Flådens forskere rekrutterer selvlysende nanopartikler til at afbilde hjernens funktion

Forskningsbiologer, kemikere og teoretikere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL), er i gang med at udvikle den næste generation af funktionelle materialer, der kan muliggøre kortlægning af de komplekse neurale forbindelser i hjernen. Det ultimative mål er bedre at forstå, hvordan milliarder af neuroner i hjernen kommunikerer med hinanden under normal hjernefunktion, eller dysfunktion, som følge af skade eller sygdom.

"Der er en enorm interesse for at kortlægge alle neuronforbindelser i den menneskelige hjerne, " sagde Dr. James Delehanty, forskningsbiolog, Center for Biomolekylær Videnskab og Teknik. "For at gøre det har vi brug for nye værktøjer eller materialer, der giver os mulighed for at se, hvordan store grupper af neuroner kommunikerer med hinanden, mens på samme tid, at være i stand til at fokusere på en enkelt neurons aktivitet. Vores seneste arbejde åbner potentielt integrationen af ​​spændingsfølsomme nanomaterialer i levende celler og væv i en række forskellige konfigurationer for at opnå realtids billeddannelseskapaciteter, som ikke er mulige i øjeblikket."

Grundlaget for neuronkommunikation er den tidsafhængige modulering af styrken af ​​det elektriske felt, der opretholdes på tværs af cellens plasmamembran. Dette kaldes et handlingspotentiale. Blandt de nanomaterialer, der overvejes til anvendelse i neuronal handlingspotentiale billeddannelse, er kvanteprikker (QD'er) - krystallinske halvledernanomaterialer med en række fordelagtige fotofysiske egenskaber.

"QD'er er meget lysstærke og fotostabile, så du kan se på dem i lang tid, og de giver mulighed for vævsbilleddannelseskonfigurationer, der ikke er kompatible med nuværende materialer, for eksempel, organiske farvestoffer, " tilføjede Delehanty. "Lige så vigtigt, vi har vist her, at QD lysstyrke sporer, med meget høj troskab, de tidsopløste elektriske feltstyrkeændringer, der opstår, når en neuron gennemgår et aktionspotentiale. Deres størrelse på nanoskala gør dem til ideelle spændingsfølende materialer på nanoskala til interfacing med neuroner og andre elektrisk aktive celler til spændingsføling."

QD'er er små, lyse, fotostabile materialer, der har nanosekunders fluorescenslevetid. De kan være lokaliseret i eller på cellulære plasmamembraner og har lav cytotoksicitet, når de forbindes med eksperimentelle hjernesystemer. Derudover QD'er besidder to-foton virkning tværsnit størrelsesordener større end organiske farvestoffer eller fluorescerende proteiner. To-foton-billeddannelse er den foretrukne billeddannelsesmodalitet til billeddannelse dybt (millimeter) ind i hjernen og andre væv i kroppen.

I deres seneste arbejde, NRL-forskerne viste, at et elektrisk felt, der er typisk for dem, der findes i neuronale membraner, resulterer i undertrykkelse af QD-fotoluminescensen (PL) og, for første gang, at QD PL er i stand til at spore aktionspotentiale profilen for en fyrende neuron med millisekunders tidsopløsning. Denne effekt er vist at være forbundet med elektrisk felt-drevet QD ionisering og deraf følgende QD PL quenching, i modstrid med konventionel visdom, at undertrykkelse af QD PL kan tilskrives den kvantebegrænsede Stark-effekt - forskydningen og spaltningen af ​​spektrallinjer af atomer og molekyler på grund af tilstedeværelsen af ​​et eksternt elektrisk felt.

"De iboende overlegne fotostabilitetsegenskaber af QD'er kombineret med deres spændingsfølsomhed kan vise sig at være fordelagtige for langsigtede billeddannelsesevner, som i øjeblikket ikke er opnåelige ved brug af traditionelle organiske spændingsfølsomme farvestoffer, "Delehanty sagde. "Vi forventer, at fortsat forskning vil lette det rationelle design og syntese af spændingsfølsomme QD-prober, der kan integreres i en række billeddannelseskonfigurationer til robust funktionel billeddannelse og sensing af elektrisk aktive celler."