Nyt kvantemateriale kan advare om neurologisk sygdom

Hvad hvis hjernen kunne opdage sin egen sygdom? Forskere har forsøgt at skabe et materiale, der "tænker" som hjernen gør, som ville være mere følsom over for tidlige tegn på neurologiske sygdomme som Parkinsons.

Tænkning er langt væk, men forskere fra Purdue University og Argonne National Laboratory har konstrueret et nyt materiale, der i det mindste kan "lytte".

Lingua franca er ioniske strømme, som hjælper hjernen med at udføre en bestemt reaktion, nødvendig for noget så grundlæggende som at sende et signal om at trække vejret. Detektering af ioner betyder også at detektere koncentrationen af ​​et molekyle, som fungerer som en indikator for hjernens sundhed.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere demonstrerer et kvantemateriales evne til automatisk at modtage brint, når det placeres under en dyremodells hjerneskive. Quantum betyder, at materialet har elektroniske egenskaber, som begge ikke kan forklares med klassisk fysik, og det giver det en unik fordel i forhold til andre materialer, der bruges inden for elektronik, såsom silicium.

Kanten, I dette tilfælde, er stærk, "korrelerede" elektroner, der gør materialet ekstra følsomt og ekstra afstemt.

"Målet er at bygge bro mellem, hvordan elektronik tænker, som er via elektroner, og hvordan hjernen tænker, som er via ioner. Dette materiale hjalp os med at finde en potentiel bro, "sagde Hai-Tian Zhang, en postdoktor i Gilbreth i Purdue's College of Engineering og første forfatter på papiret.

I det lange løb, dette materiale kan endda bringe evnen til at "downloade" din hjerne, siger forskerne.

"Forestil dig at sætte en elektronisk enhed i hjernen, så når naturlige hjernefunktioner begynder at forringes, en person kunne stadig hente minder fra den enhed, "sagde Shriram Ramanathan, en Purdue-professor i materialeteknik, hvis laboratorium har specialiseret sig i at udvikle hjerneinspireret teknologi.

"Vi kan med sikkerhed sige, at dette materiale er en potentiel vej til at bygge en computerenhed, der kan gemme og overføre minder, " han sagde.

Forskerne testede dette materiale på to molekyler:Glucose, et sukker, der er afgørende for energiproduktion, og dopamin, en kemisk messenger, der regulerer bevægelse, følelsesmæssige reaktioner og hukommelse.

Fordi dopaminmængder typisk er lave i hjernen, og endnu lavere for mennesker med Parkinsons sygdom, at opdage dette kemikalie har været notorisk svært. Men at opdage dopaminniveauerne tidligt ville betyde en hurtigere behandling af sygdommen.

"Dette kvantemateriale er omkring ni gange mere følsomt for dopamin end metoder, som vi i øjeblikket bruger i dyremodeller, "sagde Alexander Chubykin, en adjunkt i biologiske videnskaber ved Purdue Institute for Integrative Neuroscience, med base i Discovery Park.

Kvantematerialet skylder sin følsomhed over for stærke vekselvirkninger mellem såkaldte "korrelerede elektroner". Forskerne fandt først ud af, at når de placerede materialet i kontakt med glukosemolekyler, oxiderne ville spontant fange brint fra glukosen via et enzym. Det samme skete med dopamin frigivet fra en musehjerneskive.

Den stærke affinitet til brint, som vist, da forskere ved Argonne National Laboratory lavede simuleringer af eksperimenterne, tillod materialet at udtrække atomer på egen hånd - uden strømkilde.

"Det faktum, at vi ikke gav strøm til materialet, for at det kunne optage brint, betyder, at det kunne bringe elektronik med meget lav effekt med høj følsomhed, "Sagde Ramanathan." Dette kan være nyttigt til at undersøge uudforskede miljøer, såvel."

Forskerne siger også, at dette materiale kunne fornemme atomerne i en række molekyler, ud over bare glukose og dopamin. Det næste trin er at skabe en måde for materialet at "tale tilbage" til hjernen.