Carbon nanorør harpun fanger individuelle hjernecellesignaler

Neurovidenskabsmænd kan snart være moderne harpunere, at fange individuelle hjernecellesignaler i stedet for hvaler med små spyd lavet af kulstofnanorør.

Det nye hjernecellespyd er en millimeter langt, kun få nanometer bred og udnytter kulstofnanorørs overlegne elektromekaniske egenskaber til at fange elektriske signaler fra individuelle neuroner.

"Så vidt vi ved, det er første gang, at forskere har brugt kulstofnanorør til at optage signaler fra individuelle neuroner, det vi kalder intracellulære optagelser, i hjerneskiver eller intakte hjerner hos hvirveldyr, " sagde Bruce Donald, en professor i datalogi og biokemi ved Duke University, der hjalp med at udvikle sonden.

Han og hans samarbejdspartnere beskriver kulstof-nanorørsonderne 19. juni i PLOS ET .

"Resultaterne er et godt principbevis på, at kulstofnanorør kunne bruges til at studere signaler fra individuelle nerveceller, " sagde Duke neurobiolog Richard Mooney, en studie medforfatter. "Hvis teknologien fortsætter med at udvikle sig, det kunne være meget nyttigt til at studere hjernen."

Forskere ønsker at studere signaler fra individuelle neuroner og deres interaktioner med andre hjerneceller for bedre at forstå hjernens beregningsmæssige kompleksitet.

I øjeblikket, de bruger to hovedtyper af elektroder, metal og glas, at optage signaler fra hjerneceller. Metalelektroder registrerer spidser fra en population af hjerneceller og fungerer godt i levende dyr. Glaselektroder måler også pigge, såvel som de beregninger, individuelle celler udfører, men er sarte og går let i stykker.

"De nye kulstof nanorør kombinerer de bedste egenskaber fra både metal- og glaselektroder. De optager godt både inde i og uden for hjerneceller, og de er ret fleksible. Fordi de ikke går i stykker, videnskabsmænd kunne bruge dem til at optage signaler fra individuelle hjerneceller fra levende dyr, " sagde Duke neurobiolog Michael Platt, som ikke var involveret i undersøgelsen.

I fortiden, andre videnskabsmænd har eksperimenteret med kulstof nanorørsonder. Men elektroderne var tykke, forårsager vævsskade, eller de var korte, begrænser, hvor langt de kan trænge ind i hjernevæv. De kunne ikke sondere inde i individuelle neuroner.

For at ændre dette, Anders begyndte at arbejde på en harpunlignende kulstof-nanorørsonde med Duke neurobiolog Richard Mooney for fem år siden. De to mødtes i løbet af deres første år på Yale i 1976, holdt kontakten igennem hele kandidatskolen og begyndte at mødes for at tale om deres forskning, efter at de begge kom til Duke.

Mooney fortalte Anders om sit arbejde med at optage hjernesignaler fra levende zebrafinker og mus. Arbejdet var udfordrende, han sagde, fordi sonderne og maskineriet til at udføre undersøgelserne var store og omfangsrige på det lille hoved af en mus eller fugl.

Med Donalds ekspertise inden for nanoteknologi og robotteknologi og Mooneys inden for neurobiologi, de to troede, at de kunne arbejde sammen om at krympe maskineriet og forbedre sonderne med nanomaterialer.

For at lave sonden, kandidatstuderende Inho Yoon og Duke-fysiker Gleb Finkelstein brugte spidsen af ​​en elektrokemisk slebet wolframtråd som base og forlængede den med selvindfiltrede flervæggede kulstofnanorør for at skabe en millimeter lang stang. Forskerne skærpede derefter nanorørene til en lille harpun ved hjælp af en fokuseret ionstråle ved North Carolina State University.

Yoon tog derefter nano-harpunen til Mooneys laboratorium og stak den ind i skiver af musehjernevæv og derefter ind i hjernen på bedøvede mus. Resultaterne viser, at sonden transmitterer hjernesignaler såvel som, og nogle gange bedre end, konventionelle glaselektroder og er mindre tilbøjelige til at brække af i vævet. Den nye sonde trænger også ind i individuelle neuroner, registrering af signalerne fra en enkelt celle i stedet for den nærmeste population af dem.

Baseret på resultaterne, holdet har ansøgt om patent på nano-harpunen. Platt sagde, at forskere kunne bruge proberne i en række applikationer, fra grundvidenskab til menneskelig hjerne-computer grænseflader og hjerneproteser.

Donald sagde, at den nye sonde gør fremskridt i disse retninger, men isoleringslagene, elektriske optagelsesevner og enhedens geometri skal stadig forbedres.