Мониторинг электрической активности нейронов обычно выполняется с использованием массивов микроэлектродов, но их сложно реализовать в больших масштабах, и они предлагают ограниченное пространственное разрешение. Кроме того, по словам Али Яника, доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Круз, основным ограничением микроэлектродов является необходимая для считывания электронная проводка.
«Чрезвычайно ограниченная полоса пропускания электронной проводки – это узкое место, созданное самой природой электронов», – сказал Яник. «Мы обращаемся к фотонам, потому что свет предлагает возможности мультиплексирования и передачи информации в миллиард раз больше, по той же причине, по которой телекоммуникационная отрасль перешла на волоконную оптику.
Преобразуя биоэлектрические сигналы в фотоны, мы сможем оптически передавать нейронную активность в широком диапазоне частот."
Лаборатория Яника в инженерной школе Баскина UCSC в сотрудничестве с коллегами из Университета Нотр-Дам разработала внеклеточные нанозонды, которые позволяют осуществлять сверхчувствительный оптический мониторинг электрофизиологических сигналов. Другие методы оптического мониторинга требуют генетических модификаций для вставки флуоресцентных молекул в клеточные мембраны, что исключает их использование у людей.
Подход Яника аналогичен методам внеклеточных микроэлектродов, за исключением того, что механизм считывания является оптическим, а зонды имеют наноразмерные размеры. Кроме того, он дает гораздо более яркий сигнал и более высокое отношение сигнал / шум, чем датчики на основе флуоресценции.
«Использование беспрецедентной способности света к мультиплексированию и передаче информации для анализа нейронных цепей и дешифрования электрофизиологических сигналов было целью нейробиологов на протяжении почти 50 лет. Возможно, мы наконец нашли способ сделать это », – сказал Яник.
Новая технология описана в статье, опубликованной 18 октября в Science Advances. Ахсан Хабиб, доктор философии.D. кандидат в лабораторию Яника, является первым автором статьи.
Хотя технология все еще находится на ранней стадии разработки, Яник сказал, что она может открыть двери для широкого спектра приложений. В конечном итоге, по его словам, это может привести к созданию мощных интерфейсов мозг-машина, что позволит разрабатывать новые технологии протезирования, управляемые мозгом, для людей с ограниченными возможностями.
Оптические нанозонды Яника – это устройства нанометрового размера (менее 100 нанометров в диаметре), основанные на новой металлической антенной структуре, соединенной с биосовместимым полимером под названием PEDOT. Этот полимер является «электрохромным», что означает, что его оптические свойства изменяются в ответ на локальное электрическое поле.
Антенна представляет собой «плазмонную наноантенну», что означает, что она использует наноразмерные взаимодействия света и вещества аналогично радиоантенне. Результатом является «электроплазмонная наноантенна», которая обеспечивает надежное оптическое обнаружение локальной динамики электрического поля с исключительно высокой чувствительностью.
«Электроплазмонная наноантенна имеет резонансную частоту, которая изменяется в ответ на электрическое поле, и мы можем видеть это, когда светим на нее, поэтому мы можем считывать сигнал удаленно», – пояснил Яник.
Исследователи провели серию лабораторных экспериментов, чтобы охарактеризовать и оптимизировать свойства электроплазмонной наноантенны. Затем они проверили его способность контролировать электрофизиологические сигналы в клеточных культурах кардиомиоцитов (клетки сердечной мышцы, которые, как и нейроны, могут генерировать электрические импульсы). Результаты продемонстрировали полностью оптическое определение электрической активности кардиомиоцитов в режиме реального времени с высоким отношением сигнал / шум.
Помимо того, что не требуется генетических манипуляций, преимущества этого метода по сравнению с флуоресцентными датчиками включают очень низкую необходимую интенсивность света, на два-три порядка ниже, чем типичная интенсивность света, используемая для флуоресцентных датчиков напряжения. Кроме того, флуоресцентные молекулы подвержены обесцвечиванию и образуют разрушительные свободные радикалы кислорода.
Яник описал два возможных подхода к использованию оптических нанозондов для мониторинга нейронной активности у живых животных, включая человека. Зонды могут быть интегрированы с оптическим волокном в гибкий и биосовместимый имплант, или они могут быть синтезированы в виде наночастиц, суспендированных в коллоидном растворе, с прикрепленными поверхностными белками, чтобы позволить зондам связываться с определенными типами клеток.
«С помощью системы на основе раствора вы можете ввести его в кровоток или в орган, а нанозонды прикрепятся к конкретным типам клеток, за которыми вы хотите следить», – сказал Яник. "Мы находимся только на начальных этапах этого процесса, но я думаю, что у нас есть хорошая основа для дальнейшего развития."
Важным соображением при использовании нейронных зондов у живых животных является врожденный иммунный ответ на инородные материалы в организме.
Предыдущие исследования показали, что покрытие электродов биосовместимым полимером PEDOT значительно улучшает долговременные характеристики микропротезных устройств для нервной системы. Размер имплантата также влияет на иммунный ответ.
«Размер критических элементов составляет от 10 до 15 микрон. Недавние исследования показали, что имплантаты меньшего размера приводят к резкому снижению врожденного иммунного ответа », – сказал Хабиб. «В этом смысле наши зонды с покрытием PEDOT с наноразмерными размерами особенно удобны для длительной эксплуатации."