Lille bitte, injicerbare sensorer kunne overvåge hjerneaktivitet uden kirurgi eller implantater

Forskere har udviklet nanoskala sensorer, der kan injiceres i kroppen for ikke -invasivt at spore hjerneaktivitet ved hjælp af lys. Fremgangsmåden kunne en dag tilbyde en ny måde at studere hjernen på eller vurdere patienters hjernefunktion uden behov for kirurgi eller implanterede enheder.

A. Ali Yanik fra University of California, Santa Cruz, vil rapportere om teknologien, kaldet NeuroSWARM ³ , ved den virtuelle OSA Imaging og Applied Optics Congress, der blev afholdt 19.-23. juli. Yaniks præsentation er planlagt til tirsdag.

"NeuroSWARM ³ kan konvertere de signaler, der ledsager tankerne, til fjernmålbare signaler til høj præcision mellem hjerne-maskine, "sagde Yanik." Det vil gøre det muligt for mennesker, der lider af fysiske handicap, effektivt at interagere med den ydre verden og kontrollere bærbar eksoskelet -teknologi for at overvinde kroppens begrænsninger. Det kan også opfange tidlige underskrifter af neurale sygdomme. "

Fremgangsmåden giver en ny måde at overvåge elektrisk aktivitet i hjernen ved hjælp af en system-på-nanopartikelsonde, der kan sammenlignes i størrelse med en viral partikel. Neuroner bruger elektriske signaler til at formidle information til hinanden, gør disse signaler afgørende for tanken, hukommelse og bevægelse. Selvom der er mange etablerede metoder til at spore hjernens elektriske aktivitet, de fleste kræver kirurgi eller implanterede enheder for at trænge ind i kraniet og grænseflade direkte med neuroner.

Forskerne navngav deres nye teknologi Neurophotonic Solution-dispersible Wireless Activity Reporters for Massively Multiplexed Measurements, eller NeuroSWARM ³ .

Fremgangsmåden indebærer indførelse af konstruerede elektro-plasmoniske nanopartikler i hjernen, der konverterer elektriske signaler til optiske signaler, gør det muligt at spore hjerneaktivitet med en optisk detektor udefra.

Nanopartiklerne består af en siliciumoxidkerne, der måler 63 nanometer på tværs med et tyndt lag elektrokromisk belastet poly (3, 4-ethylendioxythiophen) og en guldbelægning 5 nanometer tyk. Fordi deres belægning giver dem mulighed for at krydse blod-hjerne-barrieren, de kunne injiceres i blodbanen eller direkte i cerebrospinalvæsken.

En gang i hjernen, nanosensorerne er meget følsomme over for lokale ændringer i det elektriske felt. I laboratorieundersøgelser, in vitro prototyper af NeuroSWARM ³ var i stand til at generere et signal-til-støj-forhold på over 1, 000, et følsomhedsniveau, der er egnet til at detektere det elektriske signal, der genereres, når et enkelt neuron affyres.

"Vi var banebrydende for brugen af ​​elektrokromiske polymerer (f.eks. PEDOT:PSS), til optisk (trådløs) detektion af elektrofysiologiske signaler "Tilføjede Yanik." Elektrokromiske materialer med optiske egenskaber, der kan reversibelt moduleres af et eksternt felt, bruges konventionelt til applikationer med smart glas/spejl. "

NeuroSWARM ³ kan betragtes som en nanoskala elektrokromisk belastet plasmonisk antenne, der drives omvendt:i stedet for at anvende en kendt spænding, dets optiske egenskaber moduleres af de spidsende elektrogene celler i dens nærhed. Derfor, NeuroSWARM ³ giver en langt-felt bioelektrisk signal detektion kapacitet i en enkelt nanopartikel enhed, der pakker trådløs strøm, elektrofysiologisk signalregistrering og dataudsendelse til nanoskala -dimensioner.

De optiske signaler genereret af NeuroSWARM ³ partikler kan detekteres uden for hjernen ved hjælp af nær-infrarødt lys med bølgelængder mellem 1, 000-1, 700 nm. Nanopartiklerne kan fungere på ubestemt tid uden at kræve en strømkilde eller ledninger.

Andre forskere har undersøgt en lignende tilgang ved hjælp af kvantepunkter designet til at reagere på elektriske felter. Sammenligning af de to teknologier, fandt forskerne NeuroSWARM ³ genererer et optisk signal, der er fire størrelsesordener større. Kvantepunkter krævede ti gange højere lysintensitet og hundrede gange flere sonder for at generere et sammenligneligt signal.

"Vi er lige i begyndelsen af ​​denne nye teknologi, men jeg synes, vi har et godt fundament at bygge på, "sagde Yanik." Vores næste mål er at starte forsøg med dyr. "

Ud over Yanik, medforfatterne af denne undersøgelse inkluderer UCSC-kandidatstuderende Neil Hardy, Ahsan Habib, og bachelorforsker Tanya Ivanov.