Los investigadores de la UC Santa Cruz han desarrollado sondas ópticas ultrasensibles a nanoescala para monitorear la actividad bioeléctrica de las neuronas y otras células excitables. Esta novedosa tecnología de lectura podría permitir a los científicos estudiar cómo funcionan los circuitos neuronales a una escala sin precedentes al monitorear grandes cantidades de neuronas individuales simultáneamenteTambién podría conducir a interfaces cerebro-máquina de gran ancho de banda con una precisión y funcionalidad dramáticamente mejoradas.
La monitorización de la actividad eléctrica de las neuronas se realiza convencionalmente utilizando conjuntos de microelectrodos, pero estos son difíciles de implementar a gran escala y ofrecen una resolución espacial limitada. Además, el cableado electrónico requerido para la lectura es una limitación importante de los microelectrodos, según AliYanik, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la UC Santa Cruz.
"El ancho de banda extremadamente limitado del cableado electrónico es un cuello de botella creado por la naturaleza misma de los electrones", dijo Yanik. "Recurrimos a los fotones porque la luz ofrece capacidades de multiplexación y transporte de información mejoradas mil millones de veces, la misma razón por la cual las telecomunicacionesla industria se trasladó a la fibra óptica. Al convertir las señales bioeléctricas en fotones, podremos transmitir ópticamente la actividad neuronal de gran ancho de banda ".
El laboratorio de Yanik en la Escuela de Ingeniería Baskin de la UCSC, que trabaja con colaboradores de la Universidad de Notre Dame, ha desarrollado nanoprobes extracelulares que permiten el monitoreo óptico ultrasensible de las señales electrofisiológicas. Otras técnicas de monitoreo óptico requieren modificaciones genéticas para insertar moléculas fluorescentes en las membranas celulares, quedescarta su uso en humanos.
El enfoque de Yanik es similar a las técnicas de microelectrodos extracelulares, excepto que el mecanismo de lectura es óptico y las sondas tienen dimensiones a nanoescala. Además, produce una señal mucho más brillante y relaciones señal / ruido más altas que las sondas basadas en fluorescencia.
"Aprovechar la capacidad incomparable de multiplexación y transporte de información de la luz para diseccionar el circuito neural y descifrar las señales electrofisiológicas ha sido un objetivo de los neurocientíficos durante casi 50 años. Puede que finalmente hayamos encontrado una manera de hacerlo", dijo Yanik.
La nueva tecnología se describe en un artículo publicado el 18 de octubre en Avances científicos . Ahsan Habib, un candidato a doctorado en el laboratorio de Yanik, es el primer autor del artículo.
Aunque la tecnología aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, Yanik dijo que podría abrir la puerta a una amplia gama de aplicaciones. En última instancia, dijo, puede conducir a potentes interfaces cerebro-máquina, lo que permite el desarrollo de nuevas capacidades cerebrales.tecnologías protésicas controladas para personas con discapacidad.
Los nanoprobes ópticos de Yanik son dispositivos a nanoescala menos de 100 nanómetros de diámetro basados en una nueva estructura de antena metálica acoplada a un polímero biocompatible llamado PEDOT. Este polímero es "electrocrómico", lo que significa que sus propiedades ópticas cambian en respuesta al localcampo eléctrico. La antena es una "nanoantena plasmónica", lo que significa que usa interacciones a nanoescala de luz y materia de forma análoga a una antena de radio. El resultado es una "nanoantena electro-plasmónica" que proporciona una detección óptica confiable de la dinámica del campo eléctrico local.con notable alta sensibilidad.
"La nanoantena electro-plasmónica tiene una frecuencia de resonancia que cambia en respuesta al campo eléctrico, y podemos ver que cuando la iluminamos, podemos leer la señal de forma remota", explicó Yanik.
Los investigadores realizaron una serie de experimentos de laboratorio para caracterizar y optimizar las propiedades de la nanoantena electro-plasmónica. Luego probaron su capacidad para monitorear las señales electrofisiológicas en cultivos celulares de cardiomiocitos células del músculo cardíaco que, como las neuronas, pueden generar impulsos eléctricosLos resultados demostraron la detección totalmente óptica de la actividad eléctrica en tiempo real en cardiomiocitos, con una alta relación señal / ruido.
Además de no requerir manipulaciones genéticas, las ventajas de esta técnica sobre las sondas fluorescentes incluyen las intensidades de luz muy bajas necesarias, de dos a tres órdenes de magnitud más bajas que las intensidades de luz típicas utilizadas para las sondas de voltaje fluorescente. Además, las moléculas fluorescentes sonsusceptible al blanqueamiento y a generar radicales libres de oxígeno disruptivos.
Yanik describió dos posibles enfoques para usar las nanoprobes ópticas para controlar la actividad neuronal en animales vivos, incluidos los humanos. Las sondas podrían integrarse con una fibra óptica en un implante flexible y biocompatible, o podrían sintetizarse como nanopartículas suspendidas en un coloidalsolución, con proteínas de superficie unidas para permitir que las sondas se unan a tipos de células específicas.
"Con el sistema basado en solución, puede inyectarlo en el torrente sanguíneo o en un órgano, y las nanoprobes se unen a los tipos de células específicas que desea monitorear", dijo Yanik. "Estamos en las primeras etapas de este, pero creo que tenemos una buena base para construir "
Una consideración importante para el uso de sondas neurales en animales vivos es la respuesta inmune inherente a materiales extraños en el cuerpo. Estudios anteriores han demostrado que el recubrimiento de electrodos con el polímero PEDOT biocompatible mejora dramáticamente el rendimiento a largo plazo de los dispositivos protésicos neurales microfabricados.El tamaño de los implantes también influye en la respuesta inmune.
"Los tamaños de las características críticas son de 10 a 15 micras. Estudios recientes han demostrado que los implantes de menor tamaño conducen a una respuesta inmune inherente dramáticamente reducida", dijo Habib. "En este sentido, nuestras sondas recubiertas con PEDOT con dimensiones a nanoescala son particularmente ventajosas paraoperación a largo plazo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Cruz . Original escrito por Tim Stephens. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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