小说nanoprobes光学监测的神经活动

加州大学圣塔克鲁兹分校的研究人员开发了超灵敏的纳米光学探针监测神经元和其他易兴奋细胞的生物电活动。这部小说读出技术可以使科学家能够研究神经回路功能以前所未有的规模通过监测同时大量单个神经元。它也可能导致高带宽脑机接口,极大地提高了精度和功能。

监测神经元的电活动是传统使用微电极阵列,但这些难以实现大规模并提供有限的空间分辨率。此外,读出所需的电子线路是一个微电极的主要限制,根据阿里Yanik,电气和计算机工程助理教授在加州大学圣克鲁斯。

“电子线路的极其有限的带宽瓶颈由电子的本质,“Yanik说。“我们把光子因为光线提供billion-fold增强多路复用和信息承载能力,电信行业转移到相同的原因光纤。通过将生物信号转换成光子,我们将能够传输large-bandwidth神经活动光。”

Yanik UCSC的巴斯金工程学院的实验室,与合作者在圣母大学的合作,开发了细胞外nanoprobes使超灵敏的光学监测电生理信号。其他光学监测技术需要基因改造将荧光分子插入到细胞膜,排除他们在人类使用。

Yanik的方法类似于细胞外微电极技术,除了读出机制是光和探测纳米尺寸。此外,它的收益率更光明的信号,信噪比高于荧光技术调查。

“利用光的无与伦比的多路复用和传送功能解剖的神经回路和解密电生理信号一直是神经科学家近50年的目标。我们终于找到了一个办法,”Yanik说。

这项新技术是10月18日发表的一篇论文中描述科学的进步。的博士生Ahsan Habib Yanik的实验室,是论文的第一作者。

虽然技术仍处于开发的早期阶段,Yanik说它可以打开门范围广泛的应用程序。最终,他说,它可能导致强大的脑机接口,使新的人脑控制假肢技术的发展为残疾人服务。

Yanik光学nanoprobes纳米设备(直径小于100纳米)基于一种新型金属天线结构耦合称为PEDOT的生物相容性的聚合物。这种聚合物“electro-chromic”,意味着其光学性质变化以应对当地的电场。天线是一个“电浆nanoantenna”,意思是它使用纳米尺度光和物质的相互作用的方式类似于无线电天线。结果是一个“electro-plasmonic nanoantenna”提供可靠的当地电场动态光学检测灵敏度高。

“electro-plasmonic nanoantenna共振频率,对电场的变化,我们可以看到,当我们上发光,所以我们可以远程读取信号,“Yanik解释道。

研究人员进行了一系列实验描述和优化的属性electro-plasmonic nanoantenna。然后测试能力监测细胞培养的心肌细胞的电生理信号(心肌细胞,如神经细胞,能产生电脉冲)。结果显示实时、全光学检测心肌细胞的电活动,具有高信噪比。

除了不需要遗传操作,这种技术对荧光探针的优点包括所需的光强度很低,两到三个数量级低于典型的光强度用于荧光探针电压。此外,荧光分子容易漂白和产生的氧自由基。

Yanik描述两种可能的方法使用光学nanoprobes监测神经活动在活的动物,包括人类。与光纤探针可以集成到一个灵活的和可以使植入物的生物相容性,或者他们可以合成纳米粒子悬浮在胶体溶液,附带表面蛋白,使探针绑定到特定的细胞类型。

“为基础的解决方案系统,你可以注入到血液中或一个器官,和nanoprobes附加到特定的细胞类型你想要监控,“Yanik说。“我们只是在起步阶段,但我想我们有一个良好的基础。”

一个重要的考虑使用神经探针在活体动物体内的固有免疫反应对外国材料。之前的研究表明,聚合物涂层电极的生物相容性PEDOT显著提高microfabricated神经假体设备的长期性能。植入物的大小也会影响免疫应答。

“关键特性尺寸10到15微米。最近的研究表明,规模较小植入导致大幅减少固有免疫反应,”哈比卜说。“在这个意义上,我们PEDOT-coated探针和纳米级尺寸特别有利的长期行动”。

---

---