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攻下近50年来目标?新型纳米探针可用于神经活动

2019-11-03 10:35

研究人员进行了一系列的实验来表征和优化电等离子体纳米天线的性能。然后他们测试了它在心肌细胞细胞培养中监测电生理信号的能力。结果显示它可以实时、全光检测心肌细胞的电活动,具有较高的信噪比。

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“关键特征尺寸为10至15微米。最近的研究表明,较小尺寸的植入物会显著降低固有免疫反应。”Habib 说:“从这个意义上说,我们的纳米级PEDOT涂层探针特别有利于长期运行。”

脑科学,狭义的讲就是神经科学,是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程,以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。

这项新技术发表在10月18日出版的《Science Advances》杂志上。Yanik实验室的博士生Ahsan Habib是这篇论文的第一作者。

德拉普里达认为,这项研究是神经科学领域的新进展,这一发现具有重大意义。她介绍说,目前,为了在大脑中利用光来读取神经元的活动,已有的光学监测技术需要进行基因编辑,才能将荧光分子插入细胞膜,因此这种方法难以在人体中使用。但是,亚尼克团队的光学探针使用荧光信号,这是一种不需要基因编辑的细胞外技术。

关于基因探针

据西班牙《国家报》网站10月21日报道,得益于超过800亿个神经元的活动,人脑每秒能进行约100亿次活动。仅仅记录这些细胞中的10%的活动就已是巨大的科学挑战。

加州大学巴斯金工程学院Yanik实验室与圣母大学的研究者合作,开发了细胞外纳米探针,能够对电生理信号进行超灵敏的光学监测。其他的光学监测技术需要基因改造才能将荧光分子插入细胞膜,这就排除了这些荧光分子在人类中的应用。

但是,将细胞的电流转换成光信号会产生问题。科学家们在同一区块中接收到巨量的信息。德拉普里达说,对于研究工作而言,这无疑是一项挑战,这肯定需要人工智能技术来提取大量信息。

基因探针,即核酸探针,是一段带有检测标记,且顺序已知的,与目的基因互补的核酸序列(DNA或RNA)。基因探针通过分子杂交与目的基因结合,产生杂交信号,能从浩瀚的基因组中把目的基因显示出来。

于是,这套新系统将这种电活动转换为光信号,以便更容易和更清楚地解释这类易被刺激细胞的行为。

图1 电等离子纳米天线扫描电镜照片。来源:Yanik实验室

4166.com,关于脑科学

Yanik描述了使用光学纳米探针监测包括人类在内的活体动物神经活动的两种可能方法。探针可以与光纤整合成柔性的和生物相容的植入物,或者它们可以被合成为悬浮在胶体溶液中的纳米颗粒,表面蛋白附着以使探针能够结合特定的细胞类型。

目前,美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的研究人员已经在培养的心肌细胞中进行了这种方法监测电生理信号的能力测试。所使用的技术利用纳米探针,不需要任何外接电源,便可以从很大的区域以高分辨率传输结果。这些微小的工具可以检测到两种材料中产生的电子的振荡。带有负电荷的粒子云非常敏感,被光激发后,研究人员便可以读取电流。

图3 电活动的光学记录。变速器暗场测量设置示意图。强烈的光散射对比观察到有和无电等离子体纳米天线的空间区域。电等离子体纳米天线的时间响应用方波电压进行光谱电化学记录。电等离子体纳米天线的光学响应显示为电势阶跃介于-500 mV和500 mV之间,停留时间为5 ms。通过拟合散射光强度的衰减指数函数。在等离子体上培养的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞的假彩色扫描电子显微照片纳米天线阵列。对心肌细胞网络电活动的微分散射信号。强远场信号允许利用等离子体纳米天线对心肌细胞的电活性进行无标记的实时光学检测。控制测量以验证电光信号的来源。在没有电等离子体纳米天线的情况下,没有检测到远场信号。来源:Yanik实验室

10月27日消息,据外媒报道,西班牙的一项新技术能够实时监测神经元,从而完善人类对大脑的认知,为一些疾病的治疗提供新的可能性。

传统上用微电极阵列来监测神经元的电活动,但这种方法难以大规模实现,而且空间分辨率有限。此外,加州大学圣克鲁斯分校电气与计算机工程助理教授Ali Yanik认为,读出所需的电子线路是微电极的一个主要局限。

通常,研究人员使用微电极阵列来完成对神经元电活动的监测。然而,据西班牙国家研究委员会研究员莉塞特·梅嫩德斯·德拉普里达介绍,此前发表在美国《科学进展》杂志上的一项研究指出,光子是这种监测方法的最佳替代方案。得益于这种粒子的电磁特性,研究人员研发的探针能从整个系统中接收光信号。这项新技术可以帮助我们读懂器官的活动,以开发出诊断疾病的新技术。

Yanik说:“电子线路极其有限的带宽是电子本质造成的瓶颈。我们转向光子,因为光提供了数十亿倍增强的多路复用和信息承载能力,这也是电信业走向光纤的相同原因。通过将生物电信号转换成光子,我们将能够以光学方式传输大带宽的神经活动。”

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