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新型纳米探针显示出对神经活动进行光学监测希望

加州大学圣克鲁斯分校的研究人员已经开发出超灵敏的纳米级光学探针,以监测神经元和其他可兴奋细胞的生物电活动。这项新颖的读出技术可以使科学家通过同时监视大量单个神经元,以前所未有的规模研究神经回路的功能。这也可能导致具有大幅提高的精度和功能的高带宽脑机接口。

常规地,使用微电极阵列来完成对神经元电活动的监测,但是它们很难大规模实施并且空间分辨率有限。UCSC巴斯金工程学院的电气和计算机工程助理教授Ali Yanik表示,此外,读出所需的电子布线是微电极的主要限制。

雅尼克说:“电子线路的带宽极为有限,这是电子本身的特性造成的瓶颈。” “我们之所以选择光子,是因为光提供了十亿倍的增强的多路复用和信息承载能力,这也是电信行业转向光纤的原因。通过将生物电信号转换为光子,我们将能够光学传输大带宽的神经活动。 ”

Yanik的实验室与圣母大学的合作者合作,开发了细胞外纳米探针,可对电生理信号进行超灵敏的光学监测。其他光学监控技术需要进行基因改造,才能将荧光分子插入细胞膜,从而排除了其在人体中的使用。

Yanik的方法类似于细胞外微电极技术,除了读出机制是光学的并且探针具有纳米级尺寸。此外,与基于荧光的探针相比,它产生的信号要明亮得多,信噪比更高。

Yanik说:“利用光的无与伦比的多路复用和承载信息的能力来解剖神经电路并解密电生理信号已成为神经科学家的目标。近50年来,我们可能终于找到了一种方法。”

这项新技术在10月18日发表于《科学进展》上的一篇论文中进行了描述。Ahsan Habib博士 Yanik实验室的候选人是该论文的第一作者。

广泛的应用

尽管该技术仍处于开发的早期阶段,但亚尼克(Yanik)表示,它可能为广泛的应用打开大门。他说,最终,这可能会导致强大的脑机接口,从而为残疾人开发新的脑控假体技术。

Yanik的光学纳米探针是纳米器件(直径小于100纳米),其基于与称为PEDOT的生物相容性聚合物偶联的新型金属天线结构。该聚合物是“电致变色”的,这意味着其光学性质会响应于局部电场而变化。天线是“等离子纳米天线”,这意味着它以类似于无线电天线的方式利用光和物质的纳米级相互作用。结果是一种“电等离子体纳米天线”,能够以极高的灵敏度提供对局部电场动力学的可靠光学检测。

Yanik解释说:“电浆等离子体纳米天线的共振频率随电场而变化,我们可以看到,当我们在其上照射光时,可以远程读取信号。”

研究人员进行了一系列实验室实验,以表征和优化电等离子体纳米天线的特性。然后他们测试了它在心肌细胞(像神经元一样可以产生电脉冲的心肌细胞)细胞培养物中监测电生理信号的能力。结果表明,实时,全光学检测心肌细胞中的电活动,具有高信噪比。

除了不需要遗传操作外,该技术相对于荧光探针的优点还包括所需的非常低的光强度,比用于荧光电压探针的典型光强度低两到三个数量级。另外,荧光分子易于漂白并产生破坏性的氧自由基。

Yanik描述了使用光学纳米探针监测包括人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到一个柔性且生物相容的植入物中,或者可以合成为悬浮在胶体溶液中的纳米颗粒,并附着表面蛋白以使探针能够结合特定的细胞类型。

Yanik说:“使用基于解决方案的系统,您可以将其注射到血液或器官中,并且纳米探针可以附着到您要监视的特定细胞类型上。” “我们才刚刚起步,但是我认为我们有一个良好的基础可以继续。”

在活体动物中使用神经探针的重要考虑因素是对体内异物的固有免疫反应。先前的研究表明,用生物相容性PEDOT聚合物涂覆电极可极大地改善微加工神经假体装置的长期性能。植入物的大小也会影响免疫反应。

哈比卜说:“关键特征的尺寸为10至15微米。最近的研究表明,较小尺寸的植入物会导致固有免疫反应大大降低。” “从这个意义上讲,我们具有纳米级尺寸的PEDOT涂层探头对于长期运行特别有利。”

除Habib和Yanik外,该论文的合著者还包括UCSC研究生朱向超和Maverick McLanahan,以及圣母大学的Uryan Can和Pinar Zorlutuna。这项工作得到了美国国家科学基金会的资助。

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