Nyt materiale hjælper med neural stimulation ved hjælp af lys

Evnen til at målrette og stimulere neuroner giver en række fordele, herunder bedre forståelse af hjernefunktion og behandling af neurologiske sygdomme. I øjeblikket, state-of-the-art microelectrode arrays (MEA) kan stimulere neuroner med høj præcision, men de mangler celletypespecificitet og kræver invasiv implantation, der kan resultere i vævsskade - tænk på stimulatorer, der bruges til at hjælpe patienter med rystelser. professor i materialevidenskab og teknik, og biomedicinsk teknik, Tzahi Cohen-Karni og hans team har udforsket nye materialer for at tillade fjernfotostimulering, eller brugen af ​​lys til at stimulere celler.

Celler kan "tale" med hinanden ved at sende og modtage elektriske signaler. Inde i en celles membran, en neuron i vores hjerne for eksempel, der er bittesmå porer kaldet ionkanaler, som lader ioner bevæge sig ind og ud af cellen. Under normale forhold, ionstrømmene over membranen dikterer, om en celle vil sende et elektrisk signal til sine naboer. I de seneste år, forskere har vist, at det er muligt at bruge lysimpulser til at ændre cellemembranens egenskaber og fremkalde et elektrisk signal, der kan styre cellulær kommunikation. Cohen-Karnis team sigter mod at identificere materialer, der er effektive til at kontrollere celleaktiviteter uden at forårsage nød. De erkendte, at multidimensionel grafen (fuzzy graphene) udgjorde en stor kandidat til cellulær stimulering, men fandt ud af, at nogle materialer var svære at producere og ikke kunne absorbere nok lys til effektivt at overføre lys til varme.

I hans aktuelle forskning udgivet af American Chemical Society, Cohen-Karni fokuserede på overgangsmetalcarbider/nitrider (MXenes) flager, et unikt todimensionelt (2D) nanomateriale opdaget af Dr. Yury Gogotsis team på Drexel University. MXenes har vist sig at udvise fremragende mekaniske egenskaber, høj elektrisk ledningsevne, fremragende elektrokemiske egenskaber, og vigtigere er de nemme og billige at producere.

I stedet for at studere materialet for dets bulk egenskaber, Cohen-Karnis team målte materialets fototermiske egenskaber på et enkelt flageniveau. Holdet spredte flager på overfladen af ​​dorsale rodganglion (DRG), celler i det perifere nervesystem, og oplyste dem med korte lysimpulser. Ved at studere grænsefladen mellem celler og materialer, det blev klart, at flager ikke ville blive absorberet af cellerne, og Cohen-Karni kunne nøjagtigt måle mængden af ​​lys, der kræves for at skabe cellulær forandring.

"Det, der virkelig er unikt ved de materialer, vi bruger i mit laboratorium, er, at vi ikke behøver at bruge højenergiimpulser for at få en effektiv stimulation, Cohen-Karni forklarede. "Ved at skinne korte lysimpulser på DRG-MXene-grænsefladen, vi fandt ud af, at cellens elektrofysiologi blev ændret med succes."

Så hvad betyder det for fremtiden for neurologi? Med en øget forståelse af, hvordan man opnår neural stimulation og letheden ved MXene-produktion, forskere kan mere effektivt praktisere fjernfotostimulering. For eksempel, forskere kunne indlejre MXenes i kunstigt væv udviklet i form af en hjerne, og derefter bruge lys til at kontrollere den neurale aktivitet og yderligere afdække neuronernes rolle i hjernens udvikling. Til sidst, dette materiale kunne endda bruges som en ikke-invasiv behandling af neurale funktionsnedsættelser, som rystelser.

Andre teammedlemmer involveret i forskningen omfattede materialevidenskab og ingeniørstuderende Yingqaio Wang og Raghav Garg; Jane E. Hartung og Michael S. Gold fra University of Pittsburgh; Adam Goad og Dipna A. Patel fra Drexel University; og Flavia Vitale fra University of Pennsylvania og Center for Neurotrauma, Neurodegeneration, og restaurering.