wissenschaft Fortschritte. Ahsan Habib, ein Ph. D.-Kandidat in Yanik Labor, ist der erste Autor des Papiers.
Obwohl die Technologie noch in den frühen Phasen der Entwicklung, Yanik sagte, es könnte die Tür öffnen, um eine Breite Palette von Anwendungen. Letztlich, sagte er, es kann führen zu leistungsfähigen Gehirn-Maschine-Schnittstellen, so dass die Entwicklung neuer Gehirn-kontrollierten prothetischen Technologien für Menschen mit Behinderungen.
Yanik optischen nanoprobes sind nanoskalige Geräte (weniger als 100 Nanometer im Durchmesser) basiert auf einem Roman metallischen antennenstruktur gekoppelt an ein biokompatibles polymer namens PEDOT. Dieses polymer ist “electro-Chrom,” das bedeutet, dass Ihre optischen Eigenschaften ändern sich in Reaktion auf die lokalen elektrischen Feld. Die Antenne ist ein “plasmonen-nanoantenna,” das heißt, er nutzt nanoskalige Wechselwirkungen von Licht und Materie in einer Weise Analog zu einem radio-Antenne. Das Ergebnis ist ein “Elektro-plasmonischen nanoantenna” bietet zuverlässige optische Erkennung der lokalen elektrischen Feld-Dynamik-mit einer bemerkenswert hohen Empfindlichkeit.
“Die Elektro-plasmonischen nanoantenna hat eine Resonanzfrequenz, die Veränderungen in der Reaktion auf das elektrische Feld, und wir können sehen, dass, wenn wir Licht auf Sie, so können wir Lesen, das signal aus der Ferne,” Yanik erklärt.
Die Forscher führten eine Reihe von Laborversuchen zur Charakterisierung und Optimierung der Eigenschaften des Elektro-plasmonischen nanoantenna. Dann testeten Sie Ihre Fähigkeit zur überwachung der elektrophysiologischen Signale in Zellkulturen von kardiomyozyten (Herzmuskelzellen, die, wie Neuronen, erzeugen kann, die elektrische Impulse). Die Ergebnisse zeigten real-time, all-optische Erkennung der elektrischen Aktivität in kardiomyozyten, mit hohem signal-zu-Rausch-Verhältnisse.
Abgesehen von nicht die genetischen Manipulationen, die Vorteile dieser Technik über fluoreszierende Sonden sind die sehr geringen Lichtintensitäten benötigt, um zwei bis drei Größenordnungen kleiner als die typischen Licht-Intensitäten für Leuchtstoff Spannung Sonden. Darüber hinaus werden die fluoreszierenden Moleküle sind anfällig für bleichen und generieren störende freie Sauerstoff-Radikale.
Yanik beschrieben zwei mögliche Ansätze für die Verwendung der optischen nanoprobes zum überwachen der neuralen Aktivität in lebenden Tieren, einschließlich des Menschen. Die Sonden integriert werden könnte, mit einer optischen Faser in eine flexible und biokompatible Implantat, oder Sie konnten synthetisiert werden, die als Nanopartikel suspendiert in einer kolloidalen Lösung, mit Oberflächen-Proteinen befestigt, ermöglichen die Sonden binden an spezifische Zelltypen.
“Mit der Lösung-basierten system, können Sie es in den Blutkreislauf injizieren oder in eine Orgel, und die nanoprobes legen, um den spezifischen Zelltypen, die Sie überwachen möchten,” Yanik sagte. “Wir stehen erst am Anfang, aber ich denke, wir haben ein gutes Fundament zu bauen.”
Ein wichtiger Aspekt für die Verwendung von neuronalen Sonden in lebenden Tieren ist eine inhärente Reaktion des Immunsystems auf Fremdstoffe im Körper. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Beschichtung von Elektroden mit dem biokompatiblen polymer PEDOT dramatisch verbessert, die langfristige performance von microfabricated neuronale Prothesen. Die Größe der Implantate hat auch Einfluss auf die Immunantwort.
